CN108884711A - 从地下碳氢化合物储层生产氢气的原位工艺 - Google Patents

Abstract

用热处理碳氢化合物储层以引起气化、水煤气变换和/或水热裂解反应以产生包含氢气的气体。通过在生产井中使用仅氢气可渗透的膜，将氢气单独地生产至地表。

Description

从地下碳氢化合物储层生产氢气的原位工艺

技术领域

本发明涉及从地表下来源生产氢气。

背景技术

碳氢化合物储层在全球是丰富的，并且已知许多技术用于从这些储层将碳氢化合物生产至地表，所述技术包含初级过程(primary process)以及次级回收过程(如水驱和化学驱)以生产附加的碳氢化合物。

对于重油和超重油(沥青)，碳氢化合物在原始储层条件下通常太粘稠而无法使用常规方法生产至地表，并且因此重油和沥青通常被热处理以减低粘度，以便资源更容易地在储层中流动，并且可以被生产至地表。

在提取重油和沥青之后，其必须被改良成合成原油，所述合成原油转而被精炼成用于石油化学工业的运输燃料和原料。

然而，已知由于资源或其产品通常被燃烧以收获其能量，因此碳氢化合物资源的生产导致最终生成二氧化碳。

因此，存在对于生产燃料(如氢气)的持续的期望，所述燃料是更加二氧化碳中性的，其也可以用作用于工业(如精炼厂和化肥生产)的化学原料。然而，还已知生成氢气的常规手段(例如，蒸汽甲烷重整或电解)是碳排放密集型的或是实施上不期望地昂贵的。

发明内容

因此，本发明试图提供用于从碳氢化合物储层生成氢气(可能地二氧化碳中性的能源和工业原料)的方法和系统。

根据本发明的实施例，原位气化、水煤气变换和/或水热裂解被采用以在地表下储层中生产合成气体，这样的合成气体包括蒸汽、一氧化碳、二氧化碳和氢气，其中碳氧化物借助于井筒中的仅氢气可渗透的膜被拒绝生产至地表。然后工艺将主要包括氢气的气体产物生产至地表。

所生产的氢气是替代能量载体，其可以从碳氢化合物储层生产至地表。然后，所生产的氢气可以在地表上燃烧以产生电或热，或在燃料电池装置中消耗以用于发电或作为工业原料。

在本发明的第一主要方面中，提供一种用于从碳氢化合物储层生产氢气的方法，所述方法包括：

a.提供从地表至储层的井；

b.在井中安置至少一个氢气可渗透膜；

c.加热储层以促进在储层内的碳氢化合物和水之间发生气化、水煤气变换和水热裂解反应中的至少一种，以生成包括氢气的气体流；以及

d.使气体流和至少一个氢气可渗透膜接合，使得至少一个氢气可渗透膜仅容许气体流中的氢气通过到地表。

在第一方面的一些示例性实施例中，加热储层的步骤包括：将氧化剂注入储层中以氧化储层内的碳氢化合物中的至少一些；用置于储层内的电磁天线或射频天线生成电磁波或射频波；将热材料注入储层；或通过使用被安置在储层内的基于电阻的(欧姆)加热系统产生热。本领域技术人员将清楚，其他加热手段可以适用于本发明的应用。

在一些示例性实施例中，至少一个氢气可渗透膜可以包括下列中的至少一种：钯(Pd)、钒(V)、钽(Ta)或铌(Nb)。至少一个氢气可渗透膜还可以包括钯-铜合金，或可能的钯-银合金。至少一个氢气可渗透膜可以包括陶瓷层，并且最优选在钯-铜合金的内侧或外侧上的陶瓷层。至少一个氢气可渗透膜可以包括陶瓷层和选自由钯、钒、钽、铌、铜、这些材料的合金及其组合组成的组的非陶瓷层，并且非陶瓷层可以包括钯-铜合金。

至少一个氢气可渗透膜优选地被安置在储层内的井中，但是其也可以被定位在靠近储层的井中，或井中的其他点处。

在一些示例性实施例中，多孔材料被安置在井中以支撑井内的至少一个氢气可渗透膜。多孔材料优选是但不一定是多孔钢。

在本发明的一些示例性实施例中，方法包括在加热储层的步骤之后延迟使气体流和至少一个氢气可渗透膜接合以允许进一步产生氢气的另外的步骤。该延迟的步骤可以包括延迟在1周至12个月的范围内(并且最优选地在1周至4周的范围内)的时间段。

