CN1137816A - 通过减少生产气体中惰性气体的馏分回收煤层甲烷的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种减少在通过把惰性气体注入到固体碳质地下层生产的含甲烷的混合物中存在的惰性气体馏分体积百分比的方法。该方法通过停止注入惰性气体或者通过减少惰性气体的注入速度来减少惰性气体馏分。本发明也公开了另外的方法，其中从一个以上的井生产的气体混合物的惰性气体体积百分比可以保持在低于从至少一口井得到的气体中存在的惰性气体体积百分比。
Description
本发明一般涉及减少在含甲烷的气体混合物中存在的惰性气体浓度的方法。更具体地说，本发明涉及减少通过将惰性气体注入象煤层这样的体混合物中存在的惰性解吸甲烷气体的浓度的方法。
人们认为甲烷是由使有机物质转化成象煤和页岩这样的固体碳质地下物质的各种热过程和生物过程产生的。当以这种方式生产甲烷时，碳质固体和甲烷分子之间的相互吸引，常常使大量甲烷仍然与水和少量其它气体一起，被截留在该碳质固体中，所述其它气体可以包括氮气、二氧化碳、各种轻质烃、氩和氧。当截留的固体是煤时，可以从煤中得到的含甲烷的气体混合物，一般至少含约95％(体积)甲烷并且被称做‘煤层甲烷’。全世界煤层甲烷的储量是巨大的。
煤层甲烷已经成为天然气组成中的甲烷的重要来源。通常，通过在有生成煤层的一层或多层含甲烷煤层的地下煤层中钻井来回收煤层甲烷。周围的煤层压力(‘储藏压力’)和井筒之间的压差提供使煤层甲烷流进井筒的驱动力。遗憾地是，这个压力减少也减少了使甲烷流进井筒所需的驱动力。从而，随着时间的推移，煤层压力消耗使效力变小，一般认为只能够回收其中所含甲烷的约35-50％。
在Puri等人的U.S.P 5,014,785中公开了一种生产煤层甲烷的改进方法。在这个方法中，解吸甲烷的气体例如惰性气体通过注入井注入象煤层这样的固体碳质地下层中。同时，从生产井中回收含甲烷气体。解吸气，优选的是氮气，减少煤层压力的消耗，认为其通过减少该层中甲烷的分压而使甲烷从煤层中解吸出来。近来的试验证明，这个方法使煤层甲烷的生产率增加，认为可回收的甲烷的总量可高达80％以上。
正如由此处所包括的实施例所证明的那样，长期将惰性气体注入地层，可导致生产的含甲烷气体中，惰性气体的体积百分数一般随时间而增加。这样的结果是不希望的，因为在生产的含甲烷混合物可送入天然气管道以前或以其它方式被利用之前，可能需要减少在该混合物中注入的惰性气体的浓度。
所需要的是从固体碳质地下层中回收甲烷的改进的方法，该方法提供含尽可能少的注入的惰性气体的含甲烷气体，以减少与从生产的含甲烷气体混合物中除去注入的气体有关的成本。
所描述的本发明的各方面都利用了我们的发现，即通过将惰性解吸甲烷气体注入固体碳质地下层中所生产的含甲烷气体中存在气体的百分数，可以通过暂时停止注入惰性气体或通过减少惰性气体注入速率而减少(以体积百分数计)。
生产的含甲烷混合物的惰性气体具有重大的经济意义。生产的气体混合物中惰性气体的存在减少甲烷含量，从而减少给定体积的生产的气体混合物的燃料价值。另外，在某些情况下，将需要减少生产的气体混合物中惰性气体的量，以便该混合物可以用于化学过程或送到天然气管道。暂时停止惰性气体注入，以减少生产的含甲烷气体混合物中存在的惰性气体的体积百分数，从而可通过减少从生产的混合物中除去惰性气体的需要，来减少操作费用。
人们认为，在一些情况下，通过减少惰性气体注入该地层中的速率，可以简单地得到类似于通过停止惰性解吸甲烷气体注入所得到的有利作用。通过交错停止或减少注入多口井中的惰性气体可以得到另外的好处，以致来自这些井的产物可以混合，以得到含惰性气体的平均体积百分数低于用其它方式从在其中注入流量的变化不随时间交错的井中得到的混合物。
本发明的第一方面涉及减少在由固体碳质地下层生产的含甲烷气体混合物中存在的惰性解吸甲烷气体的量的方法，该方法包括把惰性解吸甲烷气体注入地下层的步骤；停止注入解吸甲烷；在至少部分注入步骤期间，由该层回收第一部分含甲烷气体混合物，所说的混合物的解吸甲烷气体的体积百分数为Y％；在完成停止步骤之后，由该层回收第二部分含甲烷气体混合物，所说的第二部分气体的解吸甲烷气体的体积百分数小于Y％。
