CN115490206A - 一种利用井下电加热实现近井地带原位制氢方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种利用井下电加热实现近井地带原位制氢方法，包括：将纳米催化剂吸附于生产井近井地带地层的岩石表面；将井下电加热装置和温度监测装置下放至生产井；开启井下电加热装置，对近井地带储层进行加热；储层中的天然气在经过生产井的近井地带地层时，在高温条件下与原位产生的水蒸汽混合，在岩石表面的纳米催化剂作用下发生制氢反应，产生包括氢气和以二氧化碳为主的其它组分产出物；通过监测产出物的组分和含量，控制产出速度；将产出的氢体和其它组分进行分离，并将其它组分通过临近的注入井回注入地层中。本发明能够避免建造复杂的地面制氢反应设备，减少碳排放，并在实现天然气资源绿色开采的同时，提高天然气气藏的最终采收率。

Description

一种利用井下电加热实现近井地带原位制氢方法
技术领域
本发明涉及一种利用井下电加热实现近井地带原位制氢方法，属于天然气制氢技术领域。
背景技术
氢气不仅是广泛使用的化工原料，更是一种理想的高效清洁能源。氢气的制备技术对未来的能源发展格局起着至关重要的作用。尽管电解水制氢、生物质气化制氢和热化学制氢等方式为制氢提供了多种选择手段，然而相关技术目前还不够成熟，缺乏经济效益，难以实现大规模的应用。据统计，现今全世界绝大部分氢气来自于石化燃料，其制备方法主要包含煤和石油的气化制氢以及相对更为环保的天然气转化制氢。目前全世界范围内约一半氢气都是采用天然气转化法，通过天然气中的甲烷和水蒸汽在高温下发生催化转化制得。天然气制氢过程中需要反应物与催化剂在反应温度下(600～1000℃)充分接触，以确保催化剂的高效利用。另外，该制氢反应要吸收大量的热量，因此需利用大量的燃料来维持反应温度。制氢反应和燃料燃烧会产生大量的二氧化碳温室气体，会对环境造成负面影响。
目前，利用天然气制氢的主要方法是将天然气采出到地面后，集中输送到制氢装置，经压缩脱硫等预处理工序后，与水蒸汽混合送入转化炉后发生催化反应制氢。该制氢反应主要包括甲烷的重整和水煤气转化两个步骤，其具体反应原理如下：
甲烷重整反应：CH4+H2O→CO+H2
水煤气转化反应：CO+H2O→CO2+H2
反应出口的主要物质包括氢气和二氧化碳，此外还含有少量一氧化碳、甲烷和水。对出口产物进行分离提纯后，可获得纯净的氢气。
在工业级的地面制氢装置上，通常需要建造上百条数十米长的反应管线，以保证反应物与催化剂充分接触，进行高效催化。由于制氢反应需要吸收大量的热量。这些管线阵列还须置于大型的燃气炉中，以维持制氢反应所需的温度。这种传统的天然气制氢方式需要建造大规模的地面设备，同时还需确保转化炉的管壁材料具有优良的耐温耐压和导热性质。此外，该反应制氢的主要副产物二氧化碳会直接排放于大气之中或需投入额外成本对其进行捕捉和封存。对于该技术所用的天然气几乎都是从深埋于地下的天然气藏中获得，需对其进行钻井开采。在开采天然气的过程中，随着天然气的采出地层压力逐渐降低，需向天然气藏补充能量，才能维持天然气的稳定采出。部分带有边底水的气藏还会由于压力降低，而出现水淹，从而抑制天然气的产出。当天然气藏的地层压力非常低时，输入能量的耗费大于采出天然气的收益，此时天然气藏会丧失开采的经济价值，从而导致储层中的部分天然气未被利用。
发明内容
为了克服现有技术中的问题，本发明提供一种利用井下电加热实现近井地带原位制氢方法，本发明将运用电加热的方式在天然气井近井地带的地层中建立温度可控的催化反应区，实现地层中的原位制氢，并将制氢过程中产出的二氧化碳气体分离后，通过临近的注入井回注入到同一地层用于提高地层压力，从而储层中的天然气。因此，该技术能够避免建造复杂的地面制氢反应设备，减少碳排放，并在实现天然气资源绿色开采的同时，提高天然气气藏的最终采收率。
本发明解决上述技术问题所提供的技术方案是：一种利用井下电加热实现近井地带原位制氢方法，包括以下步骤：
步骤S1、将纳米催化剂吸附于生产井的近井地带地层的岩石表面；
步骤S2、将井下电加热装置和温度监测装置下放至生产井近井地带地层中；
步骤S3、开启井下电加热装置，对近井地带地层进行加热，使近井地带地层的温度达到600-1000摄氏度；