在示例性实施例中，在介电加热被用于加热储层的步骤的情况下，电磁辐射可以具有在约60Hz至1000Ghz的范围内(并且优选地在10Mhz至10GHz的范围内)的频率。

在基于电阻的(欧姆)的加热系统被用于加热储层的情况下，加热优选地至在200至800摄氏度的范围内(并且最优选地在400至700摄氏度的范围内)的温度。

在本发明的第二主要方面中，提供一种用于从地表下储层回收氢气的系统，所述系统包括：

用于加热储层以产生包括氢气的气体流的设备；

被安置在储层中的井；以及

井中的氢气可渗透膜，所述氢气可渗透膜适于容许气体流中的氢气通过，但不允许气体流中的其他气体通过，以允许将氢气通过井生产至地表。

在第二方面的一些示例性实施例中，用于加热储层的设备包括氧化剂注入器、电磁体、射频天线和热材料注入器中的至少一种。

所生产的氢气可以在燃料电化学电池装置中被消耗，被燃烧以产生用于发电的蒸汽或用于油开采的蒸汽，或被用作工业原料。

下列给出本发明的示例性实施例的详细描述。然而，应当理解的是，本发明不应被解读为限于这些实施例。示例性实施例针对本发明的特定应用，而本领域技术人员将清楚，本发明具有超出本文所阐述的示例性实施例的适用性。

附图说明

在附图中，阐明了本发明的示例性实施例：

图1A至1C是简化的正视图和截面图，阐明系统和方法中的阶段，其中通过氧化储层内的一部分碳氢化合物来加热碳氢化合物储层。

图2是简化的正视图和截面图，阐明了系统和方法，其中使用置于储层内的电磁天线/射频天线加热碳氢化合物储层。

图3是简化的截面图，阐明多种天线和生产井的使用。

图4A至4C是阐明示例性氢气分离复合膜的截面视图。

图5是简化的正视图和截面图，阐明示例性系统和方法，其中将氧化剂连续注入储层以生产氢气。

图6是简化的正视图和截面图，阐明示例性系统和方法，其中井之一在井内具有电阻加热筒以加热储层以生产氢气。

图7是阐明在本文所描述的示例性方法中发生的反应中的一些的图，所述反应在储层内发生以生产氢气。

图8A至8B是阐明使用图7中所阐明的反应方案，重油储层中的氢气生产过程的热反应性储层模拟的结果的图，所述氢气生产过程包括循环氧化剂注入过程，所述循环氧化剂注入过程包含非注入的时间段，在该非注入的时间段允许化学反应在储层内持续进行。

图9A至9D是阐明使用图7中所阐明的反应方案，包括连续氧化剂注入过程的在重油储层中的氢气生产过程的热反应性储层模拟的结果的图。

现在将参考附图描述本发明的示例性实施例。

具体实施方式

贯穿下列描述，阐述了具体细节以便为本领域技术人员提供更透彻的理解。然而，可能未详细示出或描述公知的要素以避免不必要地使本公开不清楚。下列对本发明的实例的描述不旨在是穷举性的或将本发明限制为任何示例性实施例的精确形式。因此，说明书和附图应被视为说明性的而非限制性的。

贯穿本说明书，许多术语和表达根据其普通含义被使用。下文所提供的是在下列的描述中使用的一些附加的术语和表达的定义。

“油”是由碳氢化合物组分组成的天然存在的未精炼的石油产品。“沥青”和“重油”通常基于其密度和粘度而区别于其他石油产品。“重油”通常被分类为具有在920至1000kg/m³之间的密度。“沥青”通常具有大于1000kg/m³的密度。为了本说明书的目的，术语“油”、“沥青”和“重油”被可互换地使用，使得每一个包含另一个。例如，在单独使用术语“沥青”的情况下，其在其范围内包含“重油”。

如本文所使用的，“石油储层”是指地表下地层，所述地表下地层主要由含有石油产品(即油和气体)的多孔基质组成。如本文所使用的，“重油储层”是指主要由含有重油的多孔岩石组成的石油储层。如本文所使用的，“油砂储层”是指主要由含有沥青的多孔岩石组成的石油储层。

“裂化”是指将较大的碳氢化合物链分裂成较小链的化合物。

术语“原位”是指地表下油砂储层的环境。

在主要方面中，本文所描述的示例性方法和系统使用油砂储层作为氢气源(沥青和地层水两者)。

总之，本说明书描述了处理油储层(常规油、重油、油砂储层、碳酸盐岩油储层)以回收氢气的系统和方法。方法包含将氧气或富含氧气的流注入储层中以燃烧储层中的一部分碳氢化合物。

