EA004089B1 - Способ обработки углеводородсодержащего пласта - Google Patents

Abstract

Изобретение относится к способу обработки углеводородсодержащего пласта in situ и добычи из этого пласта углеводородного флюида, включающий осуществление пиролиза присутствующих в пласте углеводородов при давлении, составляющем по меньшей мере 1,5 бар (150 кПа) во время добычи углеводородного флюида из пласта. Необязательно, способ сопровождается стадией получения синтез-газа, включающей проведение реакции углеводородсодержащего пласта, который является частично истощенным в результате применения способа по настоящему изобретению, с текучей средой, генерирующей синтез-газ. Необязательно, полученный таким образом синтез-газ превращают в углеводороды и/или вырабатывают энергию путем расширения и/или сжигания полученного синтез-газа либо путем использования его в топливном элементе.

Description

Изобретение относится к способу обработки углеводородсодержащего пласта ίη яШ и добыче углеводородного флюида из этого пласта путем осуществления пиролиза углеводородов, присутствующих в пласте.

Углеводороды, получаемые из подземных пластов, часто используют в качестве энергетических ресурсов, в качестве промышленного сырья и в качестве потребительских товаров. Беспокойство об уменьшении доступных ресурсов углеводородного сырья привело к разработке способов более эффективной добычи, обработки и использования имеющихся углеводородных ресурсов. Для извлечения углеводородных материалов из подземных пластов можно использовать способы ίη яШ. Для того, чтобы облегчить извлечение углеводородных материалов из подземного пласта, может потребоваться изменение химических и/или физических свойств углеводородного материала внутри подземного пласта. Химические и физические изменения могут включать реакции ίη 8Йи, которые приводят к получению извлекаемых флюидов, изменениям растворимости, изменениям фаз и/или к изменениям вязкости углеводородного материала внутри пласта. Флюид может представлять собой, не ограничиваясь нижеперечисленным, газ, жидкость, эмульсию, суспензию и/или поток твердых частиц, имеющий характеристики текучести, подобные характеристикам потока жидкости.

Примеры процессов ίη мкг в которых используются скважинные нагревательные установки, описываются в патентах υδ-Α-2634961, υδ-Ά-2732195, υδ-Α-2780450, υδ-Α-2789805, И8-Л-2923535 и υδ-Α-4886118.

Например, подача тепла к пластам нефтеносных сланцев описывается в патентах υδ-Α2923535 и υδ-Α-4886118. В этих патентах указано, что тепло подается к пласту горючего сланца для того, чтобы осуществить пиролиз керогена в этом пласте. Нагревание ведет также к разрывам пласта, что увеличивает его проницаемость. Повышенная проницаемость позволяет углеводородным флюидам перемещаться к добывающей скважине, где флюид извлекают из пласта нефтеносного сланца.

В патентах США υδ-Α-4306621 и υδ-Α4662439 описываются способы подземной газификации угля, в которых применяют повышенное давление и создают путь сбойки между скважиной для закачивания окислителя и добывающей скважиной, с помощью создания трещин или путем применения взрывчатки, и впоследствии этот путь сбойки служит в качестве пути соединения с источником тепла.

Большое число попыток было предпринято для разработки способов и систем экономически выгодной добычи углеводородов, водорода и/или других продуктов из углеводородсодержащих пластов. Однако в настоящее время все ещё много углеводородсодержащих пластов, из которых нельзя экономически выгодно добывать углеводороды, водород и/или другие продукты. Поэтому все еще существует необходимость в улучшенных способах и системах добычи углеводородов, водорода и/или других продуктов из различных углеводородсодержащих пластов.

В настоящее время установлено, что при применении давления при пиролизе углеводородсодержащего пласта, который нагревают с помощью источника тепла, пригодного для нагревания за счет теплопроводности, во время добычи углеводородных флюидов это дает неожиданные преимущества.

