CN110914513A - 从地下地热储层生产氢气的方法 - Google Patents

Abstract

披露了一种地热储层，其引起气化和水煤气变换反应以产生氢气。通过在生产井中使用仅氢气或仅质子可渗透的膜，将氢气或质子开采至地表。将来自储层的能量以质子或氢气形式开采到地表。

Description

从地下地热储层生产氢气的方法

技术领域

本技术领域涉及从地下地热系统生产氢气。

背景技术

地热能在像地球这样的行星中是无处不在的，并且正在使用许多技术，所述技术通过将热水或热气体或两者以及副产物开采到地表来收获热能。

在一些区域，氢气和碳氧化物被大量生产，作为地热生产的副产物，这将具有潜在地商业价值。这些气体是火山气体的成分。氢气和碳氧化物与蒸汽的混合物可以认为是能够用作燃料或用作化学物质制造的原料的天然合成气。

在许多地下地热系统中，水煤气变换反应在通过现有的钻井和完井技术可达到的温度和压力下发生。

在碳氧化物、蒸汽、铜、镍、铁或其他催化材料的存在下，水煤气变换反应可以在较低温度下发生。产生自这些系统的氢气可以来自深层岩石来源(如天然氢化物)，也可以来自通过水煤气变换反应的水。从地下地热系统生产氢气将易于推动水煤气变换反应，使得从系统生产更多的氢气。

在许多地下地热系统中，熔融盐气化可以在通过现有的钻井和完井技术可达到的温度和压力下进行。

在封闭系统内的水煤气变换反应、熔融盐气化以及其他水裂解过程在地热系统中含有的流体内产生了增加的氢气浓度和潜在地其他分(如碳氧化物和氧气)。

自由氧可以通过储层内的化学氧化反应而变成结合氧，并且作为氧化物被隔离或开采。

表面处理(如蒸汽-甲烷重整)使用氢气选择性膜(如钯合金或聚合物膜)从热流体的混合物中分离非常纯的氢气流。

石墨烷、铂和基于磺化四氟乙烯的氟聚合物-共聚物(例如，全氟磺酸)是已知的氢气燃料电池质子载体的实例，另外被称为质子选择性膜。

发明内容

氢气通常存在于深层地下地热系统中。存在于地热储层中的氢气，或通过水煤气变换、熔融盐气化或其他过程从地热储层内的水中释放出来的氢气，可以使用氢气过滤器如钯合金膜选择性地捕捉并开采到地表。

世界范围内对于氢气的需求很大且日益增长，氢气可以用作化学原料、或在地表处燃烧以产生电能或热量或水、或在燃料电池装置中被消耗以用于发电。

在大多数能源应用中，氢气可以作为石油和天然气的替代品，纯水作为氢气燃烧的副产物。因此，氢气的使用是完全不含碳和二氧化碳的，并且被认为是完全清洁的燃料。

在广泛的方面，本文描述的方法和系统考虑了行星内部足够热的地下层，在该地下层中水作为重要的氢源预先存在或可以被引入。

储层内释放出来的氧气可以单独开采以在地表使用，或用来从天然存在的或注入的氢化物中产生氧化物以产生能量和/或氧化物产物，这些产物可以被隔离或开采。经由水煤气变换反应，氧气经常以碳氧化物的形式与碳结合。在地下地热系统中，氧气也可以以硅或铁氧化物的形式结合。

如果选择的膜是质子选择性的而不是氢气选择性的，那么整个系统可以被认为是能够用来在地表产生电力(电能)和水的大型的天然燃料电池。在地球内部产生的过量的负电荷可以通过绝缘电线收集以获得附加的电能，或通过自然产生的导电流体和/或超临界流体来分散。

注入井和生产井可以采取任何可能的构型，包括但不限于水平的、垂直的、斜的、多边的、J形的、螺旋形的或蠕虫状的构型。一个井可以用于所有的功能，或储层中的一个或多个井可以用于专门的功能。例如，一个井可以用作注入器，然而另一个井可以用作氢气或电能产生器。

