CN112088242A - 从地下碳氢化合物储层生产合成气的原位工艺 - Google Patents

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Abstract

披露了用热处理石油储层以诱导气化、水煤气变换和/或水热裂解反应以产生包含氢气的合成气。使用一个或多个生产井将该合成气生产至地表。

Description

从地下碳氢化合物储层生产合成气的原位工艺
技术领域
本技术领域涉及石油储层的处理以生产合成气。
背景技术
石油储层在全球是丰富的，并且许多技术用于从这些储层中生产油或气体，这些技术包括使用初级工艺以及强化石油开采工艺(如水驱、蒸汽驱和化学驱)从常规油和气体储层中生产额外的油。
常规原油是通过将其精炼为用于石油化学工业的运输燃料和原料而加工的。
对于重油和超重油(例如沥青)，油在原始储层条件下是粘稠的并且油无法使用常规方法来生产，并且因此重油和沥青被热处理以降低粘度，以便它们更容易地在储层中流动，并且可以被生产至地表。热处理还允许氧气和其他流体在储层内更容易地移动。
在提取重油或沥青之后，其通常被改良成合成原油，该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。
油或气体的生产意味着最终产生二氧化碳，因为油或气体或它们的产物通常被燃烧以获取它们的能量并产生二氧化碳。
存在对从具有相对低的碳强度的油和气体储层中生产燃料的持续需求。
发明内容
根据本发明的第一广泛方面，提供了一种用于处理储层以从其中开采合成气的方法，该储层含有石油和水，该方法包含以下步骤：
a.将该储层加热至足以引起气化、水煤气变换和水热裂解反应中的至少一种在该储层内发生的温度，这些反应中的至少一种涉及该石油和该水中的至少一种；
b.允许该气化、水煤气变换和水热裂解反应中的至少一种从该石油和该水生产合成气，该合成气包含氢气；
c.在该储层中提供至少一个井；以及
d.通过该至少一个井将该合成气的至少一部分生产至地表。
在第一方面的一些示例性实施例中，加热储层的步骤包含将氧化剂注入储层中以氧化储层内的石油的至少一部分。
在第一方面的一些示例性实施例中，加热储层的步骤包含以下中的一个或多个：
将氧化剂注入储层中以氧化储层内的石油的至少一部分；
用置于储层内的电磁或射频天线产生电磁波或射频波；
将热材料注入储层中；以及
通过使用置于储层内的基于电阻(欧姆)的加热系统来产生热。
在加热步骤之后，第一方面的一些示例性实施例可以包含延迟生产所生产的气流以允许合成气的进一步产生的步骤。延迟的时间段可以取决于操作温度，但是优选在从1周至12个月的时间范围内。更优选的时间段将是从1周至4周。
在第一方面的一些示例性实施例中，该方法进一步包含在加热之后，生产所生产的气流以允许合成气的进一步产生的步骤。当合成气生产是连续的时，将热注入储层(经由氧化剂或射频或电阻加热)中可以是连续的。
在第一方面的一些示例性实施例中，使用电介质加热来加热储层。在这些实施例中，电磁辐射可以具有在约60Hz-1000 GHz范围内的频率。优选的频率范围是在10MHz至10GHz的范围内。
在其中使用基于电阻的加热(也称为欧姆加热)来加热储层的实施例中，温度可以升高至200℃与800℃之间。优选的温度范围是在400℃与700℃之间。
根据本发明的第二广泛方面，提供了一种用于处理储层以从其中开采合成气的系统，该合成气包含氢气，该储层含有石油和水，该系统包含：
用于加热该储层并且通过气化、水煤气变换和水热裂解反应中的至少一种从该石油和该水产生该合成气的设备；以及
定位在该储层中以将该合成气生产至地表的井。
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含以下中的至少一种：氧化剂注入器、电磁铁、射频天线、或热材料注入器。
在第一和第二方面的一些示例性实施例中，所生产的合成气消耗在燃料电化学电池装置中或燃烧以产生用于发电的蒸汽或用于油开采的蒸汽或用作用于生产化学品(如燃料、塑料、甲醇、氢气、硫和尿素)的化学原料。
在第一和第二方面的一些示例性实施例中，油或其他流体是通过一个或多个相同的井或额外的井(可以是竖直的、水平的、斜的或其他几何形状)从储层间歇地或连续地生产。