Повышенное давление в пласте приводит к добыче улучшенных углеводородных флюидов. Когда давление внутри пласта повышается, добываемые из пласта углеводородные флюиды включают большую часть неконденсируемых компонентов. Таким образом, значительное количество (например, большинство) углеводородных флюидов, добываемых при таком давлении, включает более легкий и более высококачественный конденсируемый компонент, чем углеводородные флюиды, добываемые при более низком давлении.

Установили, что поддержание повышенного давления внутри нагретого пласта существенно уменьшает добычу углеводородных флюидов, имеющих количество атомов углерода выше, например, около 25, и/или включающих соединения полициклических углеводородов. Выяснилось также, что поддержание повышенного давления внутри нагретого пласта приводит к увеличению плотности добываемых из пласта углеводородных флюидов в градусах ΑΡΙ (Американского нефтяного института). Таким образом, повышенное давление может увеличить добычу флюидов, содержащих углеводороды с относительно короткой цепью, имеющих более высокую плотность в градусах ΑΡΙ.

Кроме того, поддержание повышенного давления внутри пласта ингибирует образование осадка. Поддержание повышенного давления внутри пласта ведет также к уменьшению требующихся размеров коллекторных трубопроводов, используемых для транспортировки конденсируемых компонентов. Поддержание повышенного давления внутри пласта может также повысить выработку электроэнергии из добываемого неконденсируемого флюида. Например, получаемый неконденсируемый флюид можно пропускать через турбину с целью выработки электроэнергии.

Эти преимущества являются неожиданными, например, с точки зрения патента υδ-Α2923535, в котором применяли повышенное давление путем перекрывания всех газовых выпускных клапанов с целью испытания пористости пласта и его проницаемости для газов и паров. В υδ-Α-2923535 ничего не говорится о поддержании повышенного давления во время добычи газов и паров.

Настоящее изобретение обеспечивает способ обработки углеводородсодержащего пласта ίη δίΐιι и добычи углеводородного флюида из этого пласта, включающий осуществление пиролиза углеводородов, присутствующих в пласте, при давлении, составляющем по меньшей мере 2 бар (200 кПа), во время добычи углеводородного флюида из пласта, нагреваемого с помощью источника тепла, пригодного для нагревания способом передачи тепла.

Изобретение также обеспечивает способ получения синтез-газа, включающий обеспечение углеводородсодержащего пласта, который обрабатывают в соответствии с настоящим изобретением, и проведение реакции углеводородсодержащего пласта с текучей средой, генерирующей синтез-газ.

Изобретение касается также способа добычи углеводородов, включающего обеспечение синтез-газа, полученного в соответствии с настоящим изобретением, и превращение этого синтез-газа в углеводороды.

Изобретение касается также способа выработки энергии, включающего обеспечение синтез-газа, полученного в соответствии с настоящим изобретением, и расширение и/или сжигание этого синтез-газа.

И8-Л-5236039 описывает способ обработки углеводородсодержащего пласта ίη δίΐιι. с использованием высокочастотных источников тепла для нагревания пласта до температуры пиролиза. В этом документе не приводится никаких общих положений относительно влияния давления на данный способ или на его результаты. Однако описывается пример, в котором давление в 50 фунтов на квадратный дюйм (примерно 352 кПа) в комбинации с температурой пиролиза до 301,7°С, использовали для моделирования описываемого изобретения (сравните с табл. 1 в указанной публикации). Применение в способе обработки по данному изобретению давления в 3,52 бар (352 кПа) при температурах вплоть до 301,7°С, в сочетании с применением высокочастотного нагрева, исключается из объема защиты настоящего изобретения.

Кроме особо оговоренных случаев, термин «давление» в настоящем описании относится к абсолютному давлению. Предполагается, что давление, преобладающее во время добычи углеводородного флюида из пласта или во время образования синтез-газа, измеряют в добывающей скважине, в непосредственной близости от соответствующей части пласта, в котором происходит пиролиз или получение синтез-газа.