碳、碳氧化物、碳氢化物、铜，或其他催化剂可以是天然存在的或注入到储层中。在这些储层中可以发生碳氧化物的隔离。氢化物和其他化学物质可以在这些地热系统内利用来源于这个过程的氢气被裂解和/或氢化。可以注入氧气清除化学物质，并且所得氧化物可以被开采到地表或在储层中被隔离。

附图说明

本申请的实施例的特征和优点将从以下详细描述和附图中变得清楚，其中：

图1A是本发明的第一实施例的简单示意图；

图1B是本发明的第二实施例的简单示意图；

图1C是本发明的示例性实施例的简单示意图；

图2是本发明的另一个示例性实施例的简单示意图；以及

图3是本发明的进一步示例性实施例的简单示意图；

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披露不清楚。下列对技术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含义。

现有的地热能过程将天然存在的火山气体和流体和固体开采到地表，以及还有一部分注入的物质如水。地球通过与地球内部热传递或火山热或放热化学反应或产热放射性衰变使这些流体在地面升温。

贯穿本说明书，许多术语和表述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述的定义。

如本文使用的，“储层”是指地下地层，其包括含有流体的多孔基质。流体可以由水、蒸汽(水蒸气)、气体(例如氧气、氢气、碳氧化物、甲烷、氮气等)组成。

术语“原位”是指地下储层的环境。

为了说明的目的，提供了详细信息，并且可以在没有本文讨论的某些特征或全部特征的情况下实践这些方法。为了清楚起见，未详细讨论与本发明方法有关的领域中已知的技术材料。

图1A、图1B和图1C是例示了本文描述的用于从足够热的储层生产氢气的方法和系统的实现方式的图。在这些方法中，氢气从地层水中被释放出来，并通过用于采出的氢气选择性膜被开采到地表。

浮力氢气柱确保从膜的一侧到另一侧的连续浓度梯度。图1C所示的设计可以扩展到循环井，其中将热传递流体在地表处注入井中，并使用同一个井将流体开采到地表。

图2是例示了质子被质子选择性膜清除并以石墨烷或铂或全氟磺酸复合材料传递到地表的一种实现方法的图。

图3示出了分离氢气的复合膜的实例，从井筒内的截面观察。其他气体组分(CO、CO2、H2S)可被膜排斥。

A.发现或制造热储层

储层可能具有足以使在储层内发生气化和水煤气变换反应的环境自然温度。可替代地，可以通过其他手段加热储层，所述手段包括但不限于经由注入的放热反应、电磁辐射、声子或声刺激、蒸汽注入、核反应、电阻、或岩浆迁移。

B.气化和水煤气变换

当储层处于足够的温度下时，气化和水煤气变换反应发生，并因此产生氢气。在储层内收集气体组分。

C.氢气的生产

氢气通过生产井内的仅氢气可渗透的膜从储层中生产。以这种方式，硫化氢、一氧化碳、二氧化碳、蒸汽以及其他气体组分保留在储层中。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。

质子可以通过生产井内的仅质子可渗透的膜从储层中生产。以这种方式，所有其他物质可以保留在储层中，而质子利用质子传递介质如但不限于石墨烷复合材料传递到地表。

对于待被置于生产井中的仅氢气迁移膜，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，其中氢气溶解在膜材料中并扩散到释放其的另一侧；该机制产生与压力的平方根成比例的氢气通量(每单位面积的摩尔迁移速率)。举例而言，在高温下钒和钛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，使它们对于缺氧低温设置是理想的。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，经常存在于地球上的硫化氢(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。