在一些实施例中，降低二氧化碳强度可以涉及使用原位气化以生产合成气，该合成气包含蒸汽、一氧化碳、二氧化碳和氢气以及甲烷和其他碳氢化合物，这些碳氢化合物来源于溶解在油或游离气相中的溶解气。如果注入氮气，则其通常也是合成气的组分。如果存在硫，则硫化合物(如H2S)可以是合成气的一部分。该工艺然后将合成气产物生产至地表。
所生产的合成气是用于石油化学产品的替代性能源载体或原料气体，其可以从石油储层生产至地表。所生产的合成气可以在地表上燃烧以发电或发热或消耗在用于发电的燃料电池装置中或用作用于甲醇、液体燃料、塑料、氨、氢气、石墨烯、和尿素生产的原料。
油或气体或二者，并且特别是常规原油、重油和沥青或天然气到合成气的原位转化目前被认为是希望的下一代技术。然而，目前还没有还没有商业上可行的工艺被使用。
在广义方面，本文所描述的方法和系统把石油资源看作合成气的大量来源；不仅是石油还有地层水，其可以为所产生的合成气提供氢气，并在储层内提供额外的氧化剂。
一般来讲，本说明书描述了处理油储层(例如像常规油、重油、油砂储层、碳酸盐油储层、天然气、硫化氢)以开采合成气的方法。一些示例性的方法包括将氧气或富氧气的流注入储层中以燃烧储层中的可氧化流体的一部分。在该方法的此部分期间，没有流体生产至地表。在储层达到目标温度之后，可以停止注入并允许储层浸泡，在此期间，储层中剩余的氧气被消耗并且可以发生气化反应和水煤气变换反应。在这些反应期间，氢气和碳氧化物在储层内产生。当打开用于生产时，生产井将氢气、碳氧化物、水(合成气)、碳氢化合物气体和氢硫化物的混合物生产至地表。在合成气生产速率下降到阈值之后，那么可以再次开始氧气注入并且该过程可以重复多次，直至总合成气生产速率下降到阈值。因此，该工艺从位于储层内的碳氢化合物和水产生合成气。水或蒸汽或可燃的燃料或废产物(如有机材料或污水或其他流体或颗粒)可以与氧气一起注入储层，或与氧气分开注入储层。
在一些示例性实施例中，用于从油进行合成气生产的成分可以包括热、油和水。通过将氧气注入储层中氧化储层是在储层内产生热的一种手段。在高温下在储层中发生的反应可以包括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加水热解(hydrous pyrolysis)或热裂化反应)、气化反应和水煤气变换反应。
本发明的方法也可以用于油或气体储层中，其中储层的水含量被认为是高的，使得在通常的实践中，这些储层将不会分别生产油或气体。由于氢气不仅来源于石油而且来源于储层内的水，因此本文教导的方法可以用于高水含量的石油储层中。因此，本文教导的方法可以用于储层中，其中高水含量使得它们比富油饱和的储层更不具价值。因此，该方法将先前更不具价值的石油储层转化为有价值的能源和化学原料来源，因为氢气来源于石油以及储层中的水二者。
其中合成气包括硫化合物(如H2S)，氢气可以从H2S分离以产生有价值的氢气来源。
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，本发明不应被解释为限于这些实施例。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
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至图1C是本发明的第一示例性实施例的阶段的图解示意图，其中通过氧化储层内的石油的一部分加热石油储层。
图2是本发明的第二示例性实施例的图解示意图，其中通过使用置于储层内的电磁/射频天线加热石油储层。
图3是包含多个生产井的本发明的第三示例性实施例的图解示意图。
图4是本发明的第四示例性实施例的图解示意图，其中将氧化剂连续注入油或气体储层中以生产氢气。
图5是本发明的第五示例性实施例的图解示意图，其中这些井之一在井内具有用于加热储层以生产合成气的电阻加热连接柱。
图6是展示可以在本文所描述的方法中发生的反应中的一些的图，这些反应在储层内发生以生产合成气。
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众所周知的要素以避免不必要地使本披露不清楚。下列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并理解为说明性的而非限制性的含义。
本发明涉及油或气体储层的处理，用于从储层内的石油和水生产合成气。处理包括加热储层以使气化和水煤气变换反应能够在储层内生产合成气，并且然后使用生产井从储层生产氢气。