Предпочтительно, чтобы углеводородсодержащий пласт для использования по настоящему изобретению содержал кероген. Кероген состоит из органического вещества, трансформированного в результате процесса созревания.

Углеводородсодержащие пласты, содержащие кероген, могут представлять собой, например, углесодержащие пласты и пласты, содержащие нефтеносные сланцы. В качестве альтернативы, можно обрабатывать углеводородсодержащие пласты, не содержащие кероген, например, пласты, содержащие тяжелые углеводороды (например, битуминозные пески).

Углеводородсодержащие пласты можно выбирать для обработки ίη δίΐιι на основании свойств по меньшей мере части пласта, так, чтобы это приводило к добыче высококачественных флюидов из пласта. Например, углеводородсодержащие пласты, включающие кероген, можно определить или выбрать для обработки на основании коэффициента витринитного отражения керогена. Коэффициент витринитного отражения часто связан с отношением в керогене элементарного кислорода к углероду. Предпочтительно, чтобы коэффициент витринитного отражения находился в интервале от 0,2 до 3,0%, более предпочтительно - от 0,5 до 2,0%. Такие интервалы коэффициентов витринитного отражения указывают на то, что из такого пласта можно добыть углеводородные флюиды относительно более высокого качества.

Углеводородсодержащий пласт можно выбирать для обработки на основании содержания элементарного водорода в углеводородах в углеводородсодержащем пласте. Например, способ обработки углеводородсодержащего пласта может, как правило, включать выбор для обработки углеводородсодержащего пласта, имеющего углеводороды с содержанием элементарного водорода выше, чем 2 мас.%, в частности выше, чем 3 мас.% и более конкретно - выше, чем 4 мас.%, в расчете на сухое беззольное вещество. Предпочтительно, чтобы углеводородсодержащий пласт содержал углеводороды с отношением элементарного водорода к углероду в интервале от 0,5 до 2, в частности от 0,70 до 1,7. Величина содержания элементарного водорода может оказывать значительное влияние на состав добываемых углеводородных флюидов, например, из-за образования молекулярного водорода. Таким образом, если в пласте присутствует слишком мало водорода, то это отрицательно влияет на количество и качество добываемых флюидов. Желательно поддерживать парциальное давление водорода, и если в естественном состоянии присутствует слишком мало водорода, то в пласт можно добавить водород или другие восстанавливающие текучие среды.

Содержащиеся в пласте углеводороды могут, как правило, иметь содержание элементарного кислорода, составляющее менее 20 мас.% , в частности, менее 15 мас.% и более конкретно менее 10 мас.% в расчете на сухое беззольное вещество. Как правило, отношение элементарного кислорода к углероду составляет менее 0,15. Таким образом, образование двуокиси углерода и других оксидов в процессе превраще5 ния углеводородсодержащего материала ίη 8Йи можно уменьшить. Часто отношение элементарного кислорода к углероду лежит в интервале от 0,03 до 0,12.

Нагревание углеводородсодержащего пласта, как правило, включает подачу большого количества энергии к источникам тепла, расположенным внутри пласта. Углеводородсодержащие пласты могут содержать воду. Присутствие воды в углеводородсодержащем пласте может потребовать увеличения количества энергии, требующегося для нагревания углеводородсодержащего пласта, поскольку для испарения воды из пласта требуется большое количество энергии. Поэтому для нагревания пласта, имеющего высокое содержание влаги, может потребоваться дополнительное количество тепла и/или времени. Предпочтительно, чтобы содержание воды в углеводородсодержащем пласте составляло менее 15 мас.%, более предпочтительно - менее 10 мас.%.