陶瓷膜、不锈钢膜、铬镍铁合金膜对H2S和CO是惰性的，并且可以在非常高的温度下使用。

在一些实施例中，氢气膜被配置成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或超过800摄氏度、能够承受H2S和CO气体、考虑到将膜置于井中的问题是机械上耐用的，和/或能够以能够适合适当配置的井(如长水平井)的几何形状被制造。在一些实施例中，膜还能够承受部分氧化阶段，其将消耗复合膜的外表面上的碳和其他固体积聚物。

在一些实施例中，通过本文描述的系统和方法生产的氢气可以用于燃料电池中以发电、燃烧以产生能够用于发电的蒸汽、或用作化学原料。

虽然本说明书已经描述了本文所讨论的方法和处理的具体实施例和实例，但对本领域技术人员来说显而易见的是，可以在不偏离所附权利要求的范围的情况下对实施例进行修改。

除非上下文另外明确要求，否则贯穿说明书和权利要求：

·“包含(comprise)”、“包含(comprising)”等以包含性的意义来解释，不同于排他性或穷举性的意义；即，以“包括但不限于”的意义。

·“连接”、“耦接”或其任何变型，意指两个或更多个元素之间的直接或间接的任何连接或耦接；元素之间的耦接或连接可以是物理的、逻辑的、或其组合。

·“本文”、“上文”、“下文”以及类似含义的词语，当被用于描述本说明书时，将是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“一个/种(a/an)”和“所述(the)”也包括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。

除非另有说明，否则在本文中提及部件(例如电路、模块、组件、装置等)时，对于所述部件的提及(包括对“手段”的提及)应被解释为包括执行所述部件的功能的任何部件作为所述部件的等价物(即在功能上是等价的)，包括与本发明的说明的示例性实施例中执行所述功能的所披露结构在结构上不等价的部件。

为了说明的目的，本文已经描述了方法和装置的具体实例。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。本发明包括对于技术人员显而易见的所描述的实施例的变型，包括通过以下获得的变型：用等价特征、元素和/或行为替换特征、元素和/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。

Claims (32)

1.一种用于处理储层以回收氢气的方法，所述方法包括：

钻入足够热的储层中以促进在所述储层内的水发生气化或水煤气变换反应中的至少一种；以及

提供在所述储层内的井以及至少一个氢气或质子可渗透膜，从所述储层经由所述井以及至少一个氢气或质子可渗透膜产生采出气或质子流，所述至少一个氢气或质子可渗透膜被适配成允许来自所述储层的氢气或质子进入采出流中并从所述采出流中过滤除氢气或质子以外的气体产物。

2.如权利要求1所述的方法，其中，可通过氧化反应在所述储层内清除氧气。

3.如权利要求1-2所述的方法，其中，至少在井筒附近的所述储层能够自然地处于足够的温度或经由放热反应、热核过程或衰变、声子或声刺激、热材料注入、电磁辐射或电阻而达到足够的温度。

4.如权利要求1-3所述的方法，其中，至少一个氢气或质子可渗透膜包含以下中的至少一种：基于钯(Pd)、钒(V)、钽(Ta)、铌(Nb)、铂(Pt)、或石墨烯或基于磺化四氟乙烯的氟聚合物-共聚物的材料。

5.如权利要求1或4所述的方法，其中，至少一个氢气可渗透膜包含钯合金和铜合金或基于磺化四氟乙烯的氟聚合物-共聚物、或所有这些的组合。

6.如权利要求1-5所述的方法，其中，至少一个氢气可渗透膜包含陶瓷层和/或可渗透或不可渗透的结构金属或金属合金层和/或聚合物膜。

7.如权利要求1-6中任一项所述的方法，其中，所述至少一个氢气可渗透膜的至少一部分被定位在所述井的在所述储层内或靠近所述储层的至少一部分中。

8.如权利要求1-7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生产井的下游。

9.如权利要求1-8中任一项所述的方法，其中，多孔材料被定位在位于所述井内或所述井下游的所述至少一个氢气可渗透膜的内部、后方或前方。

10.如权利要求1-9中任一项所述的方法，其中，大部分的采出气流由氢气组成。

11.一种用于从地热储层进行氢气回收的系统，所述系统包括：用于在需要时进一步加热所述储层的设备；被定位成从所述储层中采出流体的井；以及氢气或质子可渗透膜，所述膜被适配成允许来自所述储层的氢气进入采出流中并从所述采出流中过滤除氢气以外的产物。