在一些优选的示例性实施例中，在注入氧化剂期间，不向地表生产流体。在储层实现目标温度之后，注入停止并且在此期间储层中剩余的氧气被消耗并且发生气化反应和水煤气变换反应。在这些反应期间，在储层内生产氢气。生产井包括仅氢气可渗透的膜，当开启用于生产时，所述仅氢气可渗透的膜仅将氢气生产至地表。在氢气生产速率下降到阈值以下之后，再次开始氧气注入并且该过程重复多次，直至总氢气生产速率下降到阈值以下。可以从经济的最小氢气生产速率确定阈值，其将由氧气注入的成本、氢气生产的价格、存储、运输和消耗(例如，在用于发电的燃料电池中)以及操作的成本而设定。仅氢气可渗透的膜防止碳氧化物生产至地表。因此，该工艺从位于储层内的碳氢化合物和水生产氢气。如果需要使期望的反应成为可能，则可以连同氧气将水注入储层。

通过将氧气注入储层内氧化储层流体是在储层内生成热的一种手段。在高温下在储层中发生的反应可以包含低温氧化和高温氧化、热解(热裂化)、水热裂解(在存在水的情况下的水热解或热裂化反应)、气化反应和水煤气变换反应。

图1A至1C阐明了系统10，其中包括注入井14和生产井16的蒸汽辅助重力泄油(SAGD)井对12被用于在储层18中经三个阶段实施本发明的示例性实施例。本领域技术人员将清楚，示例性方法可以采用现有的蒸汽辅助重力泄油(SAGD)井对或仅使用SAGD井对的SAGD井配置或模式(例如，SAGD井对的垫)的井对。此外，本领域技术人员将清楚，示例性方法可以采用现有的周期蒸汽吞吐(CSS)井或仅使用CSS井的CSS井配置或模式(例如，CSS井的垫)的井。在阶段1中(图1A中所阐明的)，将氧气通过开启的注入井14注入储层18中，导致储层18的燃烧区20中的一部分沥青燃烧以产生气化、水煤气变换和水热裂解反应所需要的温度(对于非限制性实例，>700摄氏度)。生产井16在此阶段保持关闭。在阶段2中，停止氧气注入并且关闭注入井14，并且储层18中的剩余的氧气通过燃烧区20中持续的反应被消耗。由于近井区域中的储层18处于足够的高温下，因此气化、水煤气变换和水热裂解反应持续进行。来自反应的气体产物在储层18中积聚。此后，当含有氢气分离膜(未示出)的生产井16被开启时(所述生产井16然后将氢气生产至地表)，启动阶段3。在氢气生产已经下降至非经济性速率之后，然后可以在阶段1重新开始该过程。方法不限于水平井，也可以用垂直井和斜井以及分支井来完成。方法可以同样地应用于气体储层中。方法可以应用于除了氢气之外还从储层生产油的情况。方法可以应用于从储层生产合成气体的情况。

图2中阐明了根据本发明的另一示例性系统30。在该实施中，使用电磁天线/射频天线32向储层18提供热以形成加热区36。经加热的储层18经历气化、水煤气变换和水热裂解反应，其在储层18内产生氢气和其他气体。所产生的氢气通过生产井34内的仅氢气可渗透的膜被生产至地表。方式不限于水平井，也可以用垂直井和斜井以及分支井来完成。方法可以同样地应用于气体储层中。

另一相关的实施例在图3中以截面或横井视图被阐明，其中系统40包括多个生产井42和多个电磁天线/射频天线/加热器44。电磁加热器/射频加热器44被定位在储层18中的氢气生产井42之间，并且创建加热区46。方法不限于水平井，也可以用垂直井和斜井以及分支井来完成。方法可以同样地应用于气体储层中。也可以使用具有电阻(欧姆)加热器的井。

反应产生气体，其然后使热流通的油和蒸汽冷凝物朝向气化反应室的底部重力泄油(由于密度差异)。因此，通过使流通的油朝向注入井或天线上方和周围的反应区运动来提供用于进一步反应的附加的源材料。这有助于气化反应和维持井附近的700+摄氏度区。井内膜允许氢气通过但将其他气体分子保持在储层中。