步骤S4、天然气藏中的天然气在经过生产井的近井地带地层时，与在高温条件下原位产生的水蒸汽混合，并在岩石表面的纳米催化剂作用下发生制氢反应，产生包括氢气和以二氧化碳为主的其它组分产出物；
步骤S5、通过监测生产井井口产出物的组分和含量，控制生产井产出速度；
步骤S6、当温度监测装置监测到近井地带储层的温度未达到600摄氏度，则对生产井进行闷井，直到近井地带储层的温度达到600-1000摄氏度之间；
步骤S7、将产出的氢体与其它组分分离，并将以二氧化碳为主的其它组分通过临近的注入井回注入地层中，用于补充地层能量，驱替储层中的天然气，同时将二氧化碳封存于地下。
进一步的技术方案是，所述步骤S1中通过超级分散体系将纳米催化剂通过生产井送入近井地带地层，或者在新井完井过程中将其预埋到近井地带储层中，完成纳米催化剂在近井地带储层岩石表面的吸附。
进一步的技术方案是，所述步骤S2中通过连续油管或者导管将井下电加热装置和温度监测装置送入井下。
进一步的技术方案是，所述步骤S3中根据温度监测装置监测的地层温度来调节地面输入电功率，使近井地带地层的温度达到600-1000摄氏度之间。
进一步的技术方案是，所述步骤S5中当监测到生产井井口产出物中水的含量降低且甲烷或一氧化碳含量增高后，则向生产井中注入适当水量。
进一步的技术方案是，所述步骤S6中的闷井时间为1-5天。
进一步的技术方案是，所述步骤S7中的产出物通过氢气分离装置分离成氢气和其它组分。
进一步的技术方案是，所述其它组分主要是二氧化碳，此外还包括少量一氧化碳、甲烷和水。
进一步的技术方案是，所述步骤S7中的其它组分通过气体压缩机回注入地层中。
本发明具有以下有益效果：
1)将地层多孔介质组成的流动通道作为制氢场所，在气体流向井底的过程中进行制氢反应，免去了在地面建立复杂大型制氢装置的需要；
2)利用井下电加热技术对近井地带进行加热，相比于从地面注入热源，减少了井筒热损失；借助地层多孔介质中岩石骨架的巨大热容和比表面积，以及对低热容气体加热速率快的特点，提高生成热量的利用率；
3)结合井下温度监测技术，实现对催化制氢反应温度的准确控制，避免温度过低导致反应不能充分进行，以及温度过高造成催化剂失活等问题；
4)通过废气的回注，将二氧化碳等温室气体封存于地下，降低碳排放，同时还能增加地层压力，驱替储层中的天然气，从而提高天然气的采收率，实现部分废弃井的二次利用。
附图说明
图1是本发明的生产示意图。
图中所示：1-近井地带地层；2-生产井井壁；3-套管外充填层；4-井下电加热和温度监测装置；5-天然气藏；6-生产井射孔段；7-生产管柱；8-生产井套管；9-生产井井口；10-产出物流动管线；11-地表面；12-氢气分离装置；13-分离膜；14-氢气流动管线；15-其它组分流动管线；16-气体压缩机；17-气藏顶界；18-气藏底界；19-压缩后的其它组分；20-注入井套管；21-注入井管套；22-注入管柱；23-注入介质流动方向。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
如图1所示，本发明的一种利用井下电加热实现近井地带原位制氢方法，包括以下步骤：
步骤1、通过超级分散体系将纳米催化剂通过生产井送入近井地带储层1，或者在新井完井过程中将其预埋到近井地带地层1中，完成纳米催化剂在近井地带储层岩石表面的吸附；
步骤2、通过连续油管或者导管将井下电加热装置和温度监测装置4送入井下；
步骤3、开启井下电加热装置，对近井地带地层1进行加热，并根据温度监测装置监测的地层温度来调节地面输入电功率，使近井地带地层的温度达到600-1000摄氏度之间；
步骤4、天然气藏5中的天然气在经过生产井近井地带地层1时，与在高温条件下原位产生的水蒸汽混合，并在岩石表面的纳米催化剂作用下发生制氢反应，产生包括氢气和其它组分的产出物；该产出物通过生产管柱7开采到地表面11上；
步骤5、通过监测生产井井口9的产出物的组分和含量，控制生产井产出速度，来确保制氢反应在近井地带催化剂的作用下充分进行；
步骤6、同时当监测到产出物中水的含量降低且甲烷或一氧化碳含量增高后，则向生产井中注入适当水量，通过调整反应物配比，提高天然气的转化率；
步骤7、当温度监测装置监测到近井地带地层1的温度未达到600摄氏度，则采用短期焖井(1-5天)以实现充分化学反应，直到近井地带地层的温度达到600-1000摄氏度之间；
