DE60121744T2

DE60121744T2 - Verfahren zur behandlung von erdöllagerstätten

Info

Publication number: DE60121744T2
Application number: DE60121744T
Authority: DE
Inventors: Leo George Houston STEGEMEIER; Lee Scott Bellaire WELLINGTON; Etuan Houston ZHANG; J. Harold Houston VINEGAR; Emil Ilya Friendswood BERCHENKO; Eric Houston De Rouffignac
Original assignee: Shell Internationale Research Maatschappij BV
Current assignee: Shell Internationale Research Maatschappij BV
Priority date: 2000-04-24
Filing date: 2001-04-24
Publication date: 2007-08-02
Anticipated expiration: 2021-04-25
Also published as: US20020170708A1; WO2001081240A2; US20020038706A1; US7798221B2; EP1276960A2; US20020043405A1; NZ522210A; US20020029881A1; US6973967B2; WO2001081716A3; US20020057905A1; US20020053429A1; US20020029884A1; US20020036084A1; US20020027001A1; WO2001081722A1; CA2669786C; US20020053432A1; US20020040780A1; CA2669779C

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur in situ-Behandlung einer Kohlenwasserstoffe enthaltenden Formation und zur Ausbildung eines Kohlenwasserstofffluids aus der Formation durch Pyrolysieren von in der Formation vorliegenden Kohlenwasserstoffen.
Aus unterirdischen Formationen erhaltene Kohlenwasserstoffe werden häufig als Energiequellen, als Ausgangsmaterialien und als Konsumprodukte verwendet. Befürchtungen über eine Verarmung von verfügbaren Kohlenwasserstoffressourcen haben zur Entwicklung von Verfahren für eine effizientere Förderung, Verarbeitung und Nutzung von verfügbaren Kohlenwasserstoffressourcen geführt. Zur Abtrennung von Kohlenwasserstoffmaterialien aus unterirdischen Formationen können in situ-Verfahren angewendet werden. Es kann erforderlich sein, die chemischen und/oder physikalischen Eigenschaften von Kohlenwasserstoffmaterial innerhalb einer unterirdischen Formation zu ändern, um eine leichtere Abtrennung von Kohlenwasserstoffmaterial von der unterirdischen Formation zu ermöglichen. Die chemischen und physikalischen Änderungen können in situ-Reaktionen einschließen, die abtrennbare Fluide produzieren, Löslichkeitsänderungen, Phasenänderungen und/oder Viskositätsänderungen des Kohlenwasserstoffmaterials innerhalb der Formation. Ein Fluid kann, ohne darauf beschränkt zu sein, ein Gas, eine Flüssigkeit, eine Emulsion, eine Aufschlämmung und/oder ein Strom fester Teilchen sein, der Fließeigenschaften ähnlich einem Flüssigkeitsstrom aufweist.
Beispiele für in situ-Verfahren unter Anwendung von im Bohrloch angeordneten Erhitzern werden in den Patentschriften US-A-2,634,961, US-A-2,732,195, US-A-2,780,450, US-A-2,789,805, US-A-2,923,535 und US-A-4,886,118 erläutert.
Beispielsweise wird in US-A-2,923,535 und US-A-4,886,118 die Anwendung von Hitze auf Ölschieferformationen beschrieben. Darin wird auf die Ölschieferformation Hitze aufgebracht, um ein Kerogen innerhalb der Ölschieferformation zu pyrolysieren. Die Hitze führt auch zu einem Aufbrechen der Formation, um die Permeabilität der Formation zu erhöhen. Die gesteigerte Permeabilität ermöglicht ein Wandern von Kohlenwasserstofffluiden zu einer Produktionsbohrung, wo das Fluid aus der Ölschieferformation abgeführt wird. In der US-A-2,923,535 wurde durch Schließen sämtlicher Gasauslassventile Druck angelegt, mit dem Zweck, die Porosität und Durchlässigkeit der Formation für Gase und Dämpfe zu testen. Die US-A-2,923,535 sagt nichts aus über ein Aufrechterhalten eines erhöhten Drucks während der Förderung von Gasen und Dämpfen.
Die Patentschrift US-A-4,662,439 offenbart ein Verfahren zur unterirdischen Umwandlung von Kohle, worin ein sauerstoffhältiges Gas und Dampf in ein Kohlebett injiziert werden, das durch Sprengstoffe aufgebrochen wird, um ein Syngas zu generieren, das soviel wie 90 Gew.-% von feuchtigkeits- und aschefreier Kohle (MAF) in flüssige und gasförmige Produkte umwandelt, wenn ein hoher Druck (4000–5000 psig ≈ 275–350 bar absolut) aufrechterhalten wird und die Temperatur über etwa 550°C liegt.
Es hat erhebliche Anstrengungen gegeben, Verfahren und Systeme zu entwickeln, um in wirtschaftlicher Weise Kohlenwasserstoffe, Wasserstoff und/oder andere Produkte aus kohlenwasserstoffhältigen Formationen zu produzieren. Zur Zeit gibt es jedoch noch immer zahlreiche kohlenwasserstoffhältige Formationen, aus denen Kohlenwasserstoffe, Wasserstoff und/oder andere Produkte nicht in wirtschaftlicher Weise produziert werden können. Es gibt daher noch immer einen Bedarf nach verbesserten Methoden und Systemen zur Produktion von Kohlenwasserstof fen, Wasserstoff und/oder anderen Produkten aus unterschiedlichen kohlenwasserstoffhältigen Formationen.
Es wurde nunmehr gefunden, dass die Menge, die Zusammensetzung und die Qualität des in der Pyrolyse produzierten Kohlenwasserstofffluids durch Regeln des Drucks in Relation zur angewandten Temperatur und umgekehrt gesteuert werden kann. In dieser Hinsicht können die Menge, die Zusammensetzung und die Qualität der Kohlenwasserstofffluide durch eine oder mehrere relevante Eigenschaften definiert werden, wie API-Dichte, Olefin/Paraffin-Verhältnis, Kohlenstoff/Wasserstoff-Elementarverhältnis, produzierte äquivalente Flüssigkeiten (Gas und Flüssigkeit), produzierte Flüssigkeiten, Prozent Fischer-Untersuchung und das Auftreten von Kohlenwasserstoffen mit Kohlenstoffanzahlen größer als 25 innerhalb der Kohlenwasserstofffluide.
Der Druck für eine ausgewählte Temperatur, oder die Temperatur für einen ausgewählten Druck, die Kohlenwasserstofffluide mit den relevanten Eigenschaften ergeben können, können unter Heranziehung einer Gleichung bestimmt werden, das ist die nachfolgende "Gleichung 1", mit der Form:
worin P der Druck (bar absolut) ist, T die Temperatur ist (°C) und A und B Parameter sind, die sich auf die relevante Eigenschaft beziehen und die experimentell bestimmt werden können. Die Dimensionen des Faktors 0,07 und der Parameter A und B sind derart, dass sie mit den Dimensionen von P und T übereinstimmen.
In vielen Fällen wird die Anwendung der Temperatur/Druck-Regelung das Anlegen eines erhöhten Drucks während der Pyroly se involvieren. Es zeigte sich, dass die Anwendung eines erhöhten Drucks eine Reihe unerwarteter Vorteile aufweist. Diese Vorteile treffen unabhängig von der Anwendung der vorliegenden Temperatur/Druck-Regelung zu.
Ein erhöhter Druck in der Formation führt zur Ausbildung von verbesserten Kohlenwasserstofffluiden. Wenn der Druck innerhalb der Formation erhöht wird, umfassen aus der Formation produzierte Kohlenwasserstofffluide einen größeren Anteil an nicht kondensierbaren Komponenten. In dieser Weise schließt eine signifikante Menge (beispielsweise ein überwiegender Teil) der bei einem solchen Druck produzierten Kohlenwasserstofffluide eine leichtere und qualitativ höherwertige kondensierbare Komponente ein als bei einem niedrigeren Druck produzierte Kohlenwasserstofffluide.