图5阐明了根据本发明的系统50的另一示例性实施例。类似于图1A至1C的实施例，系统50包括SAGD井对52(注入井54和生产井56)。然而，代替在生产之前在加热区58中允许注入后化学反应时间段，注入井和生产井54、56保持开启并且允许经注入的氧化剂和所生产的氢气的连续流动。方法可以应用于除了氢气之外还从储层生产油的情况。方法可以应用于从储层生产合成气体的情况。

图6阐明了根据本发明的系统60的另一示例性实施例。在该实施例中，包括井对62(注入井64和生产井66)，井64、66之一被提供有电阻加热筒，所述电阻加热筒用于加热储层18中的热解区68以通过生产井66生产氢气。

在其他实施例(未示出)中，可以使用单井配置，其中沿着井的一部分注入氧气，并且沿着井的另一部分发生仅氢气生产。井可以是垂直的、斜的、水平的或分支的。

在另外的未阐明的实施例中，可以通过电磁波或射频波完成储层的加热。可替代地，可以使用高压、高温蒸汽完成储层的加热。

本方法也可以用于油气储层中，其中储层的水含量被认为是高的，使得在通常的实践中，这些储层不会分别生产油或气体。由于氢气不仅来源于碳氢化合物而且来源于储层内的水，因此根据本发明的方法和系统可以用于高水含量的碳氢化合物储层中。因此，由于氢气来源于石油以及储层中的水两者，本文所教导的方法可以能够用于其中高水含量使得其比油饱和的储层价值更小的储层中，将先前价值更小的石油储层转化为有价值的能源。

本发明涉及油或气体储层的处理，用于从储层内的碳氢化合物和水生产氢气。处理包含加热储层以使气化和水煤气变换反应在储层内生产氢气，并且然后使用配备有氢气膜的仅生产氢气的井从储层生产氢气。

通常认为油气储层中的高水含量对于油或气体生产是不利的。然而，已经发现由于水归因于水煤气变换反应而供应氢气，因此高水含量可以对氢气的生产有益处。已经发现许多生产氢气的反应从储层中的水获得氢气-在反应温度下，地层水被转化为蒸汽，所述蒸汽然后参与与储层中的碳氢化合物的蒸汽重整反应。

下列是关于本发明的某些示例性实施例的进一步详细描述。

A.加热储层

在某些示例性实施例中，储层被加热到一温度，在该温度下，储层内的油和水之间发生气化和水煤气变换反应。

可以通过本领域公知的各种方法将热输送到储层。本领域中使用的典型方法包含燃烧步骤，其中将氧气注入储层一段时间，其中一部分碳氢化合物燃烧以在储层内产生热以实现近似400至700摄氏度的温度。其他加热模式包含基于电磁或射频的加热。其他加热模式包含将热材料注入储层。

在将热注入储层之后，如果通过燃烧完成，则停止氧气注入，并且允许化学反应在由燃烧步骤获得的高温下在储层内持续进行。如果通过电磁加热被加热，则该加热可以持续进行以将储层保持在期望的反应温度。

B.气化、水煤气变换和水热裂解反应时间段

在储层处于高温的时间段期间，可以发生气化和水煤气变换以及水热裂解反应，伴随着随后产生氢气、硫化氢、一氧化碳、二氧化碳和蒸汽(水蒸气)以及可能的其他气体。当反应发生在储层中时，气体组分在储层孔隙空间和储层中的任何裂缝或其他空隙空间内聚集。

图7阐明了在储层中发生的反应中的一些。可以看出，用于氧化和气化的燃料是由工艺期间发生的反应形成的沥青和焦炭。沥青可以表示为软沥青(饱和烃、芳香烃和胶质)和沥青质(具有大粘度的大环状化合物)的混合物。在氧化期间，软沥青可以转化为沥青质。可以经由低温氧化和高温氧化两者以及热裂化，将沥青质转化成各种气体产物，包含甲烷、氢气、一氧化碳、二氧化碳、硫化氢和高分子量气体(例如，丙烷等)以及焦炭。然后可以通过氧化和气化反应将焦炭转化为甲烷、水(蒸气)、一氧化碳、二氧化碳和氢气。另外，可以经由气化反应将甲烷转化为氢气和二氧化碳以及一氧化碳。可以经由水煤气变换反应将一氧化碳和水(蒸气)转化为氢气和二氧化碳。通常，系统中的燃料组分(例如，油、焦炭、甲烷)可以被气化以生产一氧化碳、二氧化碳和氢气的混合物。

C.氢气的生产

在氢气的产生已经经过足够的时间之后，通过生产井内的仅氢气可渗透的膜从储层生产氢气。以该方式，硫化氢、一氧化碳、二氧化碳、蒸汽和其他气体组分被保留在储层中，而氢气单独地被生产至地表。由于从储层中除去氢气，因此这促进反应以产生更多的氢气。