Углеводородсодержащий пласт или его часть, подвергаемая пиролизу, может иметь ширину, составляющую, например, по меньшей мере 0,5 м, или по меньшей мере 1,5 м, или по меньшей мере 2,4 м, или даже по меньшей мере 3,0 м. Эта ширина может составлять до 100 м, или до 1000 м, или даже до 2000 м или более. Углеводородсодержащий пласт или его часть, подвергаемая пиролизу, может иметь толщину слоя, составляющую, например, по меньшей мере 2 м, более типично - в интервале от 4 до 100 м, еще более типично - от 6 до 60 м. Покрывающий слой углеводородсодержащего пласта может иметь толщину, например, по меньшей мере 10 м, более типично - в интервале от 20 до 800 м, или до 1000 м или более.

Углеводородсодержащий пласт можно нагревать в соответствии со способами, известными в данной области техники, до температуры, достаточной для пиролиза углеводородов, присутствующих в пласте, с использованием одного или более источников тепла, размещенных в нагревательных скважинах.

Нагревательные скважины могут быть расположены в непосредственной близости от углеводородсодержащего пласта, а предпочтительно внутри него. Предпочтительно используют несколько источников тепла, чтобы можно было нагреть большой углеводородный пласт (или большую его часть), и предпочтительно так, чтобы происходило наложение (перекрытие) потоков тепла, вырабатываемых источниками тепла. Наложение тепла может уменьшить время, необходимое для достижения температур пиролиза. Наложение тепла может обеспечить относительно большие расстояния между соседними источниками тепла, что в свою очередь обеспечивает относительно низкую скорость нагревания углеводородсодержащего пласта. Наложение тепла может обеспечить также одинаковое нагревание, так, чтобы можно было регулировать температуры для того, чтобы получать флюиды равномерно и с желаемыми свойствами во всем углеводородсодержащем пласте (или в большой его части).

Расстояние между источниками тепла, как правило, может находиться в интервале от 5 до 20 м, предпочтительно от 8 до 12 м. Расположение равноудаленных друг от друга источников тепла предпочтительно имеет треугольную конфигурацию, поскольку при этом создается более равномерное нагревание пласта, по сравнению с другими конфигурациями, такими как в виде шестиугольников. Кроме того, треугольная конфигурация обеспечивает более быстрое нагревание до заданной температуры по сравнению с другими конфигурациями, такими, как в виде шестиугольников.

Можно использовать любые обычные источники тепла. Предпочтительно использовать источники тепла, пригодные для нагревания за счет теплопроводности, например, любой вид электронагревателя или любой вид топливного нагревателя. Менее предпочтительны источники тепла, использующие высокочастотное нагревание.

Поскольку проницаемость и/или пористость в нагреваемом пласте относительно быстро увеличиваются, то получаемые пары могут проходить значительные расстояния через пласт, с относительно низким перепадом давления. Увеличение проницаемости является результатом уменьшения массы нагретой части из-за испарения воды, удаления углеводородов и/или образования трещин. Для добычи углеводородных флюидов можно пробурить добывающие скважины, предпочтительно около верхней поверхности пласта. Флюиды, образовавшиеся в углеводородсодержащем пласте, могут проходить значительное расстояние через углеводородсодержащий пласт в виде пара. Такое значительное расстояние может составлять, например, от 50 до 1000 м. Пар может иметь относительно небольшое падение давления при прохождении через значительное расстояние, благодаря проницаемости нагретой части пласта. Благодаря такой проницаемости, добывающие скважины могут потребоваться только для каждой второй нагревательной установки, или для каждой третьей, четвертой, пятой, шестой нагревательной установки, каждая из которых может включать по несколько нагревательных скважин, например, две, три или шесть. Добывающие скважины могут представлять собой обсаженные скважины, которые могут иметь скважинный фильтр или перфорированные обсадные колонны. Кроме того, добывающие скважины могут быть окружены песком или гравием, для того, чтобы свести к минимуму падение давления флюидов, входящих в обсадную колонну.

Кроме того, для удаления жидкой воды из углеводородсодержащего пласта могут быть

Ί предусмотрены водооткачивающие скважины или вакуумные скважины. Например, несколько водозаборных скважин могут окружать весь подлежащий нагреванию пласт или его часть.