此处所用的术语“固体碳质地下层”指的是任何含有与显著量的固体有机物质结合的甲烷的地下地质层。固体碳质地下层包括煤层和页岩层，但是不限于此。
此处所用的术语“解吸甲烷惰性气体”指的是任何含有大于50％(体积)的相对惰性气体的气体或气体混合物。相对惰性气体是这样一种气体，即促使甲烷从固体碳质地下层脱附而没有很强的吸附到该层中存在的固体有机物质上或者另外与固体有机物质有任何显著程度的化学反应的气体。有关的惰性气体的例子包括氮气、氩气、氦等以及这些气体的混合物。不认为是相对惰性气体的强吸附气体的例子是二氧化碳。
术语“解吸甲烷气体体积百分数”指的是恰好在注入解吸甲烷气体的给定的地方在生产的含甲烷气体混合物中发现的惰性解吸甲烷气体的体积百分数。应该注意的是，如果使用多组分解惰性吸甲烷气体，该气体的某些组分可能在生产的气体中在别的组分之前或以变化的比例出现。在这种情况下，惰性解吸甲烷气体体积百分数指的是在生产的气体中实际存在的所有惰性气体组分的总数。如果该层产生与注入到该层中的一种或者多种组分相同的任何天然产生的惰性气体组分的话，该天然产生的组分部分应该从测定由于注入惰性气体产生的解吸甲烷气体体积百分数的检测量中减去。
此处所用的术语“回收”的意思是气体的控制收集和/或配置，例如把该气体储存在罐中或者通过管道分配该气体。
本发明的第二方面涉及减少在由固体碳质地下层生产的含甲烷气体混合物中存在的惰性解吸甲烷气体的量的方法，该方法包括把惰性解吸甲烷气体以第一速度注入地下层的步骤；减少解吸甲烷气体的注入速度到第二速度；由该层回收第一部分含甲烷气体混合物，同时以第一速度注入惰性气体，所说的混合物的解吸甲烷气体的体积百分数为Y％；由该层回收第二部分含甲烷气体混合物，同时以第二速度注入惰性气体，所说的第二部分气体的解吸甲烷气体的体积百分数小于Y％。
本发明的第三方面涉及减少在由一个或者多个固体碳质地下层生产的含甲烷气体混合物中存在的惰性解吸甲烷气体量的方法，该方法包括把第一惰性解吸甲烷气体以第一速度注入第一层位置；减少第一解吸甲烷惰性气体的注入速度到第二速度；在至少部分减少步骤期间从第一生产井回收第一部分含甲烷气体混合物，所说的混合物的惰性解吸甲烷气体的体积百分数为Y％；把第一部分含甲烷气体混合物与第二部分含甲烷气体混合物混合，生成解吸甲烷气体的体积百分数小于Y％的第三部分含甲烷气体混合物。
如此处所用的，“地层位置”指的是固体碳质地下层内的位置，可以向该位置注入惰性解吸甲烷气体，以增加从与气体注入的那个位置流通的生产井生产含甲烷气体的量。惰性气体一般地从表面通过一个或者多个钻入到该地层的注入井注入到这样一个位置。
在上述的本发明的每一方面中，优选的固体碳质地下层是煤层。如此处所用的术语“煤层”指的是含有甲烷的并且注入的气体可以通过其扩散的单一煤层或者许多煤层。
在其它优选的本发明的实施方案中，惰性气体的注入增加从固体碳质地下层例如煤层由标准初始生产速度到提高的生产速度含甲烷气体混合物的产量。
此处所用的术语“标准初始生产速度”指的是为了增加井的生产速度，解吸甲烷的气体流过井以前，此刻的实际的或者预测的生产井的含甲烷气体的生产速度。可以建立标准初始生产速度，例如，使井按压力递减井恰恰在惰性气体注入之前操作一比较短的时间。然后可以通过把在该压力递减操作期间的生产速度平均来计算标准初始生产速度。如果使用该方法，该井优选应该已操作足够长的时间，使生产速度的瞬时变化不超过平均生产速度的约25％。优选的是通过维持固定的操作条件例如在固定的井底流动压力很小或者没有流量的条件下操作，来确定标准初始生产速度。另外，如在此详细讨论的那样，可以根据储藏参数来计算标准初始生产速度，或者在其它情况下由本领域普通技术人员来计算。
此处所用的，对于给定的井，“提高的生产速度”是大于标准初始生产速度的任何生产速度，该速度是通过把惰性解吸甲烷气体注入到地层中产生的。在大多数情况下，人们认为，在停止注入惰性解吸甲烷气体或者减少惰性气体注入速度之后，在相当的一段时间该井提高的生产速度仍将大于该井的标准初始生产速度，因此，在减少解吸甲烷的气体体积百分数的情况下仍有一定的提高产率的优点。此处所用的术语“充分提高的生产速度”指的是在给定的注入速度下通过连续地注入惰性解吸甲烷气体到该地层中所产生的最大的稳定的生产速度。