12.如权利要求11所述的系统，其中，所述用于在需要时开始加热所述储层的设备包括以下中的至少一种：用于放热反应的化学物质注入、电磁体、射频天线或热材料注入器。

13.如权利要求11或12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被用来氢化化学物质或被燃烧以产生用于发电的蒸汽或产生用于热传递应用的蒸汽。

14.一种用于从包含由氢气或质子组成的物质的地下储层中回收所述物质的方法，所述方法包括以下步骤：

提供在所述储层内的生产井；

提供在所述生产井中的至少一个可渗透膜，所述至少一个可渗透膜被构造成允许所述物质穿过其，同时防止其他储层内容物穿过；

允许所述物质进入所述生产井；

允许所述物质穿过所述至少一个可渗透膜；以及

将所述物质开采到地表。

15.如权利要求14所述的方法，其中，所述将所述物质开采到地表的步骤是在所述允许所述物质穿过所述至少一个可渗透膜的步骤之后。

16.如权利要求14所述的方法，其中，所述允许所述物质进入所述生产井的步骤是在所述允许所述物质穿过所述至少一个可渗透膜的步骤之后。

17.如权利要求14所述的方法，其中，所述物质是氢气。

18.如权利要求17所述的方法，其中，所述至少一个可渗透膜是氢气可渗透膜。

19.如权利要求14所述的方法，其中，所述物质是质子。

20.如权利要求19所述的方法，其中，所述至少一个可渗透膜是质子可渗透膜。

21.如权利要求14所述的方法，其中，所述生产井包括生产井筒。

22.如权利要求21所述的方法，其中，所述允许所述物质进入所述生产井的步骤包括允许所述物质进入所述生产井筒。

23.如权利要求22所述的方法，其中，所述生产井筒装入有所述至少一个可渗透膜。

24.如权利要求14所述的方法，其中，所述至少一个可渗透膜包括选自由以下组成的组中的材料：钯、钒、钽、铌、铂、石墨烯、基于磺化四氟乙烯的氟聚合物-共聚物，及其任何组合。

25.如权利要求14所述的方法，其中，所述至少一个可渗透膜包括选自由以下组成的组中的材料：钯合金、铜合金、基于磺化四氟乙烯的氟聚合物-共聚物，及其任何组合。

26.如权利要求14所述的方法，其中，所述至少一个可渗透膜包括选自由以下组成的组中的组分：陶瓷层、可渗透结构金属、不可渗透结构金属、金属合金层、聚合物膜，及其任何组合。

27.如权利要求14所述的方法，其中，所述至少一个可渗透膜的一部分被定位在所述井的在所述储层内或靠近所述储层的至少一部分中。

28.如权利要求14所述的方法，其中，所述至少一个可渗透膜被定位在所述井的井口部分处。

29.如权利要求14所述的方法，进一步包括提供被定位在位于所述井内任何地方或所述井的井口部分处的所述至少一个可渗透膜的内部、后方或前方的多孔材料的步骤。

30.如权利要求14所述的方法，进一步包括将所述储层加热到使在所述储层内形成所述物质的温度的步骤。

31.如权利要求30所述的方法，其中，所述加热所述储层的步骤包括选自由以下组成的组中的步骤：注入引起放热反应的化学物质、采用电磁铁、采用射频天线、采用热材料注入器，及其任何组合。

32.如权利要求17所述的方法，其中，所生产的氢气在燃料电化学电池装置中被消耗、用于氢化反应、被燃烧以产生用于发电的蒸汽或被燃烧以产生用于热传递应用的蒸汽。

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