CN1135782A - 用于处理煤层中的二氧化碳，同时从煤层中回收甲烷的方法 - Google Patents

Abstract

一种用于处理固体含碳地下岩层内的混合气体的方法。在一些实施方案中，本发明提供了处理岩层内的较强吸附气体的方法。在另外一些实施方案中，本发明提供了一种用于分离岩层内的气态流体混合物的方法。还有些实施方案中，本发明提供了从富集相对较弱吸附气体的岩层中回收残液的方法。另外还有一些实施方案中，本发明提供了从岩层中回收甲烷的方法。

Description

用于处理煤层中的二氧化碳， 同时从煤层中回收甲烷的方法

本发明涉及用固体含碳地下岩层的性能，预先吸收气体，以利分离地层中的混合气体，并处理强烈吸收地层中的气体的方法。

许多工业处理排放的气流中含有各种混合气体。人们愈来愈关心一些流出气流的组分可能造成重大的环境问题，因此这些气流将不能释放到大气中。二氧化碳是一种从工业处理中释放出来的许多流出气流中的一种组分化合物，并且进入大气中的二氧化碳正引起人们愈来愈高的重视。

假定进入大气中的二氧化碳作为一种温室气体，一旦大气中的温室气体浓度太高将会使地球变暖。根据这种可能的迹象，各国政府已制定或计划制定条例，以限制能释放到大气中的二氧化碳的量。这些条例能够妨碍许多工业，这是因为任一烃类燃料与空气的燃烧会产生一种含有二氧化碳、氮、和其它气体燃烧物的废气。

引起烃类与氧气或空气燃烧的混合气体在后面称为“废气”。废气的化学成份由许多因素来决定，这些因素包括但不限于燃烧的烃类，燃烧过程中氧气与燃料的比例和燃烧温度。除二氧化碳和氮之外，废气中还可能含有象一氧化碳、氧化硫、氧化氮、和其它组分的化合物。这些释放到大气中的化合物不但受到更多的公众检查的影响，而且还是增加管理条例的对象。

除了是烃类燃烧产品，通过自然过程也能产生二氧化碳，并在非燃烧过程中释放到环境中。例如，二氧化碳是由热和生物过程所产生的，认为这些过程形成了烃类物质，如石油、天燃气或煤。通常用这些烃类物质生产二氧化碳，并经过后面的加工步骤将其排放到大气中。

有几种市场上能得到的可以使用的用于除去气流中的二氧化碳的设备。最常用方法之一是使用一种选择性胺吸收液，将二氧化碳从气流中除去。遗憾的是这种设备将不允许大颗粒或氧化硫。颗粒将引起阻塞、污染和腐蚀或处理过程中的腐蚀，同时氧化硫，如二氧化硫(SO₂)与该方法中所使用的胺溶液发生不可逆反应，从而生成不可再生的副产品。因此，如果存在颗粒或氧化硫，那么在从气流中除去二氧化碳之前，需要另外的工艺步骤将氧化硫和颗粒除去。这些额外的工艺步骤增加了该设备的复杂程度和成本。

对大气中的释放的二氧化碳和其它化合物越来越引起人们的重视，需要处理这些化合物的方法。由于这些废弃的化合物常是部分体积较大的流出气流的组分，因此最好的处理方法是设法利用较大的流出气流来提高整个过程中的效率，并且或使用该方法，除了保证处理其中含有的二氧化碳之外，便于回收有价值的产品。

最好是该方法既能处理二氧化碳，也能处理其它的杂质，而不需要使用一道工序来处理二氧化碳，和另一道分离工序步骤来处理其它的杂质，如氧化硫和氧化氮。

正如这里所使用的，下列术语具有以下含义：

(a)“吸附物”是指部分混合气态流体，该气态流体优先被固体含碳地下岩层中的含碳矿脉所吸附，并且当岩层中的总压力下降时，能从该岩层中回收该气态流体；

(b)“层理”或“层理体系”是固体含碳地下岩层中裂缝的自然体系；

(c)“煤层”包括一个或多个彼此流体连通的煤层；

(d)“解吸流体”是包括任何流体或混合流体，所述流体能够使甲烷从固体含碳地下岩层中解吸；

(e)“岩层断裂压力”和“断裂压力”意指打开岩层并在岩层中扩展诱导的裂缝的压力；

(f)“裂缝半长度”是沿裂缝测得的距离，即从钻井到裂缝顶的距离；

(g)“优先吸附”、“优先吸着”和“优先吸附作用”指的是固体含碳地下岩层内发生的过程，该岩层改变气态流体组分的相对比例。此过程通过平衡分离、动力分离、立体分离，和/或任何其它物理或化学过程或这些过程的结合，可以改变气态流体组分的相对比例，在固体含碳地下岩层内，这些过程将有选择地改变流体混合物组分的相对比例。在岩层中，吸附在岩层中的含碳物质上的气体将被富集在较强的吸附流体组分中；

(h)“残液”指的是注入到坚硬含碳地上岩层中的部分气态流体混合物，它优先不是由岩层吸收的；

(i)“回收”的意思是一种所控制的流体的收集和/或处理，如将流体储存在罐中或将流体经管道进行分配。“回收”特别是要隔断流体进入大气中的通道；

(j)“储层压力”意思是在封井过程中，在井附近的生产岩层的压力。储层压力能够通过岩层改变。另外，岩层中的储层压力在解吸流体被注入到岩层中，并从该岩中产生流体时，在整个过程中都可以改变。

(k)“固体含碳地下岩层”指的是任何基本上坚硬含碳、含甲烷的物质，它处在地表以下。相信这些含甲烷材料通过有机物质的热解和生物降解可以获得。固体含碳地下岩层包括，但不仅仅限于煤层和其它的象antrium、含碳的和泥盆系页岩这样的含碳的地层。本发明所采用的地层包括可回收的甲烷较少的地层。

(l)“吸附”指的是一个过程，通过该过程气体由含碳物质如煤包含着，这些含碳物质有许多微孔。含在含碳物质微孔中的气体呈冷凝相或类液相，或者该气体可以通过化学方式结合到含碳物质上；和：