图1是按照本发明操作的中型试验装置的总的气体生产速度和在生产的气体中存在的氮气的体积百分数的曲线图；
图2是按照本发明操作的井的总的气体生产速度和惰性解吸甲烷气体体积百分数随时间变化的曲线图；
图3是按照本发明操作的一对井的单个的和组合的总的气体生产速度和惰性解吸甲烷气体体积百分数随时间变化的曲线图；
下面的详细描述介绍了本发明的几种方法。每一种方法都利用了我们的意外的发现，即在通过把惰性解吸甲烷气体注入到地层中生产的含甲烷气体混合物中惰性解吸甲烷气体体积百分数可以通过停止注入惰性气体或者减少惰性气体的注入速度来降低。
下面的解释性的本发明的实施方案仅仅是说明性的。而这些方案中的很多方案是其中把氮气注入到煤层的方法，所介绍的这些方案不是要限制所用的注入的气体的类型或者是含甲烷的地层的类型，向该地层可以注入超过在所附的权利要求中列举的气体范围。
本发明的每一个实施方案都需要首先把惰性解吸甲烷气体注入到固体含碳地层例如煤层中。一般地通过一口或者多口与终端连接地层或与该地层流体连通的注入井把解吸甲烷的气体注入到地层中。
适用于本发明的惰性解吸甲烷气体包括任何的含有大于50％(体积)的相对惰性气体的气体或者气体混合物。相对惰性气体是促使甲烷从固体含碳地层中脱附，而没有明显地吸附到地层中存在的固体有机物质上或者另外与固体有机物质反应的气体。相对惰性气体的例子是氮气、氩气、空气、氦气等以及这些气体的混合物。不考虑相对惰性气体的强吸附的气体的例子是二氧化碳。
在此处所用的术语“空气”指的是含有至少15％的氧气(体积)和至少60％(体积)的氮气的任何的气体混合物。优选地，“空气”是在井位找到的并且含有约20--22％(体积)的氧气和78--80％(体积)的氮气的常压气体混合物。
虽然大气是适用于本发明的便宜且丰富的惰性气体，但是氮气的体积百分数大于空气中存在的体积百分数的富氮气体，例如氮气的体积百分数大于约80的贫氧大气是优选的惰性解吸甲烷气体。如果可以得到的话，虽然可以使用氧气和很小反应活性的气体的其它气体混合物，但是生产富氮气体的优选的原料是大气。可以通过利用或者混合由例如含氮的低BTU天然气的低温改性这样的方法得到的气体来生产这样的其它的气体混合物。
优选的是，注入的气体含有至少90％(体积)的氮气，但是最优选的是大于95％(体积)的氮气。由含氮气的气体的混合物生产富氮气体的很多技术是本领域公知的。三种合适的技术是膜分离、压力回转吸收和低温分离。应该注意，如果非常压空气这样的原料足以得到的话，也可以利用这些方法中的每一种方法从非常压空气这样的原料生产其它合适的惰性解吸甲烷气体和其混合物。
如果利用膜分离技术由空气生产富氮混合物的话，应该在压力下，优选以足以生产具有氮与氧的体积比至少为9∶1的贫氧的气体物流的速度引入到膜分离器装置。能够从氮气分离氧的任何的膜分离器装置都可以用于该目的。一种这样的膜分离器是从Niject Services Co.of Tulsa，Oklhoma买到的NIJECT装置。其它的合适的装置是从Generon Systems ofHouston，Texas买到的GENERON装置。
膜分离器例如NIJECT和GENERON装置一般地包括压缩空气的压缩机部分和分馏空气的膜部分。NIJECT和GENERON装置的膜部分都用空心纤维膜束。选择膜束，相对的更易渗透到在第一气体分馏段例如氧气所需要的气体中，并且相对的不易渗透到在第二气体分馏段例如氮气、二氧化碳和水蒸汽所需要的气体中。把入口空气压缩到合适的压力并且通过纤维或者纤维的外面。
在NIJECT分离器中，空心纤维外面的压缩空气提供能量，使氧气、二氧化碳和水穿过空心纤维，而贫氧的氮气留在纤维的外面。富氮的物流在入口压力约为3.45×105Pa或更高的高压下，一般也在至少6.89×105Pa的压力下离开装置。
在GENERON分离器中，压缩空气通过空心纤维的里面。其提供能量，使富氧的空气穿过纤维壁。在纤维的外面的富氮气体在压力约为3.45×105Pa或更高的高压下，一般也在至少6.89×105Pa的压力下离开分离器。
因为富氮气体必须注入到一般有周围储藏压力约为3.45×106Pa--1.37×107Pa的地层中，所以优选使用在尽可能高的排放压力下排放贫氧空气的膜分离器。因为这可以减少其后的气体压缩费用。