Es zeigte sich, dass das Aufrechterhalten eines erhöhten Drucks innerhalb der erhitzten Formation ganz wesentlich die Ausbildung von Kohlenwasserstofffluiden inhibiert, die eine Kohlenstoffanzahl von größer als beispielsweise etwa 25 und/oder Mehrring-aromatische Kohlenwasserstoffverbindungen enthalten. Ebenfalls zeigt es sich, dass ein Aufrechterhalten eines erhöhten Drucks innerhalb der erhitzten Formation zu einer Steigerung der API-Dichte von aus der Formation produzierten Kohlenwasserstofffluiden führt. Höhere Drücke können somit die Produktion von verhältnismäßig kurzkettigen Kohlenwasserstofffluiden steigern, die höhere API-Dichtewerte aufweisen können.
Darüber hinaus verhindert das Aufrechterhalten eines erhöhten Drucks innerhalb der Formation das Absetzen der Formation. Das Beibehalten eines erhöhten Drucks innerhalb der Formation führt auch eher dazu, die benötigten Größen von Sammelleitungen zu verringern, die zum Transport von kondensierbaren Komponenten verwendet werden. Das Aufrechterhalten eines erhöhten Drucks innerhalb der Formation kann auch die Gewinnung von Elektrizität aus dem produzierten, nicht kondensierbaren Fluid erleichtern. Beispielsweise kann das gebildete, nicht kondensierbare Fluid durch eine Turbine geführt werden, um Elektrizität zu erzeugen.
Demgemäß schafft die vorliegende Erfindung ein Verfahren zur in situ-Behandlung einer Kohlenwasserstoffe enthaltenden Formation und zur Ausbildung eines Kohlenwasserstofffluids aus der Formation, welches Verfahren ein Pyrolysieren von in der Formation vorliegenden Kohlenwasserstoffen bei einem Druck von wenigstens 1,5 bar während der Ausbildung des Kohlenwasserstofffluids aus der Formation unter Anwendung einer Druck/Temperatur-Regelung umfaßt, derart, dass der Druck wenigstens jener Druck ist, der für eine ausgewählte Temperatur berechnet werden kann, oder die Temperatur höchstens jene Temperatur ist, die für einen ausgewählten Druck berechnet werden kann, aus der Gleichung
worin P der Druck (bar absolut) ist, T die Temperatur ist (°C) und A und B vorbestimmte Parameter sind, worin A wenigstens 5492,8 beträgt, B wenigstens den Wert 14,234 hat und P kleiner als 70 bar ist, zur Regelung einer Eigenschaft, die für die Quantität, die Zusammensetzung oder die Qualität der gebildeten Kohlenwasserstofffluide relevant ist.
Die Erfindung schafft auch ein Verfahren zur Herstellung von Synthesegas, welches Verfahren ein Bereitstellen einer Kohlenwasserstoffe enthaltenden Formation, die nach der vorliegenden Erfindung behandelt wird, und ein Umsetzen der kohlenwasserstoffhältigen Formation mit einem Synthesegas generierenden Fluid umfaßt.
Die Erfindung schafft auch ein Verfahren zur Herstellung von Kohlenwasserstoffen, umfassend das Bereitstellen eines Synthesegases, das gemäß der vorliegenden Erfindung produziert worden ist, und ein Umwandeln des Synthesegases zu Kohlenwasserstoffen.
Die Erfindung schafft auch ein Verfahren zur Gewinnung von Energie, umfassend das Bereitstellen eines Synthesegases, welches Synthesegas gemäß der vorliegenden Erfindung produziert worden ist, und ein Expandieren und/oder Verbrennen des Synthesegases.
Die Patentschrift US-A-5,236,039 offenbart ein Verfahren zur in situ-Behandlung einer kohlenwasserstoffhältigen Formation, worin Radiofrequenz-Heizquellen zum Erhitzen der Formation auf Pyrolysetemperatur angewendet werden. In diesem Dokument findet sich keine allgemeine Lehre hinsichtlich des Einflusses von Druck auf das Verfahren oder auf dessen Ergebnisse. Es findet sich jedoch eine zufällige Angabe von 50 psi in Kombination mit Pyrolysetemperaturen von bis zu 575°F im Zusammenhang mit einer Simulation der betroffenen Erfindung (vergleiche die dortige Tabelle 1). In der Behandlungsmethode der Erfindung ist die Anwendung eines Drucks von 3,52 bar (50 psi) bei Temperaturen bis zu 301,7°C (575°F) in Kombination mit der Anwendung von Radiofrequenzerhitzung von dem Schutz bestimmter Ausführungsformen dieser Erfindung ausgenommen.
Soferne nichts Gegenteiliges angegeben ist, soll sich der Ausdruck "Druck" auf den Absolutdruck beziehen. Die Temperatur und der Druck, die während der Förderung eines Kohlenwasserstofffluids aus der Formation oder während der Synthesegasbildung herrschen, werden als in einer Produktionsbohrung gemessen angenommen, und/oder in unmittelbarer Nähe zu einem re levanten Abschnitt der Formation bestimmt oder bewertet, worin die Pyrolyse oder die Synthesegasproduktion erfolgen.
Vorzugsweise enthält eine kohlenwasserstoffhältige Formation zur Anwendung in dieser Erfindung ein Kerogen. Kerogen ist aus organischem Material zusammengesetzt, das infolge eines Reifungsprozesses transformiert worden ist. Kohlenwasserstoffhältige Formationen, die ein Kerogen enthalten, sind beispielsweise kohlehältige Formationen und ölschieferhältige Formationen. In alternativer Weise können kohlenwasserstoffhältige Formationen behandelt werden, die kein Kerogen enthalten, beispielsweise Formationen, die schwere Kohlenwasserstoffe enthalten (beispielsweise Teersande).
Kohlenwasserstoffhältige Formationen können für eine in situ-Behandlung auf der Basis von Eigenschaften wenigstens eines Teils der Formation ausgewählt werden, derart, dass es zur Bildung von qualitativ hochwertigen Fluiden aus der Formation kommt. Beispielsweise können kohlenwasserstoffhältige Formationen, die ein Kerogen enthalten, für eine Behandlung bewertet oder ausgewählt werden auf der Basis der Vitrinit-Reflexion des Kerogens. Die Vitrinit-Reflexion steht häufig mit dem Wasserstoff/Kohlenstoff-Elementarverhältnis eines Kerogens und dem Sauerstoff/Kohlenstoff-Elementarverhältnis des Kerogens in Beziehung. Vorzugsweise liegt die Vitrinit-Reflexion im Bereich von 0,2 bis 3,0%, stärker bevorzugt von 0,5 bis 2,0%. Derartige Vitrinit-Reflexionsbereiche geben eher an, dass aus der Formation Kohlenwasserstofffluide mit verhältnismäßig höherer Qualität produziert werden.