(m)“井距”或“间距”是指各生产井和注入井、单独井之间的距离。该距离是在钻井贯穿有价值的地层的地方所测得。

本发明的一个目的是提供一种用于在固体含碳地下岩层内分离气态流体混合物的方法。

本发明的另一个目的是提供一种用于处理强吸附在固体含碳地下岩层中的流体的方法。

本发明还有一个目的是提供一种用于处理固体含碳地下岩层中的二氧化碳的方法。

本发明还有一个目的是提供一种用于处理固体含碳地下岩层中的二氧化碳，同时从该岩层中回收甲烷的方法。

本发明另一目的是提供一种用于分离固体含碳地下岩层内的含有较强吸附流体和较弱的吸附流体的混合气体，并用于回收富集于来自岩层的较弱吸附流体上的气态流体的方法。

本发明还有另一目的是利用所回收的富集在较弱吸附流体中的气态流体，以提高从固体含碳地下岩层中回收甲烷的量。

本发明还有一个目的在于提供一种用于处理已至少部分贫化的可回收的甲烷的固体含碳地下岩层内的不良气态流体的方法。

本发明还有一个目的在于提供一种用于处理固体含碳地下岩层内的废气的方法。

本发明的上述目的通过以下诸方面来实现。

本发明的第一个方面是一种分离煤层中的气态流体混合物的方法，该方法包括下列步骤；

a)将含有弱吸附流体成份和强吸附流体组分的气态流体混合物导入煤层；和：

b)从煤层中回收富集在弱吸附流体组分中的残液。

在本发明的第二个方面中，公开了一种用于从由一个注入井和一个生产井所穿透到的固体含碳地下岩层中回收甲烷的方法，该方法包括下列步骤：

a)将具有与A相同体积百分比的二氧化碳的解吸流体通过注入井注入到固体含碳地下岩层中；

b)从生产井中回收包含甲烷的流体；

c)检测步骤(b)中所产生的流体的成分；和

d)当步骤(b)中所回收的流体中的二氧化碳的体积比大于0.5A时，则停止回收步骤(b)中所产生的流体。

在本发明的第三个方面中，公开了一种用于从由一个注入井和一个生产井所穿透到的固体含碳地下岩层中回收甲烷的方法，该方法包括下列步骤：

a)通过注入井，将具有的二氧化碳与其它所注入的解吸流体组分的体积比等于B的解吸流体注入到固体含碳地下岩层中；

b)从生产井中回收含有所注入的解吸流体和甲烷的流体；

c)检量二氧化碳与其它所注入的包含在生产井中所回收的流体中的解吸流体组分的体积百分比；和

d)当在生产井中所回收的二氧化碳与其它所注入的解吸流体的组分的体积比大于0.5B和从生产井回收得到至少70％的甲烷时，停止从生产井中回收流体。

在本发明的第四方面中，公开了一种用于处理固体含碳地下岩层内的二氧化碳的方法，该方法包括下列步骤：

a)将具有的二氧化碳与其它所注入的解吸流体组分的体积百分比等于B的吸附流体注入到固体含碳地下岩层中；

b)将具有的二氧化碳与其它解吸流体的体积百分比小于B的气态流体从岩层中抽出；和

c)当步骤(b)所抽出的气态流体中的二氧化碳与其它所注入的吸附流体组分的体积比大于0.5时，停止从岩层中抽吸气态流体。

在本发明的第五方面中，所公开的是一种用于处理固体含碳地下岩层内的不良气态流体组分的方法，该方法包括下列步骤：

a)将含有不良气态流体组分的气态流体导入岩层，以便将不良气态流体组分吸附到岩层中；和

b)在岩层中维持处理条件，以便确保吸附到岩层中的不良气态流体组分的处理饱和度至少在10％。

在本发明的第六方面中，所公开的是一种用于处理煤层内的不良气态流体组分的方法，该方法包括下列步骤：

a)将含有不良气态流体组分的气态流体导入煤层中；知

b)当煤层内的不良气态流体组分达到一定的饱和度时，就停止将气态流体导入到煤层中。

在本发明的第七个方面中，所公开的是一种用于处理不良气态流体组分的方法，该方法包括下列步骤：将含有不良气态流体组分的气态流体导入煤层中，该煤层在处理条件下至少部分缺少甲烷，以便使不良气态流体组分吸附到煤层中，并使释放到大气中的不良流体组分降至到最低。

在某些方面中，本发明提供一种用于处理固体含碳地下岩层内的大量的不良气态流体组分的方法。某些方面允许象废气这样的流体被导入到固体含碳地下岩层，以便提高从岩层中回收甲烷的量，这些废气可以包括氧化氮、氧化硫、一氧化碳和/或二氧化碳。本发明还提供了一种用于生产富含氮的流出气流的有效方法，这种富含氮的流出气流能被用来提高从固体含碳地下岩层回收甲烷的量。另一些方案允许象废气这样的流体在固体含碳地下岩层中进行处理，而不需要将它与用于二氧化碳和氧化硫的处理体系分开。

本发明的许多其它的优点和特点将从下列本发明的详细描述，其中所描述的实施方案，权利要求书、和附图中变得更加清楚。

图1是由甲烷完全饱和的煤层中气体总产量与时间的关系曲线图，该煤层中已导入了几种不同的气体成分；

图2是预测从图1的煤层回收的累积甲烷曲线图；

图3是预测从图1的煤层回收的流体中存在的甲烷的体积百分比的曲线图；

图4是预测从图1的煤层回收的流体中存在的氮的体积百分比的曲线图；

图5是预测从图1的煤层回收的流体中存在的二氧化碳的体积百分比的曲线图；

图6是预测用于图1煤层的甲烷回收率的曲线图；

图7是累积回收的甲烷与注入到图1煤层中的累积的解吸流体的关系曲线图；

图8是从甲烷贫化的煤层中累积回收的氮的体积的曲线图，氮被用来分离含有体积百分比为15％的二氧化碳和体积百分比为85％的氮的混合气体；

图9是累积的气态流体曲线图，该气态流体在整个过程中被注入到图8的贫化的煤层中；

图10是从图8的贫化的煤层中回收氮的速率曲线图；

图11是从完全由甲烷饱和的煤层中总的气体回收速率与时间的关系曲线图，该图将纯二氧化碳注入到地层时的总的气体回收速率与当含有70％的体积百分比的二氧化碳和30％的体积百分比的甲烷的混合气体时的回收率进行比较；

图12是预测从图11煤层中回收的甲烷的累积体积的曲线图；

图13是预测从图11的煤层回收的流体中存在的甲烷的体积百分比的曲线图；

图14是预测从图11的煤层回收的流体中存在的二氧化碳的体积百分比的曲线图；

图15是预测用于图11煤层的甲烷回收率的曲线图；

图16是预测用于图11煤层的二氧化碳回收率的曲线图；

图17是用于图11煤层的总的气体生产率的曲线图；

图18是预测从煤层中回收的累积的甲烷与用于图11煤层的所注入的累积的解吸流体的关系曲线图。

在本发明可以有许多不同形式的实施方案的同时，附图中显示出并将详细描述本发明，特别要描述本发明的实施方案。当然，本说明被认为是本发明构思的一个实例，但它不能将本发明限制在特定说明的实施方案的范围内。

固体含碳地下岩层，如煤层是由含碳物质构成的。含碳物质包括母岩，这种母岩具有微孔延伸系，和渗透到母岩中的断裂系，这种断裂系通常被称作“层理”。微孔系具有较大的内表面，气态流体能够被吸附在内表面上。本发明利用各种气体分子对地层中含碳物质的不同吸附强度，将大量的不良气态流体吸附到含碳母岩的微孔中。

                注入的气态流体

通常，具有吸附强度较强的气态流体分子比吸附强度较弱的气态流体分子能更好地吸附在地层中的含碳物质上。吸附到地层中的含碳物质上的气态流体的量依赖于气体对含碳母岩的相对吸附强度、含碳物质容纳气态流体的能力、气态流体分子与含碳物质发生化学反应并因此化学吸附到该物质上的倾向、和岩层内的压力和温度。

在本发明操作中的一个重要因素是所注入的气态流体混合物组分之间的相对吸附强度，以及气态流体混合物与其它流体，如岩层中已存在的甲烷的吸附强度。

对于象煤层这样的含碳物质来说，认为流体的大气沸点表示出相对应的组成流体的分子或化合物的吸附强度。表1列出了几种常见的流体的大气沸点。

                      表1化合物/分子               沸点          较弱的吸附强度氢(H₂)                   -269℃氦(He)                    -253℃氮(N₂)                   -196℃一氧化碳(CO)              -192℃氩(Ar)                    -186℃氧(O₂)                   -183℃甲烷(CH₄)                -162℃氧化氮(NO)                -151℃氙(Xe)                    -108℃乙烷(C₂H₆)              -88℃二氧化碳(CO₂)            -78℃六氟化硫(SF₆)            -64℃硫化氢(H₂S)              -60℃丙烷(C₃H₈)              -42℃二氧化硫(SO₂)            -10℃二氧化氮(NO₂)            21℃             较强的吸附强度三氧化硫(SO₃)            44℃

一般认为较强的吸附流体有较高的沸点，较弱的吸附流体有相对较低的沸点。因此，一种流体组分与气体混合物内的另一种流体的相对吸附强度和与岩层中的其它气态流体的相对吸附强度，是能够通过比较对应的大气沸点来测定。例如，二氧化碳，其大气沸点为-78℃，它对于含碳物质的吸附强度比甲烷或二氧化硫更强些，甲烷和二氧化硫的大气沸点分别为-162℃和-196℃。一种流体对应的大气沸点将给普通技术人员提供涉及各种气态流体的相对吸附强度一般信息。但是，对于特殊的含碳物质来说，各种气态流体相对的吸附强度在有可能的地方凭经验来测定。

另外，各种气态流体相对的吸附强度将给普通技术人员提供涉及处理固体含碳岩层内的不良气态流体的一般信息。但是，只要可能就可以凭经验来测定吸附到特定含碳物质上的不良气态流体的量。经验数据将允许更准确地预测含碳地下岩层内能够被处理的不良气态流体的量。如果特别的气态流体组分化学吸附到岩层中的含碳物质上被认为是重要因素的话，那么当测定被处理的岩层内的不良气态流体的量时，也可以进行计算。