Добываемый углеводородный флюид представляет собой материал, содержащий углерод и водород в их молекулярной форме. Он может также включать другие элементы, такие как галогены, металлические элементы, азот, кислород и серу.

Углеводородсодержащий пласт нагревают до температуры, при которой может происходить пиролиз. Интервал температур пиролиза может включать температуры, например, до 900°С. Большинство углеводородных флюидов можно добывать при использовании температур пиролиза в интервале от 250 до 400°С, более предпочтительно - в интервале от 260 до 375°С. Температуры, достаточные для пиролиза тяжелых углеводородов в углеводородсодержащем пласте с относительно низкой проницаемостью, могут находиться в интервале от 270 до 300°С. В других вариантах осуществления изобретения температуры, достаточные для пиролиза тяжелых углеводородов, могут находиться в интервале от 300 до 375°С. Если углеводородсодержащий пласт нагрет до температур, охватывающих весь диапазон температур пиролиза, то в пласте могут образоваться лишь небольшие количества водорода у верхней границы интервала температур пиролиза. После того, как запасы имеющегося водорода истощатся, пласт может давать лишь небольшие количества углеводородов.

Предпочтительно, чтобы углеводородсодержащий пласт или его части, предназначенные для пиролиза, нагревали с низкой скоростью нагревания. Обычно скорость нагревания составляет не более 50°С/сутки. Как правило, скорость нагревания составляет менее 10°С/сутки, более типично - менее 3°С/сутки, в частности, менее 0,7°С/сутки. Часто скорость нагревания составляет более 0,01°С/сутки, в частности, более 0,1°С/сутки. В частности, такие низкие скорости нагревания применяют в диапазоне температур пиролиза. Более конкретно, нагреваемые части углеводородсодержащего пласта можно нагревать с такой скоростью в течение времени, превышающего 50% времени, необходимого для того, чтобы охватить весь интервал температур пиролиза, предпочтительно более 75% от времени, необходимого для того, чтобы охватить интервал температур пиролиза, или более предпочтительно - более 90% от времени, необходимого для того, чтобы охватить интервал температур пиролиза.

Скорость, с которой нагревают углеводородсодержащий слой, может повлиять на количество и качество углеводородных флюидов, получаемых из углеводородсодержащего пласта. Например, нагревание с высокими скоростями может привести к получению большего количества флюидов из углеводородсодержащего пласта. Однако продукты такого процесса могут иметь значительно более низкое качество, чем при использовании более низких скоростей нагревания. Кроме того, контролирование скорости нагревания на уровне менее 3°С/сутки, как правило, обеспечивает лучшее регулирование температуры внутри углеводородсодержащего пласта.

Положения настоящего изобретения, касающиеся скоростей нагревания, применимы также для тех случаев, когда во время добычи углеводородного флюида из пласта применяют давление ниже 1,5 бар (150 кПа).

Нагревание углеводородсодержащего пласта до интервала температур пиролиза может произойти до того, как будет создана существенная проницаемость внутри углеводородсодержащего пласта. Изначальная недостаточность проницаемости может помешать транспортировке полученных флюидов из зоны пиролиза внутри пласта. Таким образом, поскольку тепло сначала переносится от источника тепла к углеводородсодержащему пласту, то давление флюидов внутри углеводородсодержащего пласта может увеличиться вблизи от источника тепла.

Давление, создающееся в результате расширения углеводородных флюидов или других флюидов, образовавшихся в пласте, может вначале увеличиться, поскольку открытый путь к добывающей скважине или любая другая депрессия могут еще не существовать в пласте. Кроме того, давление флюида может превышать литостатическое давление, в результате чего в углеводородсодержащем пласте могут образоваться трещины в направлении от источников тепла к добывающим скважинам. Образование трещин внутри нагретой части ведет к уменьшению давления, благодаря добыче углеводородных флюидов через добывающие скважины.