Die kohlenwasserstoffhältige Formation kann für eine Behandlung auf der Basis des Wasserstoff-Elementargehaltes der Kohlenwasserstoffe in der kohlenwasserstoffhältige Formation ausgewählt werden. Beispielsweise kann ein Verfahren zur Behandlung einer kohlenwasserstoffhältige Formation typisch ein Aus wählen einer kohlenwasserstoffhältige Formation für eine Behandlung mit einem Gehalt an Kohlenwasserstoffen mit einem Wasserstoff-Elementargehalt von über 2 Gew.-%, insbesondere über 3 Gew.-%, oder spezieller über 4 Gew.-%, bestimmt auf einer trockenen, aschefreien Basis, einschließen. Vorzugsweise haben die Kohlenwasserstoffe in der kohlenwasserstoffhältige Formation ein Wasserstoff/Kohlenstoff-Elementarverhältnis im Bereich von 0,5 bis 2, insbesondere von 0,70 bis 1,7. Der Wasserstoff-Elementargehalt kann die Zusammensetzung der produzierten Kohlenwasserstofffluide signifikant beeinträchtigen, beispielsweise durch die Bildung von molekularem Wasserstoff. Wenn somit in der Formation zu wenig Wasserstoff zugegen ist, wird die Menge und Qualität der produzierten Fluide negativ beeinflußt werden. Es ist vorteilhaft, einen Wasserstoffpartialdruck aufrecht zu erhalten, und falls zu wenig Wasserstoff von Natur aus zugegen ist, dann können Wasserstoff oder andere reduzierende Fluide der Formation zugesetzt werden.
Die Kohlenwasserstoffe in der Formation können typisch einen Sauerstoff-Elementargewichtsprozentsatz von weniger als 20%, insbesondere weniger als 15% und noch spezieller weniger als 10% aufweisen, bestimmt auf einer trockenen, aschefreien Basis. Typisch liegt das Sauerstoff/Kohlenstoff-Elementarverhältnis unter 0,15. In dieser Weise können die Bildung von Kohlendioxid und anderer Oxide aus einem in situ-Umwandlungsverfahren von kohlenwasserstoffhältigem Material verringert werden. Häufig liegt das Sauerstoff/Kohlenstoff-Elementarverhältnis im Bereich von 0,03 bis 0,12.
Das Erhitzen der kohlenwasserstoffhältigen Formation schließt im Allgemeinen das Zuführen einer großen Energiemenge zu innerhalb der Formation angeordneten Wärmequellen ein. Kohlenwasserstoffhältige Formationen können Wasser enthalten. Das in der kohlenwasserstoffhältigen Formation vorliegende Wasser wird dazu führen, die zum Erhitzen der kohlenwasserstoffhälti gen Formation benötigte Energiemenge ansteigen zu lassen, weil eine große Energiemenge zum Verdampfen des Wassers aus der Formation benötigt werden wird. Zum Erhitzen einer Formation, die einen hohen Feuchtigkeitsgehalt aufweist, werden daher übergroße Mengen an Hitze und/oder Zeit erforderlich sein. Vorzugsweise liegt der Wassergehalt der kohlenwasserstoffhältigen Formation unter 15 Gew.-%, stärker bevorzugt unter 10 Gew.-%.
Die kohlenwasserstoffhältige Formation oder deren Abschnitt, die der Pyrolyse unterzogen werden, kann eine Breite von beispielsweise wenigstens 0,5 m oder wenigstens 1,5 m oder wenigstens 2,4 m oder sogar wenigstens 3,0 m aufweisen. Die Breite kann bis zu 100 m oder bis zu 1000 m oder sogar bis zu 2000 m oder darüber betragen. Die kohlenwasserstoffhältige Formation oder deren Teil, die der Pyrolyse unterzogen werden, kann eine Schichtdicke von beispielsweise wenigstens 2 m, typischer im Bereich von 4 m bis 100 m, stärker typisch von 6 m bis 60 m aufweisen. Die Überlagerung der kohlenwasserstoffhältigen Formation kann eine Dicke von beispielsweise wenigstens 10 m, stärker typisch im Bereich von 20 m bis 800 m oder bis zu 1000 m oder darüber aufweisen.
Die kohlenwasserstoffhältige Formation kann nach bekannten Methoden auf eine Temperatur erhitzt werden, die zur Pyrolyse der in der Formation vorliegenden Kohlenwasserstoffe ausreicht, indem eine oder mehrere Heizquellen angewendet werden, die in Heizbohrungen angeordnet sind.
Die Heizbohrungen können in der Nähe zu oder vorzugsweise innerhalb der kohlenwasserstoffhältigen Formation positioniert werden. Vorzugsweise wird eine Mehrzahl von Heizquellen angewendet, so dass eine große, kohlenwasserstoffhältige Formation oder ein großer Teil davon erhitzt werden kann, und vorzugsweise derart, dass es zu einer Überlagerung (Überschneidung) von aus den Heizquellen produzierter Wärme kommt. Eine Wärmeüberlagerung kann die zum Erreichen der Pyrolysetemperaturen erforderliche Zeit verringern. Eine Wärmeüberlagerung kann einen verhältnismäßig großen Abstand zwischen benachbarten Wärmequellen gestatten, was wiederum zu einer verhältnismäßig langsamen Aufheizgeschwindigkeit der kohlenwasserstoffhältigen Formation führen kann. Eine Wärmeüberlagerung wird auch ein gleichförmiges Erwärmen ergeben, so dass die Temperaturen gesteuert werden können, um die Fluide gleichförmig auszubilden und mit den gewünschten Eigenschaften über die gesamte kohlenwasserstoffhältige Formation oder einen Großteil davon.
Der Abstand zwischen Wärmequellen kann typisch im Bereich von 5 m bis 20 m liegen, vorzugsweise von 8 m bis 12 m. Eine Positionierung von äquidistanten Wärmequellen in einem Dreiecksmuster wird bevorzugt, weil es eher zu einem gleichförmigeren Erwärmen der Formation führt im Vergleich mit anderen Mustern, wie Sechsecke. Darüberhinaus führt ein Dreiecksmuster eher zu einem rascheren Erhitzer auf eine vorbestimmte Temperatur, verglichen mit anderen Mustern, wie Sechsecke.
Jede beliebige konventionelle Wärmequelle kann angewendet werden. Es wird bevorzugt, Wärmequellen einzusetzen, die für ein konduktives Erwärmen geeignet sind, beispielsweise jede Art von Elektroheizvorrichtungen oder jede Art von Verbrennungsheizvorrichtungen. Weniger bevorzugt sind Wärmequellen, die ein Radiofrequenzheizen anwenden.
Da in der erwärmten Formation die Permeabilität und/oder die Porosität verhältnismäßig rasch gesteigert werden, können gebildete Dämpfe über erhebliche Abstände durch die Formation mit verhältnismäßig niedrigem Druckunterschied strömen. Permeabilitätszunahmen resultieren aus einer Verringerung der Masse des erhitzten Abschnittes zufolge Verdampfung von Wasser, Abtrennung von Kohlenwasserstoffen und/oder Ausbildung von Bruchstellen. Für die Gewinnung der Kohlenwasserstofffluide können Produktionsbohrungen vorgesehen werden, vorzugsweise in der Nähe zur Oberseite der Formation. Ein innerhalb der kohlenwasserstoffhältigen Formation generiertes Fluid kann sich in Dampfform über eine erhebliche Distanz durch die kohlenwasserstoffhältige Formation bewegen. Eine derartige erhebliche Distanz kann beispielsweise 50 m bis 1000 m betragen. Der Dampf kann infolge der Permeabilität des erhitzten Teils der Formation über den erheblichen Abstand einen verhältnismäßig kleinen Druckabfall aufweisen. Zufolge dieser Permeabilität braucht eine Produktionsbohrung nur in jeder zweiten Einheit von Heizquellen oder jeder dritten, vierten fünften, sechsten Einheit von Heizquellen vorgesehen werden, welche Heizquellen jeweils eine Mehrzahl von Heizbohrungen umfassen können, beispielsweise zwei, drei oder sechs. Die Produktionsbohrungen können verrohrte Bohrungen sein, die ein Produktionssieb oder perforierte Rohrschüsse aufweisen können. Darüber hinaus können die Produktionsbohrungen von Sand oder Kies umgeben sein, um den Druckabfall von in die Verrohrung eintretenden Fluiden zu minimieren, wodurch ein Verstopfen der Perforationen minimiert wird.