气态流体在气态或液态时可以导入到岩层中。本发明对用于注入气态流体的合适的方法的详细说明可以从涉及下面所讨论的注入富集氮的残液的讨论中得知。将气态流体注入到固体含碳地下岩层中的其它合适的方法，对于普通专业技术人员来说是已知的。如果注入液态的含有二氧化碳的气态流体，那么通常在岩层内将变成气态流体。另外，可以将气态流体导入岩层作为一种超临界流体。根据岩层中的压力和温度，气态流体既可以保持一种超临界的流体，也可以变成液体、气态流体、或气液混合体。

如果使用的气态流体处于临界温度和压力附近，那么就必须用使岩层内的固体和液体的沉积/或凝聚最少的方法来开采任何生产井。下面详细地描述在这样的条件下如何开采这些生产井。

                从岩层中回收甲烷

在本实施方案中，通过与岩层流体连通的注入井，将含有强吸附流体的解吸流体导入到固体含碳地下岩层中，并且从一个或多个生产井中回收含有甲烷的流体。注入井最好穿过岩层。

解吸流体一般由二氧化碳和其它流体组分，如氮和/或甲烷组成。由于二氧化碳为强吸附流体，所以它比起其它的弱吸附流体，如氮或甲烷来说，更容易吸附到岩层中的含碳物质上。

在有机物转变成煤和其它的固体含碳物质的过程中产生了甲烷。岩层内的甲烷既作为游离在岩层的层理和裂隙中的气体，也作为岩层母岩内的吸附气体。

含有二氧化碳的解吸流体使岩层内游离的甲烷和吸附的甲烷流动。由于层理内的分压的下降和因为二氧化碳和其它注入的解吸流体争相吸附在岩层的含碳母岩上，从而使吸附在含碳母岩上的甲烷流动。

裂隙内甲烷的分压下降是由于裂隙内注入的解吸流体接近甲烷吸附位置。当裂隙内甲烷的分压下降时，吸附在含碳母岩上的甲烷将从裂隙中解吸，并且分散到层理中。

二氧化碳和其它注入的解吸流体争相吸附在含碳母岩上，将引起甲烷从含碳母岩上解吸进入到层理中。一旦甲烷处在层理内，那么岩层和生产井和/或井之间所提高的压力梯度将使甲烷运动到生产井或能够回收的井中。

由于甲烷不象二氧化碳那样强烈地吸附在含碳母岩上，所以甲烷穿过固体地下岩层的速度比更强的吸附气体流动的快些。

岩层中的含碳母岩内的较强吸附流体，如二氧化碳的优先吸附作用，使注入的解吸流体在岩层内分馏。较强的吸附流体将被优先吸附到注入井周围的含碳母岩的区域，该注入井中注入了解吸流体。较强的吸附流体将继续吸附在该区域内的母岩上，直到母岩上较强的吸附流体饱和为止。相对较弱的吸附流体将不那样强地吸附到母岩上，从而它穿过岩层的速度比较强吸附流体要快。

通常解吸流体注入到岩层中时，岩层内较强吸附流体达到饱和的区域将继续向着生产井或井的方向发展。因此，可以说较强吸附流体将形成接近在岩层内发展的聚集面。当解吸流体注入到岩层中时，聚集面将继续从注入井向岩层内较低压力区域，如生产井的方向延伸。

在面的前头，吸附在母岩上的较强吸附流体的浓度比面的内部或面的后面的较强吸附流体的浓度要小。在面的后面，吸附在母岩上的较强吸附流体，如二氧化碳的浓度接近一个稳定值，这是由于解吸流体通过注入井被连续地注入到岩层中。

稳定值取决于几个因素，这些因素包括：较强吸附流体对含碳母岩的相对的吸附强度，与岩层内的其它流体的吸附强度的比较；和注入到岩层中的解吸流体内的所含的较强吸附流体的相对浓度。

由于较强吸附流体组分将被岩层优先地吸附，所以含有二氧化碳的解吸流体能被注入到固体含碳地下岩层，同时从生产井回收具有较低的二氧化碳体积百分比的流体。有时气态流体混合物内的二氧化碳的体积百分比在后面被称为体积百分比A。

另外，由于较强吸附流体组分穿过岩层的速度比较弱吸附强度流体组分慢，能够从生产井中回收流体，其内的二氧化碳与其它注入的解吸流体组分的体积之比，小于二氧化碳与注入到岩层中的解吸流体内的其它注入的流体组分的体积之比。二氧化碳与其它注入的解吸流体组分体积之比在后面有时被称为比值B。

含有在本发明中可以使用的气态流体的一种二氧化碳是废气。通常二氧化碳与废气中注入的其它解吸流体组分的体积之比为1/11到2/8。含有在本发明中可以使用的含二氧化碳的气态流体的另一实例是气态流体的混合物，该气态流体的混合物由氮注射装置或薄膜分离器注射，所述分离器将二氧化碳从天然气产品流中分离出去。注射的气流中通常含有二氧化碳与甲烷和其它气体的比值B从1/1到95/5。

认为从生产井中所回收的流体中，二氧化碳的体积百分比将低于在输入到岩层中的注入的解吸流体中的二氧化碳的体积百分比，直到注入井和生产井之间的岩层用较强吸附流体组分饱和为止。另外，认为二氧化碳与从生产井中回收的流体中所含其它注入的解吸流体组分的体积百分比将低于二氧化碳与输入到岩层中的解吸流体内的其它注入的解吸流体组分的体积百分比，直到注入生产井之间的岩层用较强吸附流体组分饱和。

在理想的情况下，固体含碳地下岩层是均匀的，而且二氧化碳富集面将迅速地从注入井向岩层内部移动。但是，很少存在这样均匀的固体含碳地下岩层。大多数的岩层是注入解吸流体能迅速穿过的区域。这些所谓的“矿脉”包括与主要含碳物质相比具有相对高的渗透性的区域。矿脉也包括由解吸流体组分不能被迅速吸附的物质所构成的区域。例如不能迅速吸附流体的矿脉区域包括砂石、含碳页岩、和普通专业技术人员所知的其它类似物质。

所注入的穿过矿脉的解吸流体至少将部分地通过岩层中的含碳物质，并被说成是岩层内朝向生产井的“矿层”。该矿层将提高从生产井中所回收的流体中所存在的解吸流体的相对量。

此外，穿过矿脉到达生产井的所注入的解吸流体，不能象没有穿过矿脉的所注入的解吸流体那样与岩层中的含碳物质接触。所以，穿过矿脉到达生产井的所注入的解吸流体组分将不能那样有效地被分成它们各自的组分。因此，二氧化碳与从生产井中回收的流体中的其它注入的解吸流体组分的体积百分比将提高到在理想的岩层中所期望的比值以上，但该比值将相对注入的解吸流体中所含有原始比值仍下降了。

岩层内的较强吸附流体组分的优先吸附作用是允许较强吸附流体，如二氧化碳在岩层内进行处理，所述较强的吸附作用使较强吸附流体组分比较弱吸附流体组分更缓慢地穿过岩层。下面详细讨论用于处理固体含碳地下岩层内的二氧化碳和其它较强吸附流体的方法。

固体含碳地下岩层分离注入解吸流体的能力，即大部分二氧化碳到达生产井和/或井的时间要迟于较弱吸附能力的甲烷和/或其它流体，将提供一种用于从固体含碳地下岩层回收大部分的甲烷，同时处理岩层内二氧化碳的方法。

当实施该方法时，在生产井和/或井用普通专业人员所知的方法，如气体色谱法来测定二氧化碳与所回收的流体中的其它注入的解吸流体的比值。这种测定将说明所注入的解吸流体怎样在岩层中运动，和岩层是否已处于强吸附流体的饱和状态。

正如前面所述，二氧化碳与从生产井所回收的流体中的其它注入的解吸流体组分的比值，相对于二氧化碳与输入到固体含碳地下岩层中的注入的解吸流体内的其它注入的解吸流体组分的比值将会下降。