典型地认为油和气体储层中的高水含量对于油或气体生产是不利的。本文所描述的方法示出高水含量对于合成气的生产是有益的，因为水提供氢气。许多生产合成气的反应从储层中的水获得(source)氢气-在反应温度下，地层水被转化为蒸汽，该蒸汽然后参与与储层中的碳氢化合物的蒸汽重整反应。
典型地认为油和气体储层中的高H2S含量对于油和气体生产是不利的。本文所描述的方法示出氢气可以从H2S分离并提供无碳能源和/或石油化学原料的益处。
来自油和气体储层的现有的原位能源生产工艺将油或气体或二者生产至地表。
在一些实施例中，本发明的方法针对以下因素采取不同的方法：加热储层的时间、原位气化和水煤气变换反应的时间、以及从储层生产合成气。本文的所有方法具有若干共同的步骤。
首先，加热储层-一个示例性方法将是在储层中发生一段时间的原位燃烧时注入氧气；另一个示例性方法将是使用电磁或射频辐射；另一个示例性方法将是将高压、高温蒸汽或另一种高温材料注入储层中；另一个示例性方法将是使用电阻加热。
如果将氧化剂注入储层中，则在氧气注入停止之后，允许气化和水煤气变换反应继续。
合成气生产是通过生产井成为可能的。因此，该工艺从储层生产呈合成气形式的能源和化学原料；可以分别用于发热和发电或有价值的化学品的相对干净的燃料和有用且有价值的化学原料。
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额外的术语和表述的定义。
“油”是包含碳氢化合物组分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”典型地被分类为具有在920与1000kg/m3之间的密度。“沥青”典型地具有大于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，其在其范围内包括“重油”。通过悬浮、吸附、乳化、分子键合或其他手段夹带在油中的非碳氢化合物元素(其可以通过油共生产或流通或与油共生产或流通)包括在此定义内。
如本文所使用的，“石油储层”是指地下地层，该地下地层主要由含有石油产品(即油和气体)的多孔基质构成。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构成的石油储层。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构成的石油储层。储层岩石中的“水相”是存在于多孔储层岩石中的间隙水。
“天然储层温度”是冷或未加热的储层的环境温度。“储层温度”可以是指天然储层温度或经加热储层的温度。
“裂化”是指将较大的碳氢化合物链分裂成较小链的化合物。“氢化”是指氢到碳氢化合物的加成或是指其中氢被消耗的取代反应。
术语“原位”可以是指地下油砂储层的环境。“原位”意指“在原位”或“在其原始位置”。
图1A至图1C展示了用于处理油储层的本发明的示例性实施例，其中储层内的油和水被转化为合成气。
在图1A至图1C中展示的实施例中，该技术是使用反向的蒸汽辅助重力泄油井配置。图1A至图1C中的示例性实施例包括每循环三个阶段。在阶段1(图1A)中，将氧气注入储层中，其中沥青的一部分被燃烧以产生气化、水煤气变换和/或水热裂解反应所需的温度(例如>700℃)。在阶段2(图1B)中，停止氧气注入并且储层中剩余的氧气被消耗。由于近井区域中的储层是热的，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积聚在储层中。此后，开始阶段3(图1C)，当生产井打开时，其然后将合成气生产至地表。在合成气生产已经下降至非经济性速率之后，可以在阶段1重新开始该过程。方法不限于水平井，但也可以用竖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。氧化剂的注入甚至可以在合成气的生产期间持续进行，如图4所示。
方法的另一个实施例在图2中示出。在此实施方式中，提供至储层的热是通过使用电磁/射频天线完成的。热的储层经历气化、水煤气变换和水热裂解反应，其在储层内产生氢气、碳氧化物和其他气体。通过生产井将所产生的合成气生产至地表。方法不限于水平井，但也可以用竖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。
另一个实施例在以井间方向示出的图3中展示，其展示了定位在多个氢气生产井之间的电磁/射频加热器。方法不限于水平井，但也可以用竖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。