对于待被置于生产井中的仅氢气可渗透的膜，例如由钯(Pd)、钒(V)、钽(Ta)或铌(Nb)构成的金属膜在机械上是耐用的，但是在温度方面具有有限的最佳性能范围。这些膜通过溶解-扩散机制起作用，其中氢气在膜材料中溶解并且扩散到释放其的另一侧；该机理产生与压力的平方根成比例的氢气通量(每单位面积的摩尔输移速率)。举例而言，钒和钛在高温下对氢气的渗透性下降，并且还形成防止有效氢气分离的金属氧化物层。由于基于Pd的膜的氢气渗透性随着温度增加而升高，因此其具有优势。然而，当蒸汽和油(例如沥青)在高温下接触时，通过水热裂解创建的硫化氢(H2S)和一氧化碳(CO)使Pd膜有毒。这可以通过使用Pd-铜合金来抵消。为了降低成本，可以构建由Pd-Cu合金和V、Ta以及Nb组成的多层膜。其他合金(如钯-银合金)也可以用于本发明的某些实施例。

陶瓷膜对H2S和CO是惰性的，并且可以在通过原位气化过程获得的温度下使用。用于氢气分离的微孔陶瓷膜具有数个优于金属膜的优势：通量与压力成正比；陶瓷微孔膜的渗透性随温度显著升高；陶瓷膜的原材料的成本远低于金属膜的成本。尽管它们可以是氢选择性的，伴随着相对高的氢气渗透性，但是由于它们是多孔的，因此它们倾向于不生产纯氢气。在一些实施例中，膜可以具有陶瓷层，以不仅提供将氢气与反应产生的气体组分分开的能力，而且强化膜。

在一些实施例中，氢气膜被配置以对氢气是高度选择性的(特别是如果氢气将用于在地表从燃料电池发电)、对氢气是高度可渗透的、能够承受加热至高达700摄氏度、能够承受H2S和CO气体、考虑到将膜置于井中的问题而是机械上耐用的，和/或能够被制造为具有可以适合井的直径和长度(直径在20-30cm之间和长度在700-1000m之间)。在一些实施例中，膜还可以承受部分氧化阶段，其将消耗复合膜的外表面上的碳和其他固体累积。

现在转向图4A至4C，阐明了根据本发明的膜的示例性实施例。图4A阐明了膜布置70，其中布置70被安置在井衬套72内。布置70包括多孔钢支撑层74、覆盖的Pd-Cu合金层76和外部陶瓷层78。在图4B中，不存在支撑层，并且布置80包括内部合金层86和设置在井衬套82内的外部陶瓷层88。图4C阐明了布置90，所述布置90仅包括井衬套92中的合金层96。

D.新循环

如果加热以循环方式完成，例如，从原位燃烧开始，则然后在储层的温度下降使得气化、水煤气变换和水热裂解反应速率下降，使得氢气生产下降至低于阈值之后，然后新的氧气注入循环和随后的原位燃烧将开始，导致储层的重新开始的加热。此后，重复上述步骤A至C。如果通过氧化剂注入或电磁或射频或电阻加热方法完成连续加热，则可以从储层发生连续氢气生产。

实例

图8A至8B阐明了使用用于根据本发明的循环过程的CMG STARS^TM储层模拟软件(用于热反应性储层生产过程模拟的工业标准的软件产品-其解决了多孔介质中的相平衡和达西流动的情况下的能量平衡和物质平衡)进行的第一热反应性储层模拟的结果。在该情况下，单个垂直井被用于储层内的注入和生产两者。在该实例中，操作被循环地完成，其中氧气被注入一段时间，在所述时间之后，其被关停，并且然后其被开启生产一时间段，在该时间段之后，其被关停。注入和生产的该循环被重复，直至整个过程在预定水平上不再是生产性的。该三维储层模拟模型中使用的储层特性具有油砂储层典型特征(孔隙率0.3、水平渗透率2200mD、垂直渗透率1100mD、厚度37m、油饱和率0.7、原始压力2800kPa、原始温度13摄氏度、原始溶解气油比为10m³/m³)。在模型中，使用图7中所阐明的反应方案。图8A示出在以循环方式注入氧气时，经由图7中所描述的反应在储层中生成氢气。图8B显示注入/生产井的垂直平面中的温度分布。结果示出，在将氧气注入储层之后，垂直井周围的储层中的温度达到高达500摄氏度。因为该温度升高，因此储层中发生图7中所描述的反应，伴随着随后的氢气产生。在氧气注入步骤完成之后，将井转换为生产模式，并且从储层仅生产氢气。持续进行循环，直至每个循环生产的氢气的量不再是经济的。