一旦二氧化碳面到达生产井的井口时，二氧化碳与从生产井所回收的其它注入的解吸流体组分的比值将迅速地提高。参见图4、5、13和14所示的例子。一旦二氧化碳富集面已从注入井穿到生产井(即注入井和生产井之间岩层内的沿着解吸流体的流动通道的含碳母岩，已席卷了所含甲烷)，那么通常吸附在位于注入井和生产井之间注入解吸流体流动通道的含碳母岩内的多数甲烷将从岩层中解吸。

仍如前所述，实际固体含碳地下岩层含有能够提高从生产井所回收的流体中的解吸流体体积百分比的矿脉。另外，由于矿脉就能够增加扫过岩层所需要的注入解吸流体的量。

发明人认为能够有效地降低岩层内产生的矿脉量的一种方法，该方法使用间歇注入作用将流体，如水注入到注入井中。注入的水将有选择地进入较高的渗透性区域。一旦流体进入较高的渗透性区域，那么它将降低解吸流体流过这些区域的速度。这将使得注入的解吸流体改道进入较低渗透性区域，从而提高岩层内的垂直的和表面的扫过。由于注入的解吸流体改道进入低渗透区域，所以解吸流体从注入井移动到生产井的时间延长了。又由于所改道的注入解吸流体可以与岩层中的较多含碳物质接触，所以可降低从生产井中回收的流体中的二氧化碳的体积百分比和二氧化碳与从生产井所回收的流体中其它注入的解吸流体组分的比值。

是否停止从生产井中回收流体，部分取决于从岩层中回收、由生产井中排出的甲烷的百分比。这样得到的甲烷是可以从生产井中回收的甲烷。值得注意的是，经过强化富集回收的岩层里的甲烷不可能发生贫化，而从特殊的生产井中得到的甲烷可能发生贫化。固体含碳地下岩层内的甲烷量能够用普通专业技术人员所知的方法来测定。计算岩层中甲烷含量的方法在由美国石油地质学家协会1993年出版的，煤中的烃类化合物，第九章，203-207页，Yee等人“煤的气体吸附作用和气体含量的测定”中所阐述的，它是作为参考而被引入的。知道岩层中所含有的甲烷量和注入解吸流体组成的普通专业技术人员，能够计算出从岩层中回收甲烷的含量。

是否继续从生产井中回收流体将考虑到流体值。测定该流体值时，重要的是要考虑进一步利用流体流所需要的工艺成本。例如，如果将流体送到天然气管道，流体将必须进行处理，以便使其内部的惰性气体的百分比降低到可接收的水平。天然气中所含惰性气体的接收水平是由天然气管路规定来控制。如果流体量不是多得足以认为进一步回收是合算的，那么流体的回收将要停止或者修改方法以将流体组成变成认为进一步回收是合算的地步。

固体含碳地下岩层的甲烷在开发过程中，可以有几个注入井和几个生产井。由于多数固体含碳地下岩层的不均匀性，来自一个注入井的二氧化碳富集面可以在来自第二个注入井的二氧化碳富集面达到同一个生产井中以前达到生产井。这将引起二氧化碳与从生产井所回收的流体中其它注入的解吸流体组分的比值的增加，在注入井和生产井之间的岩层可得到的甲烷扫除之前，接近或超过原有比值B。

正如能从图2、3、5-7和11-15所看到的那样，在二氧化碳与从生产井所回收的流体中其它注入的解吸流体组分的比值达到原有比值B之前，可以从岩层中回收得到甲烷的实际百分比。当比值B为原有比值B的0.5到0.9时，认为在某些情况下最好停止从生产井中回收废气。例如，当二氧化碳与所回收的流体中其它注入的解吸流体组分的比值低于B，但已经从生产井中回收了可得到的甲烷的实际百分比时，最好将停止从生产井中回收流体。

如果二氧化碳与从生产井所回收的流体中其它注入的解吸流体组分的比值大于原有比值B，并且已从该井中产出了可得到的甲烷的实际比值的话，最好停止从生产井中回收流体。

如果二氧化碳与从生产井所回收的流体中其它注入的解吸流体组分的比值大于原有比值B，但存在从生产井中仍可产出甲烷的实际百分比的情况下，最好将不停止从生产井中回收流体。而来自生产井中的流体流将受到限制。

来自生产井中的流动受到限制将会增加井中的压力。生产井周围的压力的增加将会引起注入的解吸流体改道进入压力较低的岩层中。这种限制将有利于提高岩层的排气，和减少了朝向受到流动限制的生产井的注入解吸流体。另外，通过增加生产井周围的岩层压力，就可以增强二氧化碳优先于甲烷对含碳母岩的有效吸附作用。认为这将降低从生产井中回收的流体中所含二氧化碳的体积百分比。

可以使用几种方法来限制从生产井中流出的流体。一种方法是使用将抑制流动物质注入到靠近生产井附近的含碳岩层，生产井中物流可望受到抑制。例如用来抑制从生产井流出的流体的材料包括如二氧化碳、丙酮、pyridene柴油、聚合物、环氧树脂、表面活化剂、泡沫、水泥和它们的混合物。上述材料由于堵塞或凝固岩层中的裂系，因而降低了岩层内的抑制流体的流动，从而减少了岩层受到影响的区域的渗透性。除上述材料以外，使含碳物质膨胀而使其渗透性降低、或将裂缝系统塞住或凝固的任何材料都要以使用。

另一种用于限制流体从生产井流出的方法包括用一种限制废气从生产井流出的方法来控制一个与生产井流体连通的阀。由于采用了上述的技术，限制从生产井流出的流体将使岩层附近的井内压力上升，并且达到了上述的优点，这些优点被认为是导致生产井附近井内压力上升的因素。

上述方法将有助于保持可回收生产井中可得到的甲烷。

与流体一同回收的任何二氧化碳能迅速地与流体中的甲烷和其它流体，如氮分离。一种将二氧化碳与流体流分离的方法包括：

用薄膜分离器将二氧化碳与气体混合物分离；

用吸附式分离器，如压力旋转吸附分离器将二氧化碳与气体混合物分离；和

用氮注射装置将二氧化碳与气体混合物冷冻分离。

包括上述方法所产生的流体二氧化碳一般也含有甲烷和/或氮。如果需要，含二氧化碳气流能够被注入到固体含碳地下岩层中。

本发明人已经发现，在某些情况下，可继续从生产井中回收流体，并将大部分的流体流返回注到岩层中。例如有利环境是从生产井回收大量可获得的甲烷的地方，但气流中的二氧化碳的百分比较高。在这种情况下，用传统分离装置将惰性气体，如二氧化碳和氮与甲烷分离的成本可能是过高的。

在这些情况下，本发明人公开了可能更有利于使用流体气流来提高从另一个固体含碳地下岩层或同一固体含碳地下岩层的不同区域中所回收的甲烷。优选地，注入了流体的岩层仍然能够吸附大量的二氧化碳。

通过岩层将再次注入的气流分开。再次注入的气流中所含的二氧化碳将更缓慢地穿过岩层运动到生产井。正如前面所述，二氧化碳将替换岩层中的甲烷。再次注入的气流中所含的甲烷将快速地穿过岩层达到生产井。认为将再次注入的流中所含的甲烷将有助于维持岩层内的储藏压力，从而有助于从岩层中回收甲烷。图11到18表示了在这些情况下，含有甲烷和二氧化碳的混合气体怎样被用来回收固体含碳地下岩层中的甲烷。

                    气态流体的处理

在这个实施方案中，将含有不良气态流体组分的气态流体注入到固体含碳地下岩层中。通过一个与岩层流体连通的注入井，最好是穿过岩层的注入井，将气态流体注入到固体含碳地下岩层中。在高于岩层内的储藏压力下，将气态流体注入到岩层中，而且可以在气态或液态状态下将气态流体注入到岩层中。优选地，是在低于岩层内的岩层分压下注入气态流体。如果注入的压力太高和岩层破裂，那么注入的气态流体就可能从固体含碳地下岩层泄漏到周围的岩层中。

所述气态流体中一般含有二氧化碳和/或其它气态流体组分，它们吸附到含碳物质上的能力要比甲烷要强。例如一般含在注入气态流体中的其它气态流体组分包括氧化硫、氧化氮、和硫化氢。这些相对较强吸附气体比岩层内的任何甲烷优先地吸附到岩层内的含碳物质上。