像刚讨论的这些膜分离器，一般的入口操作压力约为3.45×105Pa--1.72×106Pa，优选约6.89×105Pa--1.37×107Pa，其流速要足以减少富氮物流的氧含量到氮与氧的体积比约为9∶1--99∶1。在一般的分离器操作条件下，膜系统使用较高的压力来增加气体速度并且使得气体更快的通过系统，因此降低了膜的分离效果。相反地，较低的空气压力和流速提供更多的贫氧物流，但是其速度较低。优选的膜分离器操作速度要足以提供含约2--8％(体积)氧的贫氧物流。当在足以生产含约5％(体积)的氧的贫氧馏分的速度下加工含约20％(体积)的氧的常压空气时，富氧的空气馏分一般地含有约40％(体积)的氧。在这些条件下，富氮物流一般在低于约1.37×106Pa的超常压下离开膜分离器。
通过压力回转吸附方法也可以从空气生产解吸甲烷的富氮气体。该方法一般地需要在压力下把空气注入到吸附剂物料床，该吸附剂物料床优先吸附氧而超过氮。连续注入空气直到床层物料达到所需要的饱和度。可以通过例行试验测定床层所需要的吸附饱和情况。
一旦达到床层所需要的吸附饱和度，就降低床层的总压来再生该物料的吸附能力，因此使得富氧过程物流脱附。如果需要，在重新开始循环吸附之前可以吹洗该床层。用这种方法吹洗该床层，保证在下一个吸附周期富氧残气尾不降低床层的吸附能力。优选的是使一个以上的物料床，以便一个物料吸附床吸附，而其它物料吸附床降压或者吹洗。选择吸附和脱附周期所用的压力和吸附分离器所用的压力降，以便使氮与氧的分离最佳化。吸附分离器所用的压力降是吸附周期所用的压力和脱附周期所用的压力之间的压差。当确定要用的压力时，认为把注入的空气增压是很重要的。
在吸附周期除去富氮物流的流速必须高到足以提供适当的流速，而低到足以使空气的组分适当的分离。一般地，调整空气注入的速度，与以前的参数一起，使回收的富氮物流的氮与氧的体积比约为9∶1--99∶1。
一般地，所用的入口压力越高，更多的气体可能被床层吸附。另外，贫氧气体物流从系统中除去的越快，气体物流中氧的含量越高。一般的，优选在足以提供富氮气体中含约2--8％(体积)的氧的速度操作压力回转吸附分离器。以这种方法，可以最大限度地生产富氮气体并且同时在把富氮气体注入到地层中时得到无疑的好处。
各种吸附剂物料都适用于压力回转吸附分离器。特别有用的吸附剂物料包括碳质物料、氧化铝基物料、氧化硅基物料和沸石物料。这些物料类的每一种物料包括特征在于物料组成、活化方法和吸附选择性的许多种不同的物料。可以使用的物料的具体的例子是硅铝酸钠组合物沸石例如4A-型沸石和RS-10(Union Carbide Corporation制造的沸石分子筛)、碳分子筛和各种形式的活性碳。
由空气制备富氮气体的第三种方法是低温分离。在该方法中，空气首先液化，然后蒸馏分成氧馏分和氮馏分。虽然例行的低温分离可以生产在其中含氧低于0.01％(体积)的氮馏分和含氧70％(体积)或更高的氧馏分，但是该方法极耗费能量，因此很昂贵。当这样的物流用于从含甲烷的地层提高甲烷回收率时，不认为因为在富氮气体中存在很少体积百分数的氧是有害的，一般地通过低温分离生产的比较纯的氮馏分通常将不是费用合理的。
生产适合的惰性气体混合物的其它方法是本领域的技术人员已知的。当选择惰性解吸甲烷气体时要考虑的事情包括：在注入的位置或者接近注入的位置气体的可获量、生产该气体的成本、要注入的气体的量、由给定体积的惰性气体从固体含甲烷物质置换的甲烷的体积和把从地层收集的甲烷和惰性气体的混合物分离的费用和易分离的情况。
必须在高于储藏压力且优选低于地层的破裂压力的压力下把惰性解吸甲烷气体注入到固体碳质地下层。如果注入的压力太低，就不能注入该气体。如果注入的压力太高和地层裂缝，该气体可能通过裂缝损失。鉴于这些考虑和在一般的地层中遇到的压力，解吸甲烷的气体一般地要用压缩机压缩到约2.76×106--1.37×107Pa，然后把该物流通过一个或者多个在该地层的终端或者与该地层流体连通的井注入到该地层中。