Zusätzlich können Wasserpumpbohrungen oder Vakuumbohrungen vorgesehen werden, um flüssiges Wasser aus der kohlenwasserstoffhältigen Formation abzuziehen. Beispielsweise können mehrere Wasserbohrungen die gesamte, zu erhitzende Formation oder deren Teil umgeben.
Das produzierte Kohlenwasserstofffluid ist ein Material, das in seiner Molekularstruktur Kohlenstoff und Wasserstoff enthält. Es kann auch andere Elemente, wie Halogene, metallische Elemente, Stickstoff, Sauerstoff und Schwefel einschließen.
Die kohlenwasserstoffhältige Formation wird auf eine Temperatur erhitzt, bei der die Pyrolyse stattfinden kann. Der Pyro lyse-Temperaturbereich kann Temperaturen von bis zu beispielsweise 900°C umfassen. Ein überwiegender Anteil an Kohlenwasserstofffluiden kann innerhalb eines Pyrolyse-Temperaturbereiches von 250°C bis 400°C produziert werden, stärker bevorzugt im Bereich von 260°C bis 375°C. Eine Temperatur, die zum Pyrolysieren von schweren Kohlenwasserstoffen in einer kohlenwasserstoffhältigen Formation mit verhältnismäßig niederer Permeabilität ausreicht, kann in einem Bereich von 270°C bis 375°C liegen. In anderen Ausführungsformen kann eine zum Pyrolysieren von schweren Kohlenwasserstoffen ausreichende Temperatur in einem Bereich von 300°C bis 375°C liegen. Wenn eine kohlenwasserstoffhältige Formation über den gesamten Pyrolysetemperaturbereich erhitzt wird, kann die Formation gegen das obere Ende des Pyrolysetemperaturbereiches hin nur kleine Wasserstoffmengen produzieren. Sobald der verfügbare Wasserstoff aufgebraucht ist, kann es zu einer geringen Wasserstoffproduktion aus der Formation kommen.
Vorzugsweise wird die kohlenwasserstoffhältige Formation oder werden die Teile davon, die für eine Pyrolyse vorgesehen sind, mit einer niedrigen Erhitzungsgeschwindigkeit erhitzt. Im Allgemeinen wird die Aufheizgeschwindigkeit höchstens 50°C/Tag betragen. Typisch liegt die Aufheizgeschwindigkeit bei unter 10°C/Tag, noch typischer unter 3°C/Tag, insbesondere unter 0,7°C/Tag. Häufig wird die Aufheizgeschwindigkeit über 0,01°C/Tag, insbesondere über 0,1°C/Tag ausmachen. Im Speziellen werden derart niedrige Aufheizgeschwindigkeiten in dem Pyrolysetemperaturbereich angewendet. Im Spezielleren können erhitzte Teile der kohlenwasserstoffhältigen Formation mit einer solchen Geschwindigkeit während einer Zeit, die größer als 50% der zum Durchschreiten des Pyrolysetemperaturbereiches erforderlichen Zeit ist, vorzugsweise größer als 75% der zum Durchschreiten des Pyrolysetemperaturbereiches erforderlichen Zeit ist, oder stärker bevorzugt größer als 90% der zum Durchschreiten des Pyrolysetemperaturbereiches erforderlichen Zeit ist, erhitzt werden.
Die Geschwindigkeit, mit der eine kohlenwasserstoffhältige Formation erhitzt wird, kann die Menge und Qualität der aus der kohlenwasserstoffhältigen Formation produzierten Kohlenwasserstofffluide beeinflussen. Beispielsweise kann ein Erhitzen mit hohen Aufheizgeschwindigkeiten eine größere Menge an Fluiden aus einer kohlenwasserstoffhältigen Formation ergeben. Die Produkte eines solchen Prozesses können jedoch eine deutlich geringere Qualität aufweisen als bei einem Erhitzen unter Anwendung niedrigerer Aufheizgeschwindigkeiten. Darüber hinaus führt im Allgemeinen ein Begrenzen der Aufheizgeschwindigkeit auf weniger als 3°C/Tag zu einer besseren Regelung der Temperatur innerhalb der kohlenwasserstoffhältigen Formation.
Die vorliegenden Lehren hinsichtlich Aufheizgeschwindigkeiten sind unabhängig von der Anwendung der Temperatur/Druck-Regelung dieser Erfindung anwendbar.
Das Erhitzen einer kohlenwasserstoffhältigen Formation auf den Pyrolysetemperaturbereich kann erfolgen, bevor innerhalb der kohlenwasserstoffhältigen Formation eine substantielle Permeabilität generiert worden ist. Ein anfänglicher Mangel an Permeabilität kann den Transport von generierten Fluiden aus einer Pyrolysezone innerhalb der Formation verhindern. Wenn anfänglich Wärme von der Heizquelle auf die kohlenwasserstoffhältigen Formation übertragen wird, kann solcherart der Fluiddruck innerhalb der kohlenwasserstoffhältigen Formation in der Nähe zur Heizquelle zunehmen.
Der durch die Expansion der Kohlenwasserstofffluide oder anderen, in der Formation gebildeten Fluide generierte Druck kann anfänglich ansteigen, da ein offener Weg zur Förderbohrung oder einer anderen Drucksenke in der Formation noch nicht existieren kann. Zusätzlich kann der Fluiddruck den lithostatischen Druck übersteigen, so dass sich in der kohlenwasserstoffhältigen Formation Bruchlinien von den Heizquellen zu den Produktionsbohrungen ausbilden können. Die Ausbildung von Brüchen innerhalb des erhitzten Teiles verringert dann den Druck, infolge der Förderung von Kohlenwasserstofffluiden durch die Produktionsbohrungen.
Zur Aufrechterhaltung des Drucks innerhalb der kohlenwasserstoffhältigen Formation während der Förderung von Kohlenwasserstofffluiden kann an der Produktionsbohrung ein Gegendruck aufrechterhalten werden. Der Druck kann mit Hilfe von Ventilen und/oder durch Injizieren von Gasen in die kohlenwasserstoffhältige Formation geregelt werden, beispielsweise von Wasserstoff, Kohlendioxid, Kohlenmonoxid, Stickstoff oder Methan, oder von Wasser oder Dampf. Das Eindrücken von Wasserstoff wird besonders bevorzugt.
Ventile können zum Aufrechterhalten, Ändern und/oder Regeln des Drucks innerhalb der kohlenwasserstoffhältigen Formation konfiguriert werden. Beispielsweise können innerhalb der kohlenwasserstoffhältigen Formation angeordnete Heizquellen an ein Ventil gekuppelt werden. Das Ventil kann zum Freigeben von Fluid aus der Formation durch die Heizquelle oder zum Injizieren eines Gases in die kohlenwasserstoffhältige Formation konfiguriert werden. In alternativer Weise kann ein Druckventil an die Förderbohrungen gekuppelt werden. Über die Ventile freigesetzte Fluide können aufgefangen und zu einer Oberflächenanlage zur weiteren Verarbeitung und/oder Behandlung transportiert werden.
In Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung werden der Druck und die Temperatur während der Pyrolyse und während der Produktion des Kohlenwasserstofffluids aus der Formation geregelt, um eine Regelung bestimmter Eigenschaften zu erzielen, die für die Menge, die Zusammensetzung und die Qualität der Kohlenwasserstofffluide relevant sind. Der Wert der Parameter A und B kann experimentell bestimmt werden. Im Allgemeinen können die Werte des Parameters A im Bereich von 5000 bis zu 60000 liegen, und die Werte des Parameters B können im Bereich von 10 bis zu 90 liegen. Einige Beispiele werden nachstehend angeführt.