废气是本发明所处理的气态流体中的一种。废气一般含有10-25％体积百分比的二氧化碳、约75-90％体积百分比的氮、和少量体积百分比的氧化氮和氧化硫。本发明可以使用的另一种气态流体是气态流体的混合物，该用使二氧化碳与天然气生产流分离的分离装置注入。注入流中含有约50-95％体积百分比的二氧化碳，其余的气态流体主要由甲烷构成。注入流中也可能含有硫化氢、氧化氮、和氧化硫。

根据这个实施方案，处理不良气态流体组分所用的固体含碳地下岩层含可回收的甲烷愈少愈好。使用含可回收甲烷少的岩层，是因为岩层内吸附到含碳母岩上的流体，如二氧化碳的较好的吸附作用被提高，所述岩层内吸附在含碳母岩上的甲烷浓度较低。另外，如果岩层内的压力下降，岩层内可回收的甲烷较少，那么在岩层内可以有效地处理大量的比甲烷吸附弱的气态流体。

在其它的情况下，优选使用从来没有生产甲烷的固体含碳地下岩层。从这样的岩层中生产甲烷是没有吸引力的。这样的岩层包括原有的甲烷含量较低的岩层和低渗透性的岩层。

含可回收的甲烷枯竭的岩层仍含一些甲烷，但是该甲烷的浓度不具有回收它的经济价值。含可回收的甲烷较少的岩层已有至少25％体积百分比的原始甲烷已从岩层中除去。含可回收的甲烷基本枯竭的岩层有至少50％体积百分比的原始甲烷已从岩层中除去。含可回收的甲烷完全枯竭的岩层有至少70％体积百分比的原始甲烷已从岩层中除去的。

从岩层中回收甲烷的一种方法是利用岩层内的压力下降。岩层内的压力的降低将使甲烷从含碳物质中解吸出来，并流到能回收的生产井中。当回收的原有甲烷为25％-约70％时，利用主要降低，从生产井中生产甲烷的煤层通常被放弃。对于这种基本耗尽的井的放弃的压力一般在689,476帕斯卡(Pa)至约2,068,427帕斯卡(Pa)。

利用提高回收技术也能够从煤层中回收甲烷。一个能够有效地将甲烷从煤层中回收的提高回收技术的例子，是利用氮富集流将甲烷从煤层中解吸出来。对于煤层使用氮提高回收技术，从煤层中回收甲烷的百分比主要取决于从煤层中回收的产品流中含有氮的体积百分比。通常一旦氮的百分比变得太高和/或甲烷的百分比变得太低无法进一步回收的时候，所述生产井一般将被放弃。根据目前的氮/甲烷分离技术，当从岩层中回收的流体中的甲烷体积百分比为25％-约50％时，生产井一般将被放弃。这是与从岩层内回收45％-约70％原有甲烷相对应。应当注意当甲烷与氮分离技术得到发展时，从岩层中回收甲烷的量将会增加。当岩层已用氮来提高从岩层中回收甲烷时，优选在处理煤层内的不良气态流体之前，降低岩层内的压力。

另一个能够有效地提高从固体含碳地下岩层回收甲烷的回收技术是二氧化碳提高的回收，该技术在上面已详细描述过。

正如前面所述，较强吸附流体比相对较弱的吸附流体，对注入井周围含碳母岩区域的吸附能力更强。较强吸附流体将继续吸附在该区域内的母岩上，直到该母岩由较强吸附流体饱和为止。岩层内相对较弱的吸附流体不会那样强地吸附在母岩上，并且朝向低压力区域的岩层中流动。总之，当气体被注入到岩层中时，充满了较强吸附流体的岩层中的区域继续扩大远离注入井。

岩层内含碳物质上，任何气态流体组分的饱和度取决于几个因素，它包括较强吸附流体对含碳母岩的相对吸附强度与岩层内其它流体的吸附强度的比较，输入到岩层中的所注入气态流体内含较强吸附流体的相对浓度，用于吸附特定气态流体组分的含物质的能力，和岩层内普通的压力和温度。

例如，一种普通的San Juan Fruitland岩层煤中含甲烷极少，当该煤达到含85％体积百分比的二氧化碳和15％体积百分比的氮的气体饱和度时，在压力为10,342帕斯卡和温度为46.1℃下，每千克煤将吸附大约0.0246标准立方米(SCM)的气体。煤上所吸附相将包括大约99％体积百分比的二氧化碳和大约1％体积百分比的氮。当该煤达到含50％体积百分比的二氧化碳和50％体积百分比的氮的气体饱和度时，在相同温度和压力下，每千克煤将吸附大约0.0219标准立方米(SCM)的气体。吸附相将包括大约93％体积百分比的二氧化碳和大约7％体积百分比的氮。在相同温度和压力下，对于含15％体积百分比的二氧化碳和85％体积百分比的氮的气体，每千克煤将吸附大约0.0153标准立方米(SCM)的气体，吸附相由大约70％体积百分比的二氧化碳和大约30％体积百分比的氮。在相同温度和压力下，对于含有70％体积百分比的二氧化碳和30％体积百分比的甲烷来说，每千克煤将吸附大约0.0233标准立方米(SCM)的气体，吸附相包括大约86％体积百分比的二氧化碳和大约14％体积百分比的甲烷。吸附相由大约70％体积百分比的二氧化碳和大约30％体积百分比的氮组成。得出上述计算饱和度是在假定煤可以得到不受限制的大量气态流体，和通过连续选择，弱吸附流体组分继续流动并被新鲜气态流体所代替。以致另外的较强吸附气态流体组分能优先地吸附在煤上。吸附相中富集的较强吸附流体是发生在固体含碳地下岩层中优先的吸附作用的结果。甲烷几乎耗尽的煤与有在煤层内仍保持低于约10％体积百分比的原始甲烷的煤层有关。

上面列出的特殊的不良气态流体组分在以后被称为“处理饱和度”。根据给出的温度和压力，算出用于特殊的不良气态流体组分的处理的饱和度。温度和压力、以及用来处理岩层内的不良气态流体组分所使用的其它的工作参数被称为处理条件。控制这些条件能够使大量的不良气态流体组分吸附到岩层上。一般处理条件是这样的以致在岩层中能处理10％到90％体积百分比所输入的不良气态流体组分。在一些例子中，认为在岩层中能处理高于99％体积百分比的不良气态流体组分。通过在岩层中处理不良气态流体组分，从而防止了不良气态流体组分被释放到大气中。保持这些处理条件一般仅仅需要关闭和/或控制来自岩层的流体通道，以防止不良气态流体组分从岩层释放到大气中，同时保持岩层内的压力低于岩层的分压。在一些例子中，定期地给岩层脱水以保持或增强岩层吸附不良气态流体组分的能力。在一些例子中，提高岩层内的相关温度是有益的。例如如果提高了岩层内的温度则不良气态流体组分与岩层发生化学反应，且该反应在岩层内的温度上升时将变得更有利。

对于给定的固体含碳地下岩层，用于特殊的不良气态流体组分的处理饱和度能够通过加长Langmuir等温吸附线模型和所给岩层所必须的数据来计算。加长Langmuir等温吸附线模型的说明和如何利用它来生产一个本发明人所使用的模型类似的模型，被公开在L.E.Arri等人的，由石油工程师协会出版(1992)“建立具有二元气体吸附的煤层甲烷产量”SPE 24363，第459-472页中；在这里被引入以作为参考。

认为如果有一个将相对较弱的吸附流体从岩层中除去的方法，那么固体含碳地下岩层内就能够接近处理的饱和度，以致能够向岩层中输入更多的较强吸附组分。这附加的较强吸附组分将继续吸附在岩层上，直到母岩吸附相内接近处理饱和度为止。一种将较弱吸附组分从岩层中除去的方法，是间隙或继续地将较弱吸附流体从岩层中排出。另一种将较弱吸附组分从岩层中除去的方法将是从通过生产井回收这些较弱吸附流体的。认为在本发明的使用过程中，岩层充满了不良气态流体组分达10％-99％处理饱和度；优选达50％-95％处理饱和度；更优选达70％-90％处理饱和度。