在某些情况下，如果没有从注入井扩展到生产井的压裂裂缝，可能需要在高于地层破裂压力的压力下把解吸甲烷的气体注入到地层中。高于地层破裂压力的注入压力可能导致另外的裂缝，这就增加了地层的可注入性，依次就可以增加甲烷的回收速率。优选地是，通过在高于地层破裂压力的压力下的注入诱发的地层裂缝的裂缝一半的长度小于注入井和生产井的井距的约20％--30％。另外，优选地是，该诱发的裂缝不应该扩展出该地层。
甲烷回收的重要的参数例如裂缝的半长度、方位和高度增长可以用本领域已知的地层模拟技术来测定。这样的技术在下述文献中作了讨论：John L. Gidley，et al.，Recet Ad-vances in Hydraulic Fracturing，Volume 12，Society of PetroleumEngineers Monograph Series，1989，pp.25--29和pp.76--77；和Schuster，C.L.，“Detection Within the Wellbore of SeismicSinals Created by Hydraulic Fracturing，”paper SPE 7448 pre-sented at the 1978 Society of Petroleum Engineers AnnualTechnical Conference and Exhibition，Houston，Texas，October1-3。另外，裂缝半长度和定向效果可以利用例如下文介绍的压力瞬态分析和储藏流动模拟一起来评估，见paperSPE 22893，“Inlection Above Fracture Parting Pressure pilt，.al-hal Field，Norway，”by N.Ali et al.，69th Annual Technical Con-ference and Exhibition of the Society of Petroleum Engineers，Dal-las，Texas，October 6-9，1991。虽然要注意到，上述参考文献介绍了通过在地层破裂压力以上注水提高油采收率的方法，但是可以认为在SPE 22893中讨论的方法和技术可以用来提高从固体碳质地下层例如煤层的甲烷回收率。
用于本发明的惰性气体的注入速度可以经验确定。一般的注入速度可以约为8.5×103--4.25×104标准立方米/天，优选较高的注入速度。可以连续或者间断地把解吸甲烷的气体注入地层，虽然一般地优选连续注入。注入压力可以保持常量或者改变，优选比较固定的压力。
惰性气体注入到地层中一般地要提高甲烷从地层的生产量。从生产井回收甲烷的速度增加的时限和量将取决于很多因素，包括例如井间距、煤层厚度、煤的内生裂隙的孔隙度、注入压力和注入速度、注入的气体组成、吸附的气体组成、地层压力和惰性气体注入前甲烷的累积生产量。
在大多数情况下，通过与注入井连通的一个或者多个生产井从固体碳质地下层回收含甲烷的气体混合物。优选地，生产井尾接于一个或者多个含甲烷的层，例如位于煤层内的煤层。虽然内层终止较好，但是只要地层的含甲烷部分和生产井连通，生产井不需要尾于该层。在很多情况下，要优先操作一个以上的生产井连同一个或者多个注入井。生产井按照常规的煤层甲烷回收井的操作方法操作。在某些情况下，优选的是在尽可能小的回压下操作生产井，以促进从井回收含甲烷的流体。
人们认为，在惰性气体注入期间，注入井和生产井的井距影响从生产井回收的气体的数量和质量。所有的参数是常数时，较小的注入井和生产井的井距一般的会使甲烷的回收速度增加，并且使得在生产井出现注入的惰性气体的时间缩短。当布井时，迅速增加甲烷生产速度的客观需要必须与其它的因素例如早期惰性气体在回收的气体混合物中的透过情况相平衡。
如果井眼之间的井距太小，注入的气体将通过地层到生产井，而没有有效的用来解吸碳质基岩中的甲烷。
在大多数的情况下，注入井与生产井的布置要间隔3.05×101--3.05×103米，一般的间隔3.05×102--1.52×103米。人们认为，在远隔的生产井的情况下，注入的气体对生产速度的作用一般的随着注入井与生产井的井距的增加而降低。