图9A至9D阐明了使用CMG STARS^TM储层模拟软件的第二模拟的结果，对于本发明的示例性实施例，其中下部注入井被置于储层的底部附近的储层中并且上部产生井被置于注入井的上方。在该情况下，生产井在储层内倾斜，如图9A中可以最大限度看到的。在该实例中,注入井的长度等于105m。该三维储层模拟模型中使用的储层特性具有油砂储层典型特征(孔隙率0.3、水平渗透率2200mD、垂直渗透率1100mD、厚度37m、油饱和率0.7、原始压力2800kPa、原始温度13摄氏度、原始溶解气油比为10m³/m³)。在模型中，使用图7中所阐明的反应方案。

图9B阐明了其中将三种不同的流量的氧气注入储层的操作。在情况A、情况B和情况C中，氧气注入速率分别为17.5、1.05和1.75百万标准立方英尺/天。

图9C示出对应于情况A、情况B和情况C的来自储层的所产生的氢气生产体积。在700天的操作之后生产的氢气的累计体积是104、37和44百万标准立方英尺的氢气。

图9D呈现对于情况A的注入井和生产井的水平-垂直平面中的温度分布的示例。结果示出，当氧气被注入到储层内时，在储层内创建反应区。反应区的特征在于具有高于原始储层温度的温度的区。结果说明，温度升高到450摄氏度以上，并且在反应前缘，温度达到高达900摄氏度。在温度超过400摄氏度的情况下，在热区内发生气化反应，产生氢气，所述氢气由上部生产井排他地生产到地表。在注入井周围的热区内，经加热的油排出并且在注入井周围积聚，从而为注入井周围发生的反应提供更多的燃料。

上述实例阐明了在储层内进行原位气化反应的示例性方法，其中在生产井中使用膜以将氢气生产至地表。

由本文教导的方法产生的氢气可以用于地表处的燃料电池以发电，或燃烧以生产蒸汽，所述蒸汽可以用于发电或用于其他原位油开采过程，或作为工业原料出售。

如将从上文清楚的，本领域技术人员将能够容易地确定能够提供所描述的功能的明显的变体，并且全部这样的变体和功能等同物都预期落入本发明的范围内。

除非上下文明确要求，否则贯穿说明书和权利要求：

·“包括(comprise)”、“包括(comprising)”等以包含性的意义被解读，区别于排他性或穷举性的意义；也就是说，在“包含，但不限于”的意义上。

·“连接”、“耦接”或其任何变体，意为两个或更多个元件之间直接或间接的任何连接或耦接；元件之间的耦接或连接可以是物理的、逻辑的或其组合。

·“本文(herein)”、“上文(above)”、“下文(below)”和类似含义的词语，当被用于描述本说明书时，将指本说明书作为整体而不是指本说明书的任何特定部分。

·“或”(关于两个或更多个项目的列表)涵盖下列对该词语的解释中的全部：列表中的项目中的任何一个、列表中的项目中的全部、以及列表中的项目的任何组合。

·单数形式“一(a)”、“一(an)”和“所述(the)”也包含任何适当的复数形式的含义。

在本说明书和任何所附权利要求中使用的表明方向的词语(如“垂直”、“横向”、“水平”、“向上”、“向下”、“向前”、“向后”、“向内”、“向外”、“垂直”、“横向”、“左”、“右”、“前”、“后”、“顶部”、“底部”，“下方”，“上方”、“在...之下”等)(在存在的情况下)取决于所描述和所说明的设备的具体取向。本文所描述的主题可以采取各种可替代的取向。相应地，这些方向性术语不被严格定义，并且不应该被狭义地解释。

为了阐明的目的，本文已经描述了方法和系统的具体实例。这些仅是实例。本文所提供的技术可以应用于除了上文所描述的示例性情境之外的情境。在本发明的实践内，可以进行许多改变、修改、添加、省略和置换。本发明包含对于技术人员显而易见的所描述的实施例的变型，包含通过以下获得的变型：用等同特征、元件和/或行为替换特征、元件和/或行为；混合和匹配来自不同实施例的特征、元素和/或行为；将如本文所描述的实施例的特征、元素和/或行为与其他技术的特征、元素和/或行为结合；和/或省略来自所描述的实施例的组合特征、元素和/或行为。