总之，本发明使用的压力是这样选择的，以致使不良气态流体组分对岩层内的含碳母岩的吸附作用最好。通常使用的压力愈高，被含碳母岩吸附的气体就愈多。

当气态流体被输入到固体含碳地下岩层时，岩层内的不良气态流体组分的位置、岩层内的不良气态流体组分的相对浓度、和不良气态流体组分与其它的注入的气态流体的比值最好能够测量。测量该岩层的一种方法是从测量井中获取流体样品。用普通专业人员知道的方法，如气体色谱仪来分析这个样品。这个测量将相对说明怎样在岩层内移动被注入的气态流体和岩层被不良气体组分所饱和的程度。

如果不良气态流体组分是一种比其它的注入的气态流体组分相对较强的吸附流体，那么测量仪中所抽取的废气中不良气态流体组分与其它的注入的气态流体组分的体积百分比，相对于输入到固体含碳地下岩层的注入的气态流体内不良气态流体组分与其它的注入的气态流体组分的体积百分比降低了。

认为不良气态流体组分与其它的注入的气态流体组分的比值的下降，是岩层中含碳母岩内的较强吸附流体组分，如二氧化具有较好的吸附作用所造成的。认为这种吸附作用将引起相对较强吸附流体组分在岩层内移动的速度比较弱吸附流体组分要慢。正如前面所述，当气态流体输入到岩层中时，岩层中充满较强吸附流体的区域向远离注入井的方向上向外扩大。较强吸附流体凝固，接近在岩层内升高的富集面。当气态流体输入到岩层中时，富集面从注入井到岩层内低压区连续地流动。所抽取的具有其它注入流体的流体的浓缩作用将继续，直到富集面到达测量井为止。

一旦富集面到达测量仪井排出的岩层区域时，不良气态流体组分与测量井中收集的其它的注入的气态流体组分的比值将迅速增加。由于多数坚硬含地下岩层的复杂性，能够使岩层内不良气态流体组分不均匀运动。这样可使不良气态流体组分在岩层内的分配不均匀。因此有利于使用一个以上的井来测量岩层。

在本发明的一个方面，连续输入气态流体直到岩层内的不良气态流体组分饱和到一定的程度。普通专业技术人员通过从穿到岩层区域的测量井中获取的废气样品，可测定岩层内个别区域的饱和度。

所获得样品的化学成分与涉及靠近测量井附近岩层内的压力信息，使普通专业技术人员能够测定所获得样品的岩层区域内吸附在含碳母岩内的每一种气态组分。这样使普通专业技术人员能够测定注入的气态流体中不良气态流体组分是否到达了所获得样品的区域。也能够使普通专业技术人员能够测定不良气态流体组分充满岩层区域的饱和度。岩层内所需的饱和度在上面涉及处理饱和度的说明中已作了全面介绍。

正如前面所述，如果不良气态流体组分为一种相对较强吸附流体，排除岩层将使大量的不良气态流体组分吸附到任何所给定处理压力的岩层中。这种排除发生在穿过任何一个与岩层连通的井中。如果使用的话，排除可以间歇地或连续地进行，并且它发生在与气态流体的注入同步进行，或在停止注入气态流体之后进行。

如果气态流体组分，如硫化氢、氧化硫、和氧化氮被除掉的话，可以有助于降低岩层内的压力，以便充分地从岩层中将二氧化碳解吸出来。但不足以使硫化氢、氧化氮、和氧化硫从含碳母岩中解吸出来。岩层中的这种排除将使大量的较强吸附组合物，如硫化氢和一些氧化氮和硫在岩层内中被除掉。

能够将气态流体间歇地或连续地注入到岩层中。气态流体一般连续地注入直到达到所需的压力为止。在将所需气态流体的量输入到岩层中之后，或岩层达到了所需的压力之后，注入井为封井，并且岩层最好保持在充分的处理条件下，以便将吸附在岩层上的不良气态流体组分的体积百分比维持在40％-80％；最好在气态流体注入到固体含碳地下岩层之后，将吸附在岩层上的不良气态流体组分至少保持一年。

另外，在岩层内的不良气态流体达到一定的饱和度之后，就停止本发明的方法。在使用本发明的过程中，一般允许注入到岩层中体积百分比低于50％的不良气态流体组分进入大气；较好是低于10％；最好是低于1％。不良气态流体组分一般保持在岩层内至少一年；较好是保持5年；最好是保持10年。

                气态流体混合物的分离

在本发明的另一实施方案中，含有相对较强吸附流体组分和相对较弱吸附流体组分的气态流体混合物，通过与岩层流体连通的注入井注入到固体含碳地下岩层中。混合气体中的较强吸附流体组分将优先吸附在岩层中的含碳母岩上。本发明利用较强吸附流体对岩层的优先的吸附作用，提供了一种将混合气体分成富集在较弱吸附流体上的第一部分和富集在较强吸附流体上的第二部分。可以分离的气态流体混合物的例子包括，但不限于：空气、废气、从各种工业生产中产生的混合气体、和从将不易燃的气态流体和可压缩的液体与天然气产品流分离的分离装置中排除的混合气体。

在本发明的这个实施方案中，气态流体混合物通常经过穿透到岩层中的注入井被注入到固体含碳地下岩层中。最好是该岩层已不具有可回收的甲烷。使用贫化的岩层将能较好分离所注入的气态流体。作用在岩层上的压力将提高将气态流体混合物分离成富集在较弱吸附流体上的部分和富集在较强吸附流体上的部分。总之，作用在岩层上的压力愈高，吸附在岩层中的含碳母岩上的气态流体就愈多。

一般通过生产井将富集在较弱吸附流体部分(后面有时称为残液)从岩层中抽出。残液富集在相对较弱的吸附流体上，这是由于被含碳母岩吸附的较弱吸附流体象前面所述的那样缓慢地穿过岩层。

从岩层中回收残液直到残液中较强吸附流体增加到可接收的程度以上。对于含有二氧化碳的混合流体，残液中的二氧化碳体积百分比优选保持在低于50％，较优选低于20％，最优选低于5％。在某些情况下，将残液中的二氧化碳体积百分比保持在低于1％是可能。

另外，气态流体混合物的连续注入直到达到岩层所需的饱和度为止。岩层内所需吸附饱和度能够通过常规试验来测定。例如，混合气体能够注入，直到残液中较强吸附流体的体积百分比提高到上述可接收的程度以上。一旦达到岩层中所需吸附的饱和度，通过降低岩层上的压力，可进一步恢复含碳母岩的吸附能力。在岩层中的总压力降低时，将富集在相对较强的吸附流体上的被解吸的被吸附物从岩层中的含碳母岩中释放出来。通过注入和生产井，能够从岩层中回收这种被解吸的被吸附物。

如果气态流体混合物在含有二氧化碳的岩层内被分离，例如，废气，那么被解吸的被吸附物将富集在二氧化碳中。如果混合气体包括氧气，例如，空气，那么被解吸的被吸附物将富集在氧气上。回收的被解吸的被吸附物能够再次注入到固体含碳地下岩层中。例如，如果含有二氧化碳的气态流体混合物在固体含碳地下岩层中分离，那么回收的被解吸的被吸附物将富集在二氧化碳中。富集在二氧化碳中的回收的被解吸的被吸附物将被用来提高从固体含碳地下岩层中回收甲烷。

希望将较强流体保持在岩层中。在这种情况下，作用在岩层上的压力不会下降，而且固体含碳地下岩层中的含碳母岩的吸附能力不再恢复。另外，在总压力没有降到使不希望的组分，如二氧化碳、硫化氢、或一氧化碳，如果存在的话，被解吸出来，并从母岩中释放出来的地步，岩层中的含碳母岩的吸附能力就有部分不再恢复。

总之，在流体的气态混合物分离的过程中所使用的压力是这样选择，以便确定分离流体的最佳条件。一般来说，使用的压力愈高，被岩层内的含碳母岩吸附的气态流体就愈多。对于所给的体系，残液从该体系中排除愈快，残液中含有相对较强吸附流体的百分比就愈高。