优选的是，从生产井回收的含甲烷的气体混合物一般地要含至少65％(体积)的甲烷，其余的大部分是注入地层中的解吸甲烷的气体。在生产的混合物中所含的有关的甲烷、氧气、氮气和其它的气体馏分要随时间变化，由于甲烷减少和不同的气体通过地层的通行时间变化。在井操作的早期，如果回收的气体很类似于地下煤层甲烷的组成，人们不要奇怪。连续操作之后，可以预计在回收的气体中有效量的注入的惰性气体。
在惰性气体注入期间，生产的含甲烷的气体混合物的充分提高的生产速度预期超过给定井的标准初始生产速度约1.1-5倍，或者在某些情况下超过10倍或更多。术语“标准初始生产速度”指的是恰好在流动的解吸甲烷的气体通过该井到增加它的生产速度之前实际的或者预计的生产井的含甲烷气体的生产速度。通过使井像压力减少井那样操作比较短的时期立即进行惰性气体注入，可以确立标准初始生产速度。然后可以通过把这一时期的生产速度平均来计算标准初始生产速度。如果使用该方法，优选的是该井应该已经操作足够长的时间，使生产速度的瞬时变化不超过平均生产速度的25％。优选的是，通过保持固定的操作条件，例如在流动压力很小或者没有流量的固定的井底操作，来确定“标准初始生产速度”。
在不能得到实际生产速度数据时，可以根据各种储层参数计算“标准初始生产速度”。这样的计算是本领域公知的，可以根据例如井压试验的结果或者岩心分析的结果这样的参数来估算生产速度。在1959年版的“Handbook of NaturalGas Engineering”published by the McGraw-Hill Book Compa-ny，Inc.，of New York，New York中可以找到这样的计算的例子。虽然这样的估算证明是准确在2倍左右，但优选的是通过实际测量生产的气体来确定“标准初始生产速度”。
提高的生产速度已经达到之后，可以在任何的时间终止注入惰性解吸甲烷气体。一般地，当在生产的含甲烷的混合物中存在的惰性气体的量超过特定的限度时，或者是因为认为该注入设备在其它地方更有用时，应该终止注入。
惰性气体终止注入之后，至此已观察到两件意想不到的事情。第一，虽然总的生产速度下降，但是在相当时间内生产速度仍高于该井的标准初始生产速度。另外，当在由生产井回收的含甲烷的气体中已经发现惰性气体时，在混合物中惰性气体的体积百分数随时间而降低。通过下面的实施例说明这些效果。
实施例1
在有两口生产井的煤层甲烷的区域进行本发明的中型试验。试验前，每个生产井生产含甲烷气体约4年，6.1米厚的煤层位于地面之下约8.23×102米。把一个生产井不用作生产井而用作注入井，在三个另外的位置钻到同一煤层提供三个另外的注入井。目测在多米诺的3.24×105平方米的区域5口井像“5个圆点”，其中注入井围着生产井(即注入井在“5个圆点”角上，彼此之间的距离约5.49×102米)。
用两台空气压缩机把入口空气压缩到约9.65×105Pa，并且通过一个安装有3.05米×3.05米×6.1米的装有空心纤维束的NIJECT膜分离装置的滑架。纤维外面的压缩空气提供氧、CO2和水蒸汽的驱动能，使其透过空心纤维，而贫氧的富氮物流通过纤维的外面。该装置每天提供1.53×104立方米的含约40％(体积)氧的富氧空气。该膜分离装置在约入口的压力下提供含有约4-5％(体积)的氧的富氮气体。该富氮气体用往复电动压缩机压缩到约6.89×106Pa，并且把其注入到4口注入井中，注入速度为每口井每天8.50×103立方米，注入几个月。
在注入开始后的一个星期内，从生产井生产的气体的体积从测定的标准初始生产速度5.66×103立方米气体/天增加到充分提高的生产速度3.40×104--4.25×104立方米气体/天。富氮气体连续注入约一天，在一天的注入期间，充分提高的生产速度保持一相对常数。初始，该井生产很少的氮气，但是过了这一时间，氮的含量稳定地增加到约35％(体积)。图1说明在注入富氮气体以前、期间和之后，生产的含甲烷的气体混合物中发现平滑的平均总井生产速度和氮的百分数。
惰性气体的注入终止后，生产速度首先明显地下降，然后开始较慢地下降。注入终止后40天“延续”期，奇怪的是井的生产速度决不会降低到低于约1.13×104标准立方米/天，比井的标准初始生产速度大约2倍。此外，在这40天期间，在生产的气体中发现氮的体积百分比出乎意料地从初始值约35％(体积)降低到最终值约25％(体积)。