Чтобы поддерживать давление внутри углеводородсодержащего пласта во время добычи углеводородных флюидов, можно поддерживать противодавление у добывающей скважины. Это давление можно контролировать с помощью клапанов и/или путем закачивания в углеводородсодержащий пласт газов, например, водорода, двуокиси углерода, моноокиси углерода, азота или метана, или воды или водяного пара. Особо предпочтительно закачивание водорода.

Клапанам можно придать такую конфигурацию, которая позволяет поддерживать, изменять и/или регулировать давление внутри углеводородсодержащего пласта. Например, источники тепла, расположенные внутри углеводородсодержащего пласта, могут быть соединены с клапаном. Этот клапан может иметь конструкцию, позволяющую высвобождать флюид из пласта через источник тепла или позволяющую закачивать газ в углеводородсодержащий пласт. В качестве альтернативы, клапан регулирования давления может быть соединен с добывающими скважинами. Флюиды, высвобождаемые с помощью клапанов, можно собирать и транспортировать к поверхностному устройству для их дальнейшей переработки и/или обработки.

В соответствии с настоящим изобретением, давление регулируют во время пиролиза и во время добычи углеводородного флюида из пласта. Как правило, применяют давление, составляющее по меньшей мере 1,5 бар (150 кПа), более типично - по меньшей мере 1,6 бар (160 кПа), в частности, по меньшей мере 1,8 бар (180 кПа). Часто, когда температура пиролиза составляет по меньшей мере 300°С, можно использовать давление, составляющее по меньшей мере 1,6 бар (160 кПа), а если температура ниже 300°С, можно использовать давление, составляющее по меньшей мере 1,8 бар (180 кПа). Верхнюю границу давления можно определить, исходя из структуры и массы покрывающего слоя. На практике часто это давление составляет менее 70 бар (7000 кПа), более часто - менее 60 бар (6000 кПа) и даже менее 50 бар (5000 кПа). Может быть желательным регулировать давление в интервале от 2 бар (200 кПа) до 18 или 20 бар (1800 или 2000 кПа), или в качестве альтернативы, в интервале от 20 бар (2000 кПа) до 36 бар (3600 кПа).

В предпочтительном варианте осуществления изобретения, как указано выше, поддерживают парциальное давление водорода. Как правило, парциальное давление водорода составляет по меньшей мере 0,2 бар (20 кПа), предпочтительно по меньшей мере 0,4 бар (40 кПа), и до 35 бар (3500 кПа) или даже до 50 бар (5000 кПа), более типично - в интервале от 0,6 до 20 бар (от 60 до 2000 кПа), в частности, в интервале от 1 до 10 бар (от 100 до 1000 кПа), более конкретно - в интервале от 5 до 7 бар (от 500 до 700 кПа). Поддержание парциального давления водорода внутри пласта, в частности, увеличивает плотность в градусах ΑΡΙ добываемых углеводородных флюидов и уменьшает получение длинноцепочечных углеводородных флюидов.

Положения настоящего изобретения, касающиеся парциального давления водорода, применимы также для тех случаев, когда во время добычи углеводородного флюида из пласта применяют давление ниже 1,5 бар (150 кПа).

Кроме того, предпочтительно регулировать давление в связи с применяемой температурой, находящейся в интервале температур пиролиза, с помощью чего можно контролировать количество, состав и качество добываемых углеводородных флюидов. В этой связи, количество, состав и качество углеводородных флюидов можно определить на основании одной или более их характеристик, таких как плотность в градусах ΑΡΙ, отношение этилена к этану, отношение элементарного углерода к водороду, получаемые эквивалентные жидкости (газ и жидкость), получаемые жидкости, процент, получаемый в результате анализа Фишера, а также присутствие в углеводородных флюидах углеводородов с количеством атомов углерода, превышающим 25. Значения давления для избранной температуры или значения температуры для избранного давления, которые могут привести к выходу углеводородных флюидов, имеющих соответствующие свойства, можно определить с помощью уравнения, а именно с помощью приведенного ниже «уравнения I», имеющего следующую форму:

-А Р=;0.07*е^т+273 в котором Р представляет собой давление (абсолютное, в барах), Т представляет собой температуру (°С), а А и В представляют собой параметры, связанные с соответствующим свойством, которые можно определить экспериментальным путем.