如果所分离的混合流体中包括较高比例的氮，那么最后的残液将富集在氮上。例如，含有较大比例的氮的混合气体包括空气和废气。使用从这些混合气体中产生的富集氮的残液，有助于从固体含碳地下岩层中回收甲烷。认为脱水将降低潜在的腐蚀问题，能导致用来将废气注入到岩层中的注入装置和井口的腐蚀。

在高于岩层内的储层压力时，将富集氮的残液注入到固体含碳地下岩层中。优选地，压力约在3,447,378-10,342,136帕斯卡、高于岩层内的油层压力时，注入富集氮的残液。如果注入压力低于或等于储层压力，那么将不能注入富集氮的残液，这是因为它不能克服储层压力。富集氮最好在低于固体含碳地下岩层的分压下注入。如果注入的压力太高且岩层彻底破裂的话，富集氮的残液就有可能损失，并且生产的甲烷少。

然而，根据对其它储层的研究，认为在压力高于岩层分压力时，只要所引起的裂缝不从注入井到生产井延伸，就可以将富集氮的残液注入到岩层中。实际上，在压力处在岩层分压以上时，为了达到充分的注入和/或回收率，需要进行注入，从而使工艺经济，或者在其它的情况下，为了达到改进投资结果也可以需要注入，当能够做而不放弃全部的操作。岩层内引起的裂缝长度的一半约小于注入井和生产井之间的距离的20％-30％。另外所引发的裂缝最好保持在岩层内。

回收甲烷的重要参数，如裂缝半长、裂缝方位、和高度生长，能够通过已知的岩层模拟技术来测定。这些技术被公开在石油工程师协会专题论文辑、1989年、第12册、第25-29页和第76-77页中由John L.等人著的水力碎裂煤层最新动态中；和1978年的石油工程师协会技术年会和德克萨斯州休斯敦10月1-3日举办的展览会上所介绍的、由Schus-ter，C.L.撰写的“探测井口由水力碎裂煤层所产生的地震信号”论文SPE7448。另外，通过压力瞬变状态分析仪和天然气层流动模型的结合，能够确定裂缝半长和冲击的方向，所述模型被公开在石油工程师协会第69次技术年会、由N.Ali等人撰写的论文SPE“挪威Valhal矿区的裂缝分压以上注入作用方向”和1991年10月6-9日德克萨斯州达拉斯举办的石油工程师协会的展览会。同时认为以上的参考文献描述了一种用于通过在裂缝分压以上注入水来提高油的回收的方法，同时认为在SPE22893中所述方法和技术适用于从固体含碳地下岩层中增加回收甲烷。

总之，固体含碳地下岩层愈深，将富集氮残液注入到岩层中所需要的压力就愈高。通常注入的压力在2,757,903-13,789,514帕斯卡，就足以将富集氮残液注入到希望回收甲烷的大部分的岩层中。

通过与岩层流体连通的注入井，将富集氮残液注入到固体含碳地下岩层。注入井优选渗透到含甲烷的岩层中，但只要在岩层与注入井之间流体连通，注入井就不需要渗透到含甲烷的岩层中。富集氮残液的注入可以采用连续方式或间歇方式进行。注入的压力可保持在稳定的压力或变化的压力。

从与岩层流体连通的生产井中回采含甲烷的流体。正如注入井一样，生产井最好渗透到含甲烷的岩层中去，但只要在岩层与生产井之间流体连通，生产井就不需要渗透到岩层中去。用与传统的煤层甲烷回收井一样的方法来使用所述生产井或井。在通过那个生产井回收含有甲烷的流体的过程中，希望使生产井中的背压处于最低。生产井中背压的降低将有助于含甲烷的流体从岩层运动到井口。

生产井优选这样使用，以便靠近甲烷生产岩层附近的井口位置的生产井中的压力低于岩层中原始储存压力。靠近甲烷生产岩层附近的井口位置处在井口范围内，而不在岩层中。原始储存压力是一个在富集氮残液注入到岩层中之前的那段时间生产井附近的储存压力。在注入富集氮残液的过程中，储存压力有可能提高，但认为生产井中靠近岩层的压力最好保持在低于原始储存压力。这样将增强流体从岩层运动到井口。生产井中靠近甲烷生产岩层井口处的压力最好低于约2,757,903帕斯卡。

在一些实施例中，生产井井口中的背压是优选的，例如，当最理想的是保持较高的储存压力，以便使周围的含水层流入到岩层中的水的流入量最少。流入岩层中的水的流入量将能够降低甲烷的回收率，并使生产井的施工变得复杂。

另一种能够更好的保持生产井的井口背压的情况是在有关井孔附近或井孔内的岩层内固体和/或液体的沉积和/或冷凝的时候。井孔附近或井孔内的岩层内固体和/或液体的沉积和/或冷凝，将使生产井中甲烷回收率降低。可能沉积或冷凝在井孔附近之外并存在一个问题的材料是含吸着油的蜡，所述吸着油可在母岩层中流通并流向生产井。认为生产井的井孔内的高压将使这种井孔附近或井孔内的固体或气体的沉积和/冷凝降到最低。因此，如果井孔内的沉积和冷凝成为一个问题的话，那么将生产井的井孔内的压力提高到象实际使用的那样高的压力可能更好。

生产井中的甲烷回收率增长的时间和增长量将取决于许多因素，这些因素包括，如井间距、固体含碳地下岩层的厚度、层理孔隙、注入压力和注入速度、注入的流体组分、所吸附的气态流体组分、储存压力、岩层的渗透性、和注入富集氮残液之前的甲烷总量。

当使前述的参数保持不变时，生产井和注入井之间的距离较小将导致可探测到的生产井的反应(甲烷回收率的提高和富集氮残液注入到岩层中之前的较短的时间)，比注入井和生产井之间距离较大的反应要快。当将井分开时，甲烷回收率迅速提高的要求与其它的因素相平衡，这些因素如当使用缩短的井间距时的早期氮临界点，和从所给定间距的岩层中将甲烷解吸出来所使用的富集氮残液的量。

如果需要，本发明所生产出来的甲烷能够与同时产生的气态流体相分离，如氮或氮和任一气体的混合物或被注入的或从固体含碳地下岩层中产生的气态流体。当然，这种同时产生的气态流体将包括与甲烷一起的任何自然发生在固体含碳地下岩层中的气态流体。这些与甲烷一起自然发生的气态流体通常被称作煤层甲烷。这些自然产生的气态流体包括、如硫化氢、二氧化碳、乙烷、丙烷、丁烷和少量的重烃。如果需要，本发明所生产的甲烷能够与来自含有少量杂质中的甲烷相混合。

                    实施例1

本实施例表示各种解吸流体注入到煤层中以便有助于从煤层中回收甲烷时的预测的煤层曲线。在本实施例中，注入是在年点开始的。该实施例中所有的解吸流体在13,789,514帕斯卡的注入压力下，被注入到煤层中。注入到岩层中的解吸流体包括：

纯氮；

含有体积百分比为85％的氮和体积百分比为15％的二氧化碳的废气；

等摩尔二氧化碳和氮的混合物；

含有体积百分比为85％的二氧化碳和体积百分比为15％的氮的解吸流体；和

纯二氧化碳。

图1-7所表示的数据，是通过所设计的模型产生的。所设计的模型是为了描述一个3.05米厚且在垂直和水平方向上均匀的假定煤层。用曲线表示的数据被校正为温度15.6℃、压力101,353帕斯卡。假定的煤层具有下列性能：

渗透性＝10毫达西；

孔隙度＝0.5％；

在注入解吸流体之前，储层压力为10,342,136帕斯卡；和储层温度＝46.1℃。

所述煤层被甲烷饱和，且由生产井所消耗的区域为186,155平方公里的岩层。在该模型中，假定生产井由四个注入井围绕着，这些注入井布置在五处岩层中。假定每个注入用相同的方法作用于生产井且生产井中的四分之一的反应归因于给每个注入井。被注入到岩层且由生产井排出的累积的解吸流体来自四个注入井。每个注入井贡献四分之一总的所注入的解吸流体。图1-7表示了预测的气态流体回收率(每天一千标准立方米(MSCM/Day))和表示累积的气态流体回收(百万标准立方米(MMSCM))。