本发明的方法利用这些意外地发现。这些现象发现之前，本领域的普通技术人员可能断定，当在回收的含甲烷的混合物中存在的惰性气体增加到不合乎要求的体积百分比时，应该终止注入和生产。相反，我们的实施例1表明，惰性气体的注入终止后，相当长的时间内可以得到连续降低惰性气体百分比的提高生产量的气体。因此，优选的方法是，惰性气体的注入终止后，继续回收含甲烷的产物，而不是像另外可以作的那样简单地关井和移到其它的地方。
人们认为，在刚刚描述的注入期间，对于任何给定的注入和生产井系统，回收速度方面下降的速度和惰性气体浓度下降的速度都要变化。一般地，除了基本的地质参数影响天然气生产之外，认为影响回收速度和惰性气体浓度下降的因素包括惰性气体注入的时间和数量、注入的惰性气体的类型和地层甲烷衰减的量。在某些情况下，上述因素的变化也可以导致产生停止注入和在生产井观察的结果之间的时间延迟。刚刚描述的方法可以以循环的方式操作，就像下面的实施例说明的那样，提供另外的操作上的好处。
实施例2
在该实施例中，单个设想的天然气井的生产速度通过注入惰性解吸甲烷气体例如含有约95％(体积)氮气的气体混合物来增加。如图2所示，该井在标准初始生产速度1体积/单位时间下操作，如曲线A所示，从时间T0到T1。在时间T1，把惰性解吸甲烷气体注入到与生产井连通的地层位置，使得井的生产速度从时间T1到T3增加到充分增加的速度4体积/单位时间。在T2开始，惰性气体开始在生产的气体中出现，如曲线B所示，在时间T3达到约5％(体积)的值。在时间T3，惰性气体注入设备变得不能使用，导致停止注入惰性气体，直到T5。在时间T3到T5这一段时间期间，井的生产速度降低到3体积/单位时间，在生产的气体中存在的惰性气体的体积百分比降低到约2.5％(体积)。
在时间T5，恢复注入惰性气体。该井的生产速度回到约4体积/单位时间，在生产的气体中惰性气体的体积百分比慢慢地增加，直到达到20％(体积)的操作上限。当达到该极限，再一次停止注入惰性气体，在生产的气体中惰性气体的体积百分比减少期间，使继续生产从时间T7到T9。在时间T9，恢复注入惰性气体以增加生产速度，直到在时间T10再达到20％(体积)的操作惰性气体的体积百分比的限度，在该时间再停止注入。
该实施例说明，在时间T7到T9期间，停止注入惰性气体，容许从生产井回收产物，继续及时超过这一点，在该点惰性气体含量首先达到操作极限。这种结果仅是可能的，因为我们的意想不到的发现，当井按照本发明操作时，在停止注入期间，生产的混合物的惰性气体体积百分比平稳的降低。也应该注意到，即使在时间T3和T5之间及时间T7和T9之间停止注入惰性气体，该井的生产速度仍保持高于标准初始生产速度1体积/单位时间。
当按照本发明以循环、“异相”(out of phase)模式操作多口井时，会出现另外的优点。这种类型的操作在下面的实施例3加以说明。
实施例3
在该实施例中，通过注入惰性解吸甲烷气体例如大气来增加两个设想的天然气井的生产速度。如图3的曲线A和B所示，第一口井生产含甲烷的气体混合物。曲线A和B与在实施例2中已存在的及图2所示的情况相同。
第二口井的生产史与第一口井相同，但是配置其比第一口井晚两个时间单元操作，其生产第二含甲烷的气体混合物，生产速度和惰性气体体积百分比分别如图3的曲线C和D所示。
第一口井和第二口井一起生产，并输到不能接受含有大于18％(体)的惰性解吸甲烷气体的含甲烷的混合物的管道系统。第一口井和第二口井一起生产及一起生产的气体的惰性气体体积百分比，分别如曲线E和F所示。
正如由比较曲线B、D和E所看到的那样，即使第一和第二两口井生产有多达20％(体)的惰性气体的含甲烷的混合物，用其中惰性气体的最大值在不同时间出现的循环方法即‘异相’方法来操作两口井，仍允许组合单独的生产，以便在低于单井所呈现的最大值的惰性气体的体积百分比下连续生产。在这个具体的实施例中，单井可以充分增产模式操作，直到从单井生产的惰性气体体积百分比达到20％(体积)，不超过约15％的组合的体积百分比。这样不需要处理组合井生产，以使惰性气体体积百分比减少至低于特定的上限18％(体积)。
也应注意到，总生产量仍然相当高，因为时间T5到T10的累加的生产速度总是包括在充分增加的生产速度下操作的至少一口井，该充分增加的生产速度是由于将惰性气体注入该地层而造成的。