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，该工艺通过使流通的油朝向注入井上方和周围的反应区运动来维持本身。这有助于气化反应并维持井对附近的高温(例如700+℃)区。
在另一个实施方式中，可以使用单井，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合成气生产。井可以是竖直的、斜的或水平的。
在另外的实施方式中，可以通过电磁波或射频波完成储层的加热。
在另外的实施方式中，可以通过使用高压、高温蒸汽完成储层的加热。
A.加热储层
在第一步骤的示例性方法中，将储层加热至这样的温度，在该温度下气化和/或水煤气变换反应可以发生在储层内的油与水之间。
可以通过本领域公知的各种方法将热输送到储层。商业上可用的方法包括氧气注入，并且在一些示例性方法中，燃烧步骤是将氧气注入储层一段时间，在此期间石油的一部分被燃烧以在储层内产生热，以达到约400℃-700℃的温度。其他本领域中已知的加热模式包括基于电磁或射频的加热。其他加热模式包括将热材料注入储层。
在将热注入储层之后，那么如果通过燃烧完成，则可以停止氧气注入，并且使储层浸泡在由燃烧步骤达到的高温下。如果通过电磁加热被加热，则此加热可以持续进行以保持储层在希望的温度下是热的。
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)。因为反应发生在储层中，气体组分收集在储层空间内。
图6展示了可以在储层中发生的反应中的一些。在图6中，用于氧化和气化的燃料是通过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，将沥青质转化为各种气体产物(包括甲烷、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包括但不限于甲烷、水(蒸气)、一氧化碳、二氧化碳和氢气的产物。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、硫化氢和氢气的混合物。
C.合成气的生产
在合成气的产生已经经过足够的时间之后，然后通过生产井从储层生产气体。由于从储层中除去合成气，因此这促进反应以产生更多的合成气。在一些实施例期间，积聚在下部氧气注入井附近的油可以通过相同的氧气注入井或单独的井生产并且商业销售，同时通过上部注入井生产合成气。此油可以连续生产或随着合成气生产同时生产，或氧气端口可以从连续或间歇生产油的同一井内注入氧气。根据特性(如合成气室演变、油流动性、储层压力或其他因素)改变生产方法可能是有利的。如果在同一井筒内完成则可能有额外的益处，如储层或管道内的油的井下部分氧化和部分改质/氢化，燃烧气体膨胀升力效应(在上升的油柱内，一些合成气的受控产生将流体像喷泉一样驱至地表并且同时产生高容量真空/虹吸)，通过相关的压力和流通效应将砂从储层内的井隔离或排出或隔离或排到地表，以及油/乳液在升到地表时的加热。氢气中的一些可能来自与油共生产的水。这可以通过在自燃浓度/温度条件下向不断上升的流体添加少量的下行的氧气完成。
本领域技术人员将知道的是各种合成气组分可以通过各种众所周知的方法分离，这些方法包括低温蒸馏、变压吸收/吸附、变温吸收/吸附、膜、分子筛、离心机、磁场、重力/浮力分层/蒸馏、化学反应、热分解、共振场(resonant fields)、辐射、电场、声学破坏、声学隔离和其他方法。
D.新循环
如果加热以循环方式完成，例如，使用如在图1A至图1C中所出的氧气注入从原位燃烧开始，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，使得合成气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，导致储层的加热。此后，重复步骤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合成气生产。
图5展示了用于处理油储层的本发明的方法的实施方式，其中储层内的油和水被转化为合成气。
一些示例性方法通过将氧气连续注入储层中(如图4所示)引起发生原位燃烧反应来将储层加热至400℃与700℃之间的优选温度，将储层加热至涉及储层内的油和/或水的气化和水煤气变换反应发生的温度。在储层的间隙尺度或区域内可以瞬时达到或超过此温度范围，并且不需要使整个平均储层温度都在此范围内。