Für die Produktion eines Kohlenwasserstofffluids mit einem niedrigen Gehalt an Kohlenwasserstoffen mit einer Kohlenstoffanzahl von 25 oder darüber, beispielsweise von weniger als 25 Gew.-%, wird es bevorzugt, dass der Druck wenigstens jener Druck ist, der für eine ausgewählte Temperatur berechnet werden kann, oder die Temperatur höchstens jene Temperatur ist, die für einen ausgewählten Druck aus der Gleichung 1 berechnet werden kann, worin A ungefähr den Wert 14000 aufweist und B ungefähr dem Wert 25 entspricht, gewünschtenfalls A dem Wert 14206 entspricht und B den Wert 25,123 hat, stärker bevorzugt A 15972 beträgt und B 28,442 ausmacht, insbesondere A den Wert 17912 hat und B dem Wert 31,804 entspricht, spezieller A den Wert 19929 hat und B den Wert 35,349 aufweist, ganz speziell A den Wert 21956 hat und B den Wert 38,849 hat. In der Praxis kann es häufig genügen, dass der Druck höchstens jener Druck ist, der für eine ausgewählte Temperatur berechnet werden kann oder die Temperatur wenigstens jene Temperatur ist, die für einen ausgewählten Druck berechnet werden kann, aus Gleichung 1, worin A den Wert 24146 hat und B den Wert 43,349 aufweist.
Zur Produktion eines Kohlenwasserstofffluids, worin die kondensierbaren Kohlenwasserstoffe eine hohe API-Dichte aufweisen, beispielsweise wenigstens 30°, wird es bevorzugt, dass der Druck wenigstens jener Druck ist, der für eine ausgewählte Temperatur berechnet werden kann, oder die Temperatur höchstens jene Temperatur ist, die für einen ausgewählten Druck berechnet werden kann, und zwar aus Gleichung 1, worin A den Wert 30864 hat und B den Wert 50,676 aufweist, stärker bevorzugt A den Wert 21719 hat und B den Wert 37,821 aufweist, insbesondere A den Wert 16895 hat und B den Wert 31,170 aufweist. In der Praxis kann es häufig ausreichen, dass der Druck höchstens jener Druck ist, der für eine ausgewählte Temperatur berechnet werden kann, oder die Temperatur wenigstens jene Temperatur ist, die für einen ausgewählten Druck berechnet werden kann, und zwar aus Gleichung 1, worin A den Wert 16947 hat und B den Wert 33,603 aufweist. Wie hier verwendet, sind "kondensierbare Kohlenwasserstoffe" solche Kohlenwasserstoffe, die einen Siedepunkt von wenigstens 25°C bei 1 bar aufweisen.
Zur Herstellung eines Kohlenwasserstofffluids mit einem niedrigen Ethylen-Ethan-Verhältnis, beispielsweise von höchstens 0,1, wird es bevorzugt, dass der Druck wenigstens jener Druck ist, der für eine ausgewählte Temperatur berechnet werden kann, oder die Temperatur höchstens jene Temperatur ist, die für einen ausgewählten Druck berechnet werden kann und zwar aus Gleichung 1, worin A den Wert 37379 hat und B den Wert 83,145 aufweist, stärker bevorzugt A den Wert 16056 hat und B den Wert 27,652 aufweist, insbesondere A den Wert 11736 hat und B den Wert 21,986 hat. In der Praxis kann es häufig genügen, dass der Druck höchstens jener Druck ist, der für eine ausgewählte Temperatur berechnet werden kann, oder die Temperatur wenigstens jene Temperatur ist, die für einen ausgewählten Druck berechnet werden kann, und zwar aus Gleichung 1, worin A den Wert 5492,8 hat und B den Wert 14,234 aufweist.
Zur Herstellung eines Kohlenwasserstofffluids, dessen kondensierbare Kohlenwasserstoffe ein hohes Wasserstoff/Kohlenstoff-Elementarverhältnis aufweisen, beispielsweise wenigstens 1,7, wird es bevorzugt, dass der Druck wenigstens jener Druck ist, der für eine ausgewählte Temperatur berechnet werden kann, oder die Temperatur höchstens jene Temperatur ist, die für einen ausgewählten Druck berechnet werden kann, und zwar aus Gleichung 1, worin A den Wert 38360 hat und B den Wert 60,531 aufweist, stärker bevorzugt A den Wert 12635 hat und B den Wert 23,989 aufweist, insbesondere A den Wert 7953,1 hat und B den Wert 17,889 aufweist. In der Praxis kann es häufig genügen, dass der Druck höchstens jener Druck ist, der für eine ausgewählte Temperatur berechnet werden kann, oder die Temperatur wenigstens jene Temperatur ist, die für einen ausgewählten Druck berechnet werden kann, und zwar aus Gleichung 1, worin A den Wert 6613,1 hat und B den Wert 16,364 aufweist.
Die potentielle Gesamtmenge an Kohlenwasserstofffluiden, die aus dem kohlenwasserstoffhältigen Material produziert werden kann, kann nach der Fischer-Probe bestimmt werden. Die Fischer-Probe ist eine Standardmethode, die ein Erhitzen einer Probe des kohlenwasserstoffhältigen Materials auf ungefähr 500°C, ein Auffangen der aus der erhitzten Probe gebildeten Produkte und ein Quantifizieren der Produkte umfaßt. Zur Herstellung einer großen Menge an Kohlenwasserstofffluid aus der kohlenwasserstoffhältigen Formation, beispielsweise von wenigstens 60% des nach der Fischer-Probe angegebenen Wertes, wird es bevorzugt, dass der Druck höchstens jener Druck ist, der für eine ausgewählte Temperatur berechnet werden kann, oder die Temperatur wenigstens jene Temperatur ist, die für einen ausgewählten Druck berechnet werden kann, und zwar aus Gleichung 1, worin A den Wert 11118 hat und B den Wert 23,156 aufweist, stärker bevorzugt A den Wert 13726 hat und B den Wert 26,635 aufweist, insbesondere A den Wert 20543 hat und B den Wert 36,191 aufweist. In der Praxis kann es häufig ausreichen, dass der Druck wenigstens jener Druck ist, der für eine ausgewählte Temperatur berechnet werden kann, oder die Temperatur höchstens jene Temperatur ist, die für einen ausgewählten Druck berechnet werden kann, und zwar aus Gleichung 1, worin A den Wert 28554 hat und B den Wert 47,084 aufweist.
In bestimmten Fällen kann es äußerst vorteilhaft sein, den Druck und die Temperatur derart zu regeln, dass sie zu den Werten von A und B gehören, die für Bedingungen von verhältnismäßig geringer Bevorzugung stehen, wie vorstehend angegeben. Dies kann beispielsweise dann der Fall sein, wenn eine bestimmte Kombination aus Produktmenge, Zusammensetzung und Qualität erwünscht ist. Somit schließt die vorstehende Offenbarung auch alle möglichen Unterbereiche mit ein, die durch Kombinieren von Sätzen für A und B, wie geoffenbart, definiert werden können. Im Besonderen kann es vorteilhaft sein, während der Produktion des Kohlenwasserstofffluids eine relevante Eigenschaft konstant zu halten, was dadurch erreicht werden kann, dass unter einem konstanten Wert der Parameter A und B gearbeitet wird.
Während der Pyrolyse und während der Förderung des Kohlenwasserstofffluids aus der Formation kann der Druck innerhalb breiter Bereich ausgewählt werden. In typischer Weise wird ein Druck von wenigstens 1,5 bar angelegt, stärker typisch von wenigstens 1,6 bar, insbesondere von wenigstens 1,8 bar. Wenn die Pyrolysetemperatur wenigstens 300°C beträgt, kann häufig ein Druck von wenigstens 1,6 bar angelegt werden, und unter 300°C kann ein Druck von wenigstens 1,8 bar angelegt werden. Die Obergrenze des Drucks kann durch die Festigkeit und das Gewicht der Überlagerung bestimmt werden. Häufig liegt unter praktischen Bedingungen der Druck unter 70 bar, häufiger unter 60 bar oder sogar unter 50 bar. Der Druck kann in vorteilhafter Weise innerhalb eines Bereiches von 2 bar bis 18 bar oder 20 bar, oder alternativ in einem Bereich von 20 bar bis 36 bar eingeregelt werden.