如刚才所介绍的‘异相’方法那样的多口井方法，可以包括任意数量的井，只要从两口或三口井中回收的气体混合物中所呈现的惰性气体的体积百分比最大值及时在不同点出现。当然，在一对井呈现生产随时间的关系类似于相差为180度的正弦波处，应得到最大的好处。换句话说，在生产的气体中惰性气体的体积百分比最少是最重要的，一对井应该这样操作以便由其中的一口井所生产的气体达到惰性气体的体积百分比最大值，同时，其中的另一口井所生产的气体达到惰性气体的体积百分比最小值。
尽管有些违反直观，但上述的实施例说明：在一些情况下，通过延迟将惰性气体注入系统的一口井中，可以得到总的生产好处。当延迟注入到井中时引起回收期间的井相对于要混合其产物的一口或者多口井会使井“异相”，其就是这种情况。在投产期间，在该状态下虽然总的回收速度可能是较小的，但是，如果“异相”井的平均产量在操作的上限以下可能降低累积的惰性气体的体积百分比的话，这样的延迟可以使得其可能避免需要在回收后除去惰性气体。
最终，人们认为，如上述的实施例所示，通过停止注入惰性气体得到的惰性气体的体积百分比降低的很多优点可以只通过降低注入的惰性气体的流量就可以得到。如果惰性气体的注入速度降低，预期的生产井的效果的大小与注入速度降低的大小成比例，虽然预计结果要随气藏枯竭和其它的操作过程以及随注入的气体的类型和储层的可注入性而变化。为了达到实用的效果，在很多情况下可能需要减少注入速度至少2倍。
应该了解，对本领域的技术人员来说，很显然，通过改进和替换，本发明的各种其它实施方案都没有离开后面的权利要求所定义的本发明的精神和范围。
Claims (11)
1.一种减少由固体碳质地下层生产的含甲烷气体混合物中存在的惰性解吸甲烷气体量的方法，所说方法包括以下步骤：
把惰性解吸甲烷气体注入到地层；
停止注入解吸甲烷气体；
在至少部分注入步骤期间从地层回收第一含甲烷的气体混合物，所说混合物的解吸甲烷气体体积百分比为Y％；和
停止步骤完成以后，从地层回收第二含甲烷的气体混合物，所说的第二气体混合物的解吸甲烷气体体积百分比小于Y％。
2.权利要求1的方法，其中，在不存在惰性气体注入的情况下回收第二含甲烷的气体混合物。
3.权利要求1的方法，其中，惰性解吸甲烷气体是空气或者由大气得到的并且含有大于80％(体积)氮气的贫氧气体。
4.权利要求1的方法，其中，从具有含甲烷的气体混合物的标准初始生产速度为X标准立方米/单位时间的生产井回收含甲烷的气体混合物，并且，在至少部分注入步骤期间以大于1.1X标准立方米/单位时间的速度得到第一含甲烷的气体。
5.权利要求1的方法，其中，固体碳质地下层是煤层。
6.权利要求1的方法还包括在停止步骤完成以后恢复注入惰性解吸甲烷气体的步骤。
7.权利要求6的方法还包括在至少部分恢复步骤期间从地层回收第三含甲烷的气体混合物的步骤。
8.一种减少由固体碳质地下层生产的含甲烷气体混合物中存在的惰性解吸甲烷气体量的方法，所说方法包括以下步骤：
以第一速度把惰性解吸甲烷气体注入到地层；
减少解吸甲烷的气体的注入速度到第二速度；
从地层回收第一含甲烷的气体混合物，同时以第一速度注入惰性气体，所说的混合物的解吸甲烷气体体积百分比为Y％；和
从地层回收第二含甲烷的气体混合物，同时以第二速度注入惰性气体，所说的第二气体混合物的解吸甲烷气体体积百分比小于Y％。
9.权利要求8的方法，其中，第二速度小于第一速度的一半。
10.权利要求8的方法，其中，惰性解吸甲烷气体选自大气和贫氧的大气。
11.一种减少由一个或者多个固体碳质地下层生产的含甲烷气体混合物中存在的惰性解吸甲烷气体量的方法，所说的方法包括以下步骤：
以第一速度把第一惰性解吸甲烷气体注入到第一地层位置；
减少惰性解吸甲烷气体的注入速度到第二速度；
在至少部分减少步骤期间从第一生产井回收第一含甲烷的气体混合物，在刚完成减少步骤之前，所说的混合物的解吸甲烷气体体积百分比为Y％；和
把第一含甲烷的气体混合物与第二含甲烷的气体混合物混合，得到惰性解吸甲烷气体体积百分比小于Y％的第三含甲烷的气体混合物。
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