当储层被加热并处于高温时，发生气化和水煤气变换以及水热裂解反应，伴随着随后生产氢气、硫化氢、一氧化碳、二氧化碳和蒸汽(水蒸气)。当反应在储层中发生时，气体组分收集在储层空间内但由于储层中的浮力效应而趋于上升，其中流通的油收集在维持其中反应的注入井周围并且气体朝向生产井上方向上上升并收集在储层中。通过生产井从储层生产合成气。
当氧气被注入到储层中时，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。在反应区中，温度上升超过450℃并且在反应前沿，温度可能超过900℃。当温度超过400℃时，气化反应在热区内发生，该热区使仅通过上部生产井生产的氢气产生至地表。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。
从本文教导的方法生成的合成气可以用于发电、发热，燃烧以生产可以用于发电的蒸汽或用于其他原位油开采工艺的蒸汽，或作为用于生产其他化学品(包括燃料、塑料、甲醇、尿素、氢气、硫等)的原料材料。
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/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(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“竖直(vertical)”、“横向(transverse)”、“水平”、“向上”、“向下”、“向前”、“向后”、“向内”、“向外”、“纵(vertical)”、“横(transverse)”、“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。
除非另外说明，否则在本文中提及部件(例如电路、模块、组件、装置等)时，对于此部件的提及(包括对“手段”的提及)应被解释为包括执行所描述的部件的功能的任何部件作为此部件的等价物(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该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设备的具体实例。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将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 (10)

1.一种用于处理石油储层以从其中开采合成气的方法，该储层含有石油和水，该方法包含以下步骤：
a.将该储层加热至足以引起气化、水煤气变换和水热裂解反应中的至少一种在该储层内发生的温度，这些反应中的至少一种涉及该石油和该水中的至少一种；
b.允许该气化、水煤气变换和水热裂解反应中的至少一种从该石油和该水生产合成气，该合成气包含氢气；
c.在该储层中提供至少一个井；以及
d.通过该至少一个井将该合成气的至少一部分生产至地表。
2.如权利要求1所述的方法，其中，该加热该储层包含将氧化剂注入该储层中以氧化该石油的至少一部分。
3.如权利要求1所述的方法，其中，该加热该储层包含在该储层中定位电磁或射频天线并且从而产生电磁波或射频波。
4.如权利要求1所述的方法，其中，该加热该储层包含在该储层中定位基于电阻的加热系统并且从而加热该储层。
5.如权利要求1所述的方法，其中，步骤b发生一周至十二个月的时间段。
6.如权利要求5所述的方法，其中，步骤b发生一至四周的时间段。
7.如权利要求1所述的方法，该方法进一步包含重复并交替这些加热该储层和生产该合成气的步骤。
8.如权利要求1所述的方法，其中，在正在生产该合成气的同时，继续加热该储层。
9.一种用于处理石油储层以从其中开采合成气的系统，该储层含有石油和水，该合成气包含氢气，该系统包含：
用于加热该储层并且从而通过气化、水煤气变换和水热裂解反应中的至少一种从该石油和该水产生该合成气的设备；以及
定位在该储层中以将该合成气生产至地表的井。
10.如权利要求9所述的系统，其中，该用于加热该储层的设备选自由以下组成的组：氧化剂注入器、电磁铁、射频天线、和热材料注入器。
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