In einer bevorzugten Ausführungsform wird, wie zuvor angeführt, ein Wasserstoff-Partialdruck aufrecht erhalten. Typisch beträgt der Partialdruck wenigstens 0,5 bar, beispielsweise bis zu 20 bar, in typischerer Weise von 1 bar bis 10 bar, ins besondere im Bereich von 5 bar bis 7 bar. Das Aufrechterhalten eines Wasserstoff-Partialdrucks innerhalb der Formation erhöht insbesondere die API-Dichte von produzierten Kohlenwasserstofffluiden und verringert die Ausbildung von langkettigen Kohlenwasserstofffluiden.
Die vorliegenden Lehren hinsichtlich des Wasserstoff-Partialdrucks sind unabhängig von der Anwendung der Temperatur/Druck-Regelung dieser Erfindung anwendbar.
Es können wenigstens 20%, typisch wenigstens 25%, vorzugsweise wenigstens 35% des anfänglichen Gesamtgehaltes an organischem Kohlenstoff der kohlenwasserstoffhältigen Formation oder des Teils davon, die der Pyrolyse unterzogen werden, zu Kohlenwasserstofffluiden umgewandelt werden. In der Praxis können häufig höchstens 90% des Gesamtgehaltes an organischem Kohlenstoff der kohlenwasserstoffhältigen Fraktion, oder des Teiles davon, die der Pyrolyse unterzogen werden, zu Kohlenwasserstofffluiden umgewandelt werden, häufiger kann dies höchstens 80% oder höchstens 70% oder höchstens 60% betragen.
In bestimmten Ausführungsformen kann nach der Pyrolyse aus den in der kohlenwasserstoffhältigen Formation verbleibenden Kohlenwasserstoffen ein Synthesegas produziert werden. Die Pyrolyse kann eine verhältnismäßig hohe, im Wesentlichen gleichförmige Permeabilität durch die gesamte kohlenwasserstoffhältige Formation oder den pyrolysierten Teil davon ausbilden. Eine derartige, verhältnismäßig hohe, im Wesentlichen gleichförmige Permeabilität ermöglicht die Bildung von Synthesegas, ohne signifikante Mengen an Kohlenwasserstofffluiden in dem Synthesegas auszubilden. Der Teil weist auch eine hohe Oberflächengröße und/oder ein hohes Oberflächen/Volumen-Verhältnis auf. Die hohe Oberflächengröße kann dazu führen, dass die Synthesegas produzierenden Reaktionen im Wesentlichen bei Gleich gewichtsbedingungen während der Synthesegasbildung sind. Die verhältnismäßig hohe, im Wesentlichen gleichförmige Permeabilität kann zu einer verhältnismäßig hohen Gewinnungseffizienz an Synthesegas führen, verglichen mit einer Synthesegasbildung in einer kohlenwasserstoffhältigen Formation, die nicht einer Pyrolyse unterworfen worden ist. Diese Lehre ist unabhängig von der Anwendung der Temperatur/Druck-Regelung dieser Erfindung anwendbar.
Die Pyrolyse von wenigstens einem Teil des kohlenwasserstoffhältigen Materials kann in einigen Ausführungsformen 20% des anfänglich verfügbaren Kohlenstoffs umwandeln. Die Synthesegasbildung kann wenigstens weitere 10% und typisch bis zu weiteren 70% des anfänglich verfügbaren Kohlenstoffs umwandeln. In dieser Weise kann eine in situ-Produktion von Synthesegas aus einer kohlenwasserstoffhältigen Formation eine Umwandlung von größeren Mengen von anfänglich verfügbarem Kohlenstoff innerhalb des Teils der Formation ermöglichen.
Das Synthesegas kann aus der Formation vor oder nach der Produktion des Kohlenwasserstofffluids aus der Formation produziert werden. Das Synthesegas, wenngleich im Allgemeinen als ein Gemisch aus Wasserstoff (H₂) und Kohlenmonoxid (CO) definiert, kann weitere Bestandteile umfassen, wie Wasser, Kohlendioxid (CO₂), Methan und andere Gase.
Die Synthesegasbildung kann aufgenommen werden, bevor und/oder nachdem die Kohlenwasserstofffluidproduktion auf ein unwirtschaftliches Ausmaß abnimmt. In dieser Weise kann die zum Pyrolysieren gelieferte Wärme auch zur Bildung von Synthesegas ausgenützt werden. Wenn beispielsweise ein Teil der Formation nach der Pyrolyse sich auf 375°C befindet, dann wird im Allgemeinen weniger zusätzliche Wärme benötigt, um einen derartigen Abschnitt auf eine Temperatur zu erhitzen, die zur Stützung der Synthesegasbildung ausreichend ist. In bestimmten Fällen kann die Wärme aus einer oder aus mehreren Wärmequellen geliefert werden, um die Formation auf eine Temperatur zu erhitzen, die für eine Synthesegasbildung ausreichend ist (beispielsweise im Bereich von 400°C bis 1200°C oder darüber). Am oberen Ende des Temperaturbereiches kann das gebildete Synthesegas meistens H₂ und CO einschließen, beispielsweise in einem Molverhältnis 1:1. Am unteren Ende dieses Temperaturbereiches kann das gebildete Synthesegas ein höheres H₂/CO-Verhältnis aufweisen. Es können Heizbohrungen, Heizquellen und Förderbohrungen innerhalb der Formation zum Pyrolysieren und zum Fördern von Kohlenwasserstofffluiden aus der Formation während der Synthesegasproduktion als eine Injektionsbohrung zum Einführen von Synthesegas produzierendem Fluid, als eine Förderbohrung oder als eine Heizquelle zum Erhitzen der Formation verwendet werden. Die Heizquellen für die Synthesegasproduktion können beliebige Heizquellen einschließen, wie zuvor geoffenbart. In alternativer Weise kann das Erhitzen ein Übertragen von Wärme aus einem Wärmetransferfluid, beispielsweise Dampf oder Verbrennungsprodukte aus einem Brenner, einschliessen, die innerhalb einer Vielzahl von Bohrungen innerhalb der Formation strömen.
Der Formation kann ein Synthesegas generierendes Fluid, beispielsweise flüssiges Wasser, Dampf, Kohlendioxid, Luft, Sauerstoff, Kohlenwasserstoffe und Gemische davon, zugeführt werden. Beispielsweise kann das Synthesegas bildende Fluidgemisch Dampf und Sauerstoff einschließen. Das Synthesegas generierende Fluid kann ein wässeriges Fluid einschließen, das durch Pyrolyse von kohlenwasserstoffhältigem Material in einem anderen Teil der Formation produziert worden ist. Das Beistellen des Synthesegas generierenden Fluids kann in alternativer Weise das Anheben eines Grundwasserspiegels der Formation einschließen, um das Wasser in die Formation einströmen zu lassen. Das Synthesegas generierende Fluid kann auch durch eine Injektionsbohrung eingebracht werden. Das Synthesegas generierende Fluid wird im Allgemeinen mit dem Kohlenstoff in der Formation unter Ausbildung von H₂, Wasser (als Flüssigkeit oder als Dampf), CO₂ und/oder CO reagieren.
Aus dem Synthesegas kann Kohlendioxid abgetrennt und mit dem Synthesegas generierenden Fluid wieder in die Formation injiziert werden. Durch eine Verschiebung der herrschenden chemischen Gleichgewichtsreaktionen kann das dem Synthesegas generierenden Fluid zugesetzte Kohlendioxid eine weitere Bildung von Kohlendioxid während der Synthesegasbildung im Wesentlichen verhindern. Das Kohlendioxid kann auch mit dem Kohlenstoff in der Formation zur Ausbildung von Kohlenmonoxid reagieren.