前述被认为仅是对本发明原理的说明。权利要求的范围不应当被前述所阐述的示例性实施例限制，而应当作为一个整体被给予与说明书一致的最广泛的解释。

权利要求书(按照条约第19条的修改)

1.一种用于从石油储层生产氢气的方法，所述方法包括：

a.提供从地表至所述储层的井；

b.在所述井中安置至少一个氢气可渗透膜；

c.加热所述储层以促进在所述储层内的石油碳氢化合物和水之间发生气化、水煤气变换和水热裂解反应中的至少一种，以产生包括氢气的气体流；以及

d.使所述气体流和所述至少一个氢气可渗透膜接合，使得所述至少一个氢气可渗透膜仅容许所述气体流中的氢气通过至所述地表。

2.如权利要求1所述的方法，其中所述加热所述储层的步骤包括将氧化剂注入所述储层以氧化所述储层内的所述石油碳氢化合物中的至少一些。

3.如权利要求1所述的方法，其中所述加热所述储层的步骤包括用所述储层内放置的电磁天线或射频天线产生电磁波或射频波。

4.如权利要求1所述的方法，其中所述加热所述储层的步骤包括将热材料注入所述储层。

5.如权利要求1所述的方法，其中所述加热所述储层的步骤包括通过使用安置于所述储层内的基于电阻的(欧姆)加热系统产生热。

6.如权利要求1所述的方法，其中所述至少一个氢气可渗透膜包括以下中的至少一种：钯(Pd)、钒(V)、钽(Ta)或铌(Nb)。

7.如权利要求1至6中任一项所述的方法，其中所述至少一个氢气可渗透膜包括钯-铜合金。

8.如权利要求1至7中任一项所述的方法，其中所述至少一个氢气可渗透膜包括陶瓷层。

9.如权利要求7所述的方法，其中所述至少一个氢气可渗透膜包括在所述钯-铜合金的内侧或外侧上的陶瓷层。

10.如权利要求1至5中任一项所述的方法，其中所述至少一个氢气可渗透膜包括陶瓷层和选自由钯、钒、钽、铌、铜、这些材料的合金及其组合组成的组的非陶瓷层。

11.如权利要求10所述的方法，其中所述非陶瓷层包括钯-铜。

12.如权利要求1至5中任一项所述的方法，其中所述至少一个氢气可渗透膜被定位在所述储层内的所述井中。

13.如权利要求1至5中任一项所述的方法，其中所述至少一个氢气可渗透膜被定位在靠近所述储层的所述井中。

14.如权利要求1至5中任一项所述的方法，其中多孔材料被安置在所述井中，以在所述井内支撑所述至少一个氢气可渗透膜。

15.如权利要求14所述的方法，其中所述多孔材料是多孔钢。

16.如权利要求1至5中任一项所述的方法，所述方法包括在所述加热所述储层的步骤之后延迟使所述气体流和所述至少一个氢气可渗透膜接合以允许进一步产生氢气的另外的步骤。

17.如权利要求16所述的方法，其中所述延迟步骤包括延迟1周至12个月的范围内的时间段。

18.如权利要求17所述的方法，其中所述延迟是在1周至4周的范围内的时间段。

19.如权利要求3所述的方法，其中介电加热用于所述加热所述储层的步骤，其中电磁辐射具有在约60Hz至1000GHz的范围内的频率。

20.如权利要求19所述的方法，其中所述电磁辐射具有在10MHz至10GHz的范围内的频率。

21.如权利要求5所述的方法，其中所述基于电阻的(欧姆)加热系统用于将所述储层加热到在200摄氏度至800摄氏度的范围内的温度。

22.如权利要求21所述的方法，其中所述温度在400摄氏度至700摄氏度的范围内。

23.一种用于从地表下石油储层回收氢气的系统，所述系统包括：

用于加热所述储层以产生包括氢气的气体流的设备；

被安置在所述储层中的井；以及

所述井中的氢气可渗透膜，所述氢气可渗透膜适于容许所述气体流中的氢气从其通过，但不允许所述气体流中的其他气体从其通过，以允许将所述氢气通过所述井生产至地表。

24.如权利要求23所述的系统，其中所述用于加热所述储层的设备包括氧化剂注入器、电磁体、射频天线和热材料注入器中的至少一种。

25.如权利要求23所述的系统，其中所生产的氢气在燃料电化学电池装置中被消耗或燃烧以产生用于发电的蒸汽或用于油开采的蒸汽。

26.如权利要求23所述的系统，其中由所述方法产生的碳氧化物保留在储层中并在那里隔离，产生零碳能量生产过程。

Claims (25)