所使用的模型是通过二维Virial状态方程式来设计。对Virial状态方程式的说明和怎样使用它们来制造与本发明人所使用的模型类似的模型，该模型公开在DeGance，“碳物质上的多组分高压吸附平衡：理论和数据”流体相平衡，78年第99-137，(1992)Elsevier科技出版社B.V.，阿姆斯特丹；这里引入以作为参考。

从图1和5中能够看到，在解吸流体开始注入之后的一段延续的时间，生产井中的所回收的流体中的二氧化碳保持在低于注入的解吸流体所含二氧化碳的体积百分比。所回收的流体中的二氧化碳体积百分比开始增长的时间大约与所回收的流体中的甲烷体积百分比开始下降的时间相同。从图2和5中能够看到，岩层中所含甲烷的实际百分比到所回收的流体中的二氧化碳体积百分比增加到所注入的解吸流体中的二氧化碳体积百分比以上时候已经回收。另外，由于甲烷可以用来将二氧化碳与甲烷、氮和其它流体经济地分离，能够将二气化碳与从生产井中回收的流体分离，并将其反向注入到煤层和/或附近的其它煤层。

图1-7也显示了在二氧化碳与从生产井中回收的流体中的其它注入的解吸流体组分的比值，达到二氧化碳与所注入的解吸流体内所含的其它注入的解吸流体组分的比值之前，从生产井被排放的区域能够回收到的甲烷的实际百分比。

应该注意，由于在上述的例子中的模型和下面实施例是理想化的，没有考虑到实际的固体含碳地下岩层中存在的不均匀性。因此，这个模型和实施例2和3中描述的模型不能预测岩层内所可能发生的条痕。然而，与前述的岩层内的条痕的减少一起公开的实施例，能够使普通专业技术人员实现本发明。

                    实施例2

本实施例表示含有二氧化碳的解吸流体注入到煤层中以便提高从煤层中回收甲烷时的预测的煤层曲线。在本实施例中，解吸流体的注入是在四年取尽之后开始的。本实施例中所有的解吸流体在13,789,514帕斯卡的注入压力下，穿过具有表层-3的注入井，被注入到煤层中。该生产井的井下生产压力为689,476帕斯卡，和表层-3。表层是井孔岩层附近的渗透性的范围。正表层表示井孔附近的损耗，负表层表示井孔附近的促进作用。注入到岩层中的解吸流体包括：

纯二氧化碳；和

含有体积百分比为70％的二氧化碳和体积百分比为30％的甲烷的解吸流体。

图11-18所表示的数据，是通过所设计的模型产生的。所设计的模型是为了描述一个15.24米厚且在垂直和水平方向上均匀的假定煤层。用曲线表示的数据被校正为温度15.6℃、压力101,353帕斯卡。假定的煤层具有下列性能：

渗透性＝5毫达西；

在注入解吸流体之前，储层压力为10,342,136帕斯卡；和

储层温度＝46.1℃。

所述煤层被甲烷饱和，且由生产井所消耗的区域为647,497平方公里的岩层。在该模型中，假定生产井由四个注入井围绕着，这些注入井布置在五处岩层中。假定每个注入用相同的方法来影响生产井和生产井中的四分之一的反应归因于每个注入中。被注入到岩层且由生产井排出的累积的解吸流体来自四个注入井。每个注入井贡献四分之一总的所注入的解吸流体。

所使用的模型是通过延伸的Langmuir等温吸附线模型来设计。对延伸的Langmuir等温吸附线模型的说明和怎样使用它来制造与本发明人所使用的模型类似的模型，该模型公开在石油工程师协会1992年公布的SPE24363，第459-472页上、由L.E.Arri等人撰写的“二元气体吸附作用的模型化的煤层甲烷生产”论文；这里引入以作为参考。本实施例表明在一些普通专业技术人员所知道的情况下，包括二氧化碳和甲烷的解吸流体有助于从固体含碳地下岩层中回收甲烷，特别是在将甲烷从所回收的废气流中分离的成本太高的情况下。在这种情况下，将流体重新注入到吸附二氧化碳组分流并允许甲烷穿过回收用的生产井的岩层。

                    实施例3

本实施例所使用的模拟技术和参数与实施例2中使用的相同。但是在本实施例中，使用了没有饱和的煤层，并将具有15％体积百分比的二氧化碳和85％体积百分比的氮的混合气体注入到煤层中。气态流体的注入在零点开始。图8-10所示例子表明在含有二氧化碳和氮的气态流体注入到岩层中时，固体含碳地下岩层能有效地提供富含氮的流体。该模型预计在图8-10所示的全部过程中，所回收的流体中的含氮体积百分比将是100％；在图8-10所示的全部过程中，所回收的流体中的含二氧化碳体积百分比将增加到0.01％以上。

认为在空气通过注入井被注入到岩层中，并通过生产井排出时，固体含碳地下岩层也将提供一种富含氮的流体。

根据以上所述，将看到许多变化、改进和修改对于普通专业技术人员来说是显而易见的。因此，这种描述仅仅是根据图示来进行，并用于指导普通技术人员实施本发明的方法。对于本申请中所述的可以进行变化，材料可以替换。例如，认为化学吸附到岩层中的含碳物质的气态流体可以在岩层中，利用处理岩层内的较强吸附流体相类似的处理方法进行处理。

这样，在不脱离由权利要求书所限定的本发明的范围内可以做出各种修改、替换和改变等。当然所有这些修改都落入所附加的权利要求书中。

Claims (16)

1.一种从由注入井和生产井穿过的固体含碳地下岩层中回收甲烷的方法，该方法包括下列步骤：

a)将具有二氧化碳与其它注入的解吸流体组分的体积比等于B的解吸流体，通过注入井注入到岩层中；

b)通过生产井从岩层中将包括甲烷和二氧化碳且二氧化碳与其它注入的解吸流体组分的体积比低于B的废气抽出；和

c)在步骤b)中，所抽出的气态流体内的二氧化碳与其它注入的解吸流体组分的体积比大于0.5B时，就停止从岩层中抽气态流体。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于固体含碳地下岩层包括至少一个煤层。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于所注入的解吸流体包括废气。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于所注入的解吸流体包括49％体积百分比以上的二氧化碳。

5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于所注入的解吸流体包括甲烷和二氧化碳。

6.一种用于将煤层中的气态流体混合物分离的方法，该方法包括下列步骤：

a)将含有较弱吸附流体组分和较强流体组分的气态流体混合物注入到煤层中；和

b)从岩层中回收富集在较弱吸附流体组分上的残液。

7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于在步骤b)的过程中确定的总压力，该方法还包括：

c)降低煤层上的总压力，以便使富集在较强吸附流体组分上的吸附物从煤层上解吸出来；和

d)至少将一部分被解吸的吸附物从煤层中取出。

8.根据权利要求6所述的方法，进一步包括：

c)通过注入井，将残液注入到第二个煤层中；和

d)从第二个煤层中回收甲烷。

9.根据权利要求6所述的方法，其特征在于输入到步骤a)煤层中的气态流体混合物包含废气，从煤层中回收的残液富含氮。

10.根据权利要求6所述的方法，其特征在于步骤b)中回收的残液中包括甲烷。

11.根据权利要求6所述的方法，其特征在于输入到步骤a)煤层中的气态流体混合物包括甲烷和二氧化碳。

12.一种用于处理固体含碳地下岩层内的不良气态流体组分的方法，该方法包括下列步骤：

a)将包括不良气态流体组分的气态流体注入到岩层中，以便将不良气态流体吸附到岩层中；和

b)保持岩层处理条件，以确保吸附在岩层上的不良气态流体组分的处理饱和度保持在至少10％。

13.根据权利要求12所述的方法，其特征在于吸附在岩层上的大约40-80％体积百分比的不良气态流体组分，在一年之后仍吸附在岩层上。

14.根据权利要求12所述的方法，其特征在于固体含碳地下岩层是可回收甲烷贫化的。

15.根据权利要求14所述的方法，其特征在于不良气态流体组分包括二氧化碳。

16.根据权利要求14所述的方法，其特征在于步骤b)中所注入的气态流体包括废气，而且吸附在岩层上的不良气态流体组分选自氧化氮、氧化硫、和它们的混合物。

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