Zu dem Synthesegas generierenden Fluid können auch Kohlenwasserstoffe wie Ethan zugesetzt werden. Beim Einbringen in die Formation können die Kohlenwasserstoffe unter Bildung von Wasserstoff und/oder Methan gecrackt werden. Das Vorliegen von Methan in dem gebildeten Synthesegas kann dessen Heizwert erhöhen. Die Reaktionen zur Bildung von Synthesegas sind typisch endotherme Reaktionen. Während der Synthesegasproduktion kann der Formation Wärme zugeführt werden, um die Temperatur der Formation auf der gewünschten Höhe zu halten. Die Wärme kann aus Wärmequellen und/oder durch Einbringen von Synthesegas generierendem Fluid zugeführt werden, das eine höhere Temperatur als die Temperatur der Formation aufweist. In alternativer Weise kann zu dem Synthesegas generierenden Fluid ein Oxidationsmittel zugesetzt werden, beispielsweise Luft, mit Sauerstoff angereicherte Luft, Sauerstoff, Wasserstoffperoxid, andere oxidierende Fluide oder Kombinationen davon. Das Oxidationsmittel kann mit Kohlenstoff innerhalb der Formation unter Freisetzung von Wärme und unter Bildung von CO₂ und/oder CO reagieren. In einer bevorzugten Ausführungsform werden Sauerstoff und Wasser (oder Dampf) der Formation zugeführt, bei spielsweise in einem Molverhältnis von 1:2 bis 1:10, vorzugsweise von 1:3 bis 1:7, beispielsweise 1:4.
Die kohlenwasserstoffhältige Formation kann während der Synthesegasproduktion auf einem verhältnismäßig hohen Druck gehalten werden. Das Synthesegas kann in einem breiten Temperaturbereich generiert werden, beispielsweise zwischen 1 bar und 100 bar, stärker typisch zwischen 2 bar und 80 bar, insbesondere zwischen 5 bar und 60 bar. Hohe Betriebsdrücke können zu einer gesteigerten H₂-Produktion führen. Hohe Betriebsdrücke können die Gewinnung von Elektrizität ermöglichen, indem das produzierte Synthesegas durch eine Turbine geführt wird, und sie können kleinere Sammelleitungen für den Transport des produzierten Synthesegases ermöglichen.
Das Synthesegas kann in einem breiten Temperaturbereich generiert werden, wie zwischen 400°C und 1200°C, typischer zwischen 600°C und 1000°C. Bei einer verhältnismäßig niedrigen Synthesegasgenerierungstemperatur kann ein Synthesegas produziert werden, das ein hohes H₂/CO-Verhältnis aufweist. Eine verhältnismäßig hohe Formationstemperatur kann zu einem Synthesegas mit einem H₂/CO-Verhältnis führen, das sich dem Wert 1 annähert, und der Strom kann meistens (und in einigen Fällen im Wesentlichen nur) H₂ und CO einschließen. Bei einer Formationstemperatur von etwa 700°C kann die Formation zu einem Synthesegas mit einem H₂/CO-Verhältnis von 2 führen. Typisch kann ein Synthesegas generiert werden, das ein H₂/CO-Molverhältnis im Bereich von 1:4 bis 8:1, typischer im Bereich von 1:2 bis 4:1, insbesondere im Bereich von 1:1 bis 2,5:1 aufweist. Bestimmte Ausführungen können ein Vermischen eines ersten Synthesegases mit einem zweiten Synthesegas umfassen, um ein Synthesegas mit einer gewünschten Zusammensetzung zu ergeben. Das erste und das zweite Synthesegas können aus verschiedenen Teilen der Formation produziert werden.
Die kohlenwasserstoffhältige Formation oder jener Teil davon, die einer Pyrolyse und gegebenenfalls einer Synthesegasgenerierung unterzogen worden sind, können abkühlen gelassen werden oder können abgekühlt werden, um eine abgekühlte, verbrauchte Formation auszubilden. Nach der Produktion von Kohlenwasserstofffluiden und/oder Synthesegas kann innerhalb der Formation ein Fluid (beispielsweise Kohlendioxid) abgesondert werden. Zur Speicherung einer erheblichen Menge an Fluid innerhalb der Formation wird die Temperatur der Formation häufig unter 100°C betragen müssen, beispielsweise herab bis auf 20°C. Es kann Wasser in die Formation eingebracht werden, um Dampf zu generieren und die Temperatur der Formation zu erniedrigen. Der Dampf kann aus der Formation abgenommen werden. Der Dampf kann für verschiedene Zwecke verwendet werden, beispielsweise zum Erwärmen eines anderen Teils der Formation, zum Generieren von Synthesegas in einem benachbarten Teil der Formation oder als Dampf-Flutungsmittel in einem Ölreservoir. Nach dem Abkühlen der Formation kann ein Fluid unter Druck gesetzt und in die Formation eingebracht werden. Das Absondern von Fluid innerhalb der Formation kann zu einer signifikanten Verringerung oder Eliminierung von Fluid führen, das in die Umwelt freigesetzt wird, und zwar infolge der Ausführung des vorliegenden in situ-Verfahrens. Die erschöpfte Formation eignet sich ganz besonders für diesen Zweck, weil sie eine Struktur von hoher Porosität und hoher Permeabilität für Fluide aufweist, insbesondere für Gase.
Das abzusondernde Fluid kann unter Druck, beispielsweise im Bereich von 5 bar bis 50 bar, in die abgekühlte, erschöpfte Formation injiziert und an das kohlenwasserstoffhältige Material in der Formation adsorbiert werden. Eine nachfolgende Zugabe von Wasser zu der Formation kann eine Desorption des Kohlendioxids verhindern. Ein Beispiel für ein Verfahren zur Speicherung von Kohlendioxid wird im Patent US-A-5,566,756 veranschaulicht.
Die hier beschriebenen Synthesegase können zu Kohlenwasserstoffen umgewandelt werden, einschließlich Methanol, oder in andere Produkte, wie Ammoniak. Beispielsweise kann ein Fischer-Tropsch-Kohlenwasserstoff-Syntheseverfahren konfiguriert werden, um Synthesegas in Paraffine umzuwandeln. Das Synthesegas kann auch in einem katalytischen Methanisierungsverfahren zur Herstellung von Methan verwendet werden. In alternativer Weise kann das Synthesegas zur Herstellung von Methanol, Benzin- und Dieseltreibstoff, Ammoniak und von Mitteldestillaten verwendet werden.
Das Synthesegas kann auch als eine Energiequelle verwendet werden. Beispielsweise kann es als ein Brennstoff, zum Erhitzen der kohlenwasserstoffhältigen Formation oder zur Dampfbereitung und dann zum Antrieb von Turbinen für die Gewinnung von Elektrizität verwendet werden. Das Synthesegas kann zur Gewinnung von Elektrizität durch Vermindern des Drucks des Synthesegases in Turbinen oder durch Ausnützung der Temperatur des Synthesegases zur Dampferzeugung und dann zum Antrieb von Turbinen verwendet werden. Das Synthesegas kann auch in einer Energiegewinnungseinheit wie einer Schmelzcarbonat-Brennstoffzelle, einer Festoxid-Brennstoffzelle oder in einer anderen Brennstoffzellentype verwendet werden.
Das H₂/CO-Molverhältnis für das als ein Speisegas für eine Fischer-Tropsch-Reaktion verwendete Synthesegas beträgt typisch etwa 2:1. Das Fischer-Tropsch-Verfahren ergibt typisch verzweigte und unverzweigte Paraffine, die durch Hydrocracken umgewandelt werden können, um Kohlenwasserstoffprodukte zu ergeben, die beispielsweise Diesel-, Düsenkraftstoff- und Naphtha-Produkte einschließen. Beispiele für Umwandlungsverfahren von Synthesegas zu Kohlenwasserstoffen in einem Fischer-Tropsch-Verfahren werden in den Patentschriften US-A-4,096,163, US-A-4,594,468, US-A-6,085,512 und US-A-6,172,124 veranschaulicht.
Es kann wünschenswert sein, dass die Zusammensetzung eines gebildeten Synthesegases, das als ein Speisegas für ein katalytisches Methanisierungsverfahren verwendet werden kann, ein H₂/CO-Molverhältnis von 3:1 bis 4:1 aufweist. Beispiele für ein katalytisches Methanisierungsverfahren werden in den Patentschriften US-A-3,992,148, US-A-4,130,575 und US-A-4,133,825 veranschaulicht.
Beispiele für Verfahren zur Herstellung von Methanol aus Synthesegas werden in den Patentschriften US-A-4,407,973, US-A-4,927,857 und US-A-4,994,093 veranschaulicht.
Beispiele für ein Verfahren zur Herstellung von Motortreibstoffen werden in den Patentschriften US-A-4,076,761, US-A-4,138,442 und US-A-4,605,680 veranschaulicht.
Das nachfolgende Beispiel veranschaulicht die Erfindung.
Beispiel 1
Zahlreiche Proben einer Ölschieferablagerung bei Green River (Colorado, USA) wurden bei verschiedenen Temperaturen und Drücken pyrolysiert, um die Auswirkungen von Pyrolysetemperatur und -druck auf die Qualität und Quantität der produzierten Kohlenwasserstofffluide zu bestimmen.
Ein Druckgefäß aus rostfreiem Stahl wurde konfiguriert, um eine Ölschieferprobe aufzunehmen. Der Behälter und die mit dem Behälter verbundenen Strömungsleitungen wurden mit elektrischem Heizband umwickelt, um eine im Wesentlichen gleichförmige Erhitzung des gesamten Behälters und der Strömungsleitungen zu ergeben. Die Strömungsleitungen enthielten ein Gegendruckventil für Versuche bei erhöhten Drücken. Nach dem Passieren des Ventils wurden die Produkte in einem konventionellen Labor-Glaskühler bei Atmosphärendruck gekühlt und analysiert. Die Testwerte wurden zur Bestimmung einer Druck/Temperatur- Beziehung für spezifische Qualitäts- und Ausbeuteaspekte des Produktes mit Hilfe von Gleichung 1 und der Parameter A und B herangezogen, wie zuvor ausgeführt. Die Ergebnisse zeigen, dass durch Erhöhen des Drucks der Gehalt an Kohlenwasserstoffen mit einer Kohlenstoffanzahl von 25 oder darüber verringert wird, die API-Dichte erhöht wird, das Ethylen/Ethan-Verhältnis vermindert wird, das H/C-Verhältnis erhöht wird und die Ausbeute an Kohlenwasserstoffen, bezogen auf die Fischer-Probe, vermindert wird.

Claims

Verfahren zur in situ-Behandlung einer Kohlenwasserstoffe enthaltenden Formation und zur Ausbildung eines Kohlenwasserstofffluids aus der Formation, welches Verfahren ein Pyrolysieren von in der Formation vorliegenden Kohlenwasserstoffen während der Ausbildung des Kohlenwasserstofffluids aus der Formation unter Anwendung einer Druck/Temperatur-Regelung umfaßt, dadurch gekennzeichnet, daß der Druck wenigstens jener Druck ist, der für eine ausgewählte Temperatur berechnet werden kann, oder die Temperatur höchstens jene Temperatur ist, die für einen ausgewählten Druck berechnet werden kann, und zwar aus der Gleichung
worin P der Druck (Bar absolut) ist, T die Temperatur ist (°C) und A und B vorbestimmte Parameter sind, worin der Wert für A im Bereich von 5.000 bis zu 60.000 liegt, der Wert für B im Bereich von 10 bis zu 90 liegt und P kleiner als 70 bar ist, zur Regelung einer Eigenschaft, die für die Quantität, die Zusammensetzung oder die Qualität der produzierte Kohlenwasserstofffluide relevant ist, und daß eine Wärmequelle angewandt wird, die zum Erhitzen der Formation durch konduktives Erwärmen konfiguriert ist.
Verfahren nach Anspruch 1, worin die die Kohlenwasserstoffe enthaltende Formation ein Kerogen, wie Kohle oder Ölschiefer, oder schwere Kohlenwasserstoffe, wie einen Teersand, umfaßt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 2, worin die in der Formation vorliegenden Kohlenwasserstoffe durch Erhit zen auf eine Temperatur im Bereich von 250°C bis 400°C pyrolysiert werden.
Verfahren nach Anspruch 3, worin die Temperatur im Bereich von 260°C bis 375°C liegt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, worin der Druck wenigstens 1,4 bar beträgt und worin dann, wenn der Druck 3,52 bar beträgt und die Pyrolyse bei einer Temperatur von bis zu 301,7°C erfolgt, eine andere Erhitzungsquelle angewandt wird als eine Erhitzungsquelle, die ausschließlich Radiofrequenzerwärmung schafft.
Verfahren nach Anspruch 1, das ein Pyrolysieren von in der Formation vorliegenden Kohlenwasserstoffen während der Bildung des Kohlenwasserstofffluids aus der Formation unter Anwendung einer Druck/Temperatur-Regelung und in Gegenwart von Wasserstoff bei einem Wasserstoffpartialdruck von wenigstens 0,5 bar, beispielsweise im Bereich von 1 bar bis 10 bar, insbesondere von 5 bar bis 7 bar umfaßt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, worin A den Wert 14.000 aufweist und B den Wert 25 hat.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, worin A den Wert 24.146 aufweist und B den Wert 43,349 hat.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, worin A den Wert 30.864 aufweist und B den Wert 50,676 hat.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, worin A den Wert 16.947 aufweist und B den Wert 33,603 hat.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, worin A den Wert 57.379 aufweist und B den Wert 83,145 hat.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, worin A den Wert 5.492,8 aufweist und B den Wert 14,234 hat.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, worin A den Wert 38.360 aufweist und B den Wert 60,531 hat.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, worin A den Wert 6.613,1 aufweist und B den Wert 16,364 hat.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, worin A den Wert 28.554 aufweist und B den Wert 47,084 hat.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, worin A den Wert 11.118 aufweist und B den Wert 23,156 hat.
Verfahren zur Herstellung von Synthesegas, welches Verfahren umfaßt: – Bereitstellen einer Kohlenwasserstoffe enthaltenden Formation, die nach dem Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 16 behandelt wird; und – anschließend Umsetzen wenigstens eines Teiles der behandelten Kohlenwasserstoffe enthaltenden Formation mit einem Synthesegas generierenden Fluid.
Verfahren zur Herstellung von Kohlenwasserstoffen, umfassend das Bereitstellen eines Synthesegases, das gemäß Anspruch 17 hergestellt worden ist, und ein Umwandeln des Synthesegases zu Kohlenwasserstoffen.
Verfahren nach Anspruch 18, worin das Synthesegas nach einem Fischer-Tropsch-Kohlenwasserstoffsyntheseverfahren zu Paraffinen umgewandelt wird und die Paraffine in einem Hydrocracker konvertiert werden.
Verfahren zur Gewinnung von Energie, umfassend das Bereitstellen eines Synthesegases, das gemäß Anspruch 17 hergestellt worden ist, und ein Expandieren und/oder Verbrennen des Synthesegases oder das Verwenden des Synthesegases in einer Brennstoffzelle.