1.一种用于从碳氢化合物储层生产氢气的方法，所述方法包括：

a.提供从地表至所述储层的井；

b.在所述井中安置至少一个氢气可渗透膜；

c.加热所述储层以促进在所述储层内的碳氢化合物和水之间发生气化、水煤气变换和水热裂解反应中的至少一种，以产生包括氢气的气体流；以及

d.使所述气体流和所述至少一个氢气可渗透膜接合，使得所述至少一个氢气可渗透膜仅容许所述气体流中的氢气通过至所述地表。

2.如权利要求1所述的方法，其中所述加热所述储层的步骤包括将氧化剂注入所述储层以氧化所述储层内的所述碳氢化合物中的至少一些。

3.如权利要求1所述的方法，其中所述加热所述储层的步骤包括用所述储层内放置的电磁天线或射频天线产生电磁波或射频波。

4.如权利要求1所述的方法，其中所述加热所述储层的步骤包括将热材料注入所述储层。

5.如权利要求1所述的方法，其中所述加热所述储层的步骤包括通过使用安置于所述储层内的基于电阻的(欧姆)加热系统产生热。

6.如权利要求1所述的方法，其中所述至少一个氢气可渗透膜包括以下中的至少一种：钯(Pd)、钒(V)、钽(Ta)或铌(Nb)。

7.如权利要求1至6中任一项所述的方法，其中所述至少一个氢气可渗透膜包括钯-铜合金。

8.如权利要求1至7中任一项所述的方法，其中所述至少一个氢气可渗透膜包括陶瓷层。

9.如权利要求7所述的方法，其中所述至少一个氢气可渗透膜包括在所述钯-铜合金的内侧或外侧上的陶瓷层。

10.如权利要求1至5中任一项所述的方法，其中所述至少一个氢气可渗透膜包括陶瓷层和选自由钯、钒、钽、铌、铜、这些材料的合金及其组合组成的组的非陶瓷层。

11.如权利要求10所述的方法，其中所述非陶瓷层包括钯-铜合金。

12.如权利要求1至5中任一项所述的方法，其中所述至少一个氢气可渗透膜被定位在所述储层内的所述井中。

13.如权利要求1至5中任一项所述的方法，其中所述至少一个氢气可渗透膜被定位在靠近所述储层的所述井中。

14.如权利要求1至5中任一项所述的方法，其中多孔材料被安置在所述井中，以在所述井内支撑所述至少一个氢气可渗透膜。

15.如权利要求14所述的方法，其中所述多孔材料是多孔钢。

16.如权利要求1至5中任一项所述的方法，所述方法包括在所述加热所述储层的步骤之后延迟使所述气体流和所述至少一个氢气可渗透膜接合以允许进一步产生氢气的另外的步骤。

17.如权利要求16所述的方法，其中所述延迟步骤包括延迟1周至12个月的范围内的时间段。

18.如权利要求17所述的方法，其中所述延迟是在1周至4周的范围内的时间段。

19.如权利要求3所述的方法，其中介电加热用于所述加热所述储层的步骤，其中电磁辐射具有在约60Hz至1000GHz的范围内的频率。

20.如权利要求19所述的方法，其中所述电磁辐射具有在10MHz至10GHz的范围内的频率。

21.如权利要求5所述的方法，其中所述基于电阻的(欧姆)加热系统用于将所述储层加热到在200摄氏度至800摄氏度的范围内的温度。

22.如权利要求21所述的方法，其中所述温度在400摄氏度至700摄氏度的范围内。

23.一种用于从地表下储层回收氢气的系统，所述系统包括：

用于加热所述储层以产生包括氢气的气体流的设备；

被安置在所述储层中的井；以及

所述井中的氢气可渗透膜，所述氢气可渗透膜适于容许所述气体流中的氢气从其通过，但不允许所述气体流中的其他气体从其通过，以允许将所述氢气通过所述井生产至地表。

24.如权利要求23所述的系统，其中所述用于加热所述储层的设备包括氧化剂注入器、电磁体、射频天线和热材料注入器中的至少一种。

25.如权利要求23所述的系统，其中所生产的氢气在燃料电化学电池装置中被消耗或燃烧以产生用于发电的蒸汽或用于油开采的蒸汽。