Значения фактора 0,07 и параметров А и В таковы, что они соответствуют значениям Р и Т.

Например, для того, чтобы получить углеводородный флюид с низким содержанием углеводородов, имеющих 25 или более атомов углерода, например менее 25 мас.%, предпочтительно, чтобы давление было по меньшей мере таким, которое можно рассчитать для выбранной температуры с помощью уравнения 1, в котором А равно 14206, а В равно 25,123, более предпочтительно - А равно 15972, а В равно 28,442, в частности, А равно 17912, а В равно 31,804, более конкретно - А равно 19929, а В равно 35,349, еще более конкретно - А равно 21956, а В равно 38,849. На практике часто может быть достаточным работать так, чтобы давление было не более того, которое можно рассчитать для выбранной температуры с помощью уравнения 1, в котором А равно 24146, а В равно 43,349.

В качестве другого примера, для получения углеводородного флюида, имеющего высокую плотность в градусах ΑΡΙ, например, по меньшей мере 30°, предпочтительно использовать давление, по меньшей мере соответствующее давлению, которое можно рассчитать с помощью уравнения 1, в котором А равно 30864, а В равно 50,676, более предпочтительно - А равно 21719, а В равно 37,821, в частности, А равно 16895, а В равно 31,170. На практике часто может быть достаточным работать так, чтобы давление было не больше того, которое можно рассчитать с помощью уравнения 1, в котором А равно 16947, а В равно 33,603.

В качестве еще одного примера, для получения углеводородного флюида, имеющего низкое отношение этилена к этану, например, не более 0,1, предпочтительно использовать давление, по меньшей мере соответствующее давлению, которое можно рассчитать с помощью уравнения 1, в котором А равно 57379, а В равно 83,145, более предпочтительно - А равно

16056, а В равно 27,652, в частности, А равно 11736, а В равно 21,986. На практике часто может быть достаточным работать так, чтобы давление было не более того, которое можно рассчитать с помощью уравнения 1, в котором А равно 5492,8, а В равно 14,234.

Общее потенциальное количество углеводородных флюидов, которое можно получить из углеводородсодержащего материала, можно определить с помощью анализа Фишера. Анализ Фишера - это стандартный метод, включающий нагревание образца углеводородсодержащего материала до температуры около 500°С, сбор продуктов, получаемых из нагретого образца, и количественный учет этих продуктов. Для получения большого количества углеводородного флюида из углеводородсодержащего пласта, например, с показателем, составляющим по меньшей мере 60% значения, определенного с помощью анализа Фишера, предпочтительно использовать давление не выше того, которое можно рассчитать с помощью уравнения 1, в котором А равно 11118, а В равно 23,156, более предпочтительно - А равно 13726, а В равно 26,635, в частности, А равно 20543, а В равно 36,191. На практике часто может быть достаточным работать при давлении, которое было бы по меньшей мере таким, которое можно рассчитать с помощью уравнения 1, в котором А равно 28554, а В равно 47,084.

В некоторых случаях может быть наиболее выгодным регулировать давление и температуру так, чтобы их значения принадлежали к значениям А и В, которые представляют условия относительно низких уровней предпочтения, указанных здесь. Это может быть случай, например, когда желательна определенная комбинация количества, состава и качества продукта. Таким образом, вышеприведенное описание включает также все возможные подинтервалы, которые можно определить путем комбинирования описанных наборов А и В. В частности, при добыче углеводородного флюида может быть выгодным сохранение характеристик на относительно