步骤8、生产井井口9的产出物通过产出物流动管线10进入到氢气分离装置12分离成氢体和包含有大量二氧化碳以及少量一氧化碳、甲烷和水的其它组分；其中氢气通过氢气流动管线14流动，而剩余的大量二氧化碳以及少量一氧化碳、甲烷和水则通过其它组分流动管线15进入到气体压缩机16内进行气体压缩，最后压缩后的其它组分19通过注入管柱22回注入地层中，用于补充地层能量，驱替储层中的天然气，同时将二氧化碳封存于地下。
在本实施中利用地层多孔结构建立地下制氢“反应炉”，并将纳米催化剂吸附于近井地带的岩石表面(即制氢过程中温度最佳的区域)；再通过井下电加热技术直接为制氢反应提供热量，并结合井下温度监测系统，调节输入电功率，维持最佳温度；利用地层水或者添加注入水原位产生高温蒸汽，利用岩石多孔介质的巨大比表面促使催化剂与反应物充分接触，提高制氢效率及最终转换率；最后将产生的二氧化碳从临近的井口回注入地层中，作为维持地层压力和提高气藏采收率的介质，并实现二氧化碳的埋存。
以上所述，并非对本发明作任何形式上的限制，虽然本发明已通过上述实施例揭示，然而并非用以限定本发明，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内，可利用上述揭示的技术内容作出些变动或修饰为等同变化的等效实施例，但凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。

Claims (9)

1.一种利用井下电加热实现近井地带原位制氢方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤S1、将纳米催化剂吸附于生产井近井地带地层的岩石表面；
步骤S2、将井下电加热装置和温度监测装置下放至生产井；
步骤S3、开启井下电加热装置，对近井地带地层进行加热，使近井地带地层的温度达到600-1000摄氏度；
步骤S4、储层中的天然气在经过生产井的近井地带地层时，与在高温条件下原位产生的水蒸汽混合，并在岩石表面的纳米催化剂作用下发生制氢反应，产生包括氢气和以二氧化碳为主的其它组分产出物；
步骤S5、通过监测生产井井口产出物的组分和含量，控制生产井产出速度；
步骤S6、当温度监测装置监测到近井地带储层的温度未达到600摄氏度，则对生产井进行闷井，直到近井地带储层的温度达到600-1000摄氏度之间；
步骤S7、将产出的氢体与其它组分分离，并将以二氧化碳为主的其它组分通过临近的注入井回注入地层中，用于补充地层能量，驱替储层中的天然气，同时将二氧化碳封存于地下。
2.根据权利要求1所述的一种利用井下电加热实现近井地带原位制氢方法，其特征在于，所述步骤S1中通过超级分散体系将纳米催化剂通过生产井送入近井地带地层，或者在新井完井过程中将其预埋到近井地带地层中，完成纳米催化剂在近井地带地层岩石表面的吸附。
3.根据权利要求1所述的一种利用井下电加热实现近井地带原位制氢方法，其特征在于，所述步骤S2中通过连续油管或者导管将井下电加热装置和温度监测装置送入井下。
4.根据权利要求1所述的一种利用井下电加热实现近井地带原位制氢方法，其特征在于，所述步骤S3中根据温度监测装置监测的储层温度来调节地面输入电功率，使近井地带储层的温度达到600-1000摄氏度之间。
5.根据权利要求1所述的一种利用井下电加热实现近井地带原位制氢方法，其特征在于，所述步骤S5中当监测到生产井井口产出物中水的含量降低且甲烷或一氧化碳含量增高后，则向生产井中注入适当水量。
6.根据权利要求1所述的一种利用井下电加热实现近井地带原位制氢方法，其特征在于，所述步骤S6中的闷井时间为1-5天。
7.根据权利要求1所述的一种利用井下电加热实现近井地带原位制氢方法，其特征在于，所述步骤S7中的产出物通过氢气分离装置分离成氢气和其它组分。
8.根据权利要求7所述的一种利用井下电加热实现近井地带原位制氢方法，其特征在于，所述其它组分主要是二氧化碳，还包括少量一氧化碳、甲烷和水。
9.根据权利要求7所述的一种利用井下电加热实现近井地带原位制氢方法，其特征在于，所述步骤S7中的其它组分通过气体压缩机回注入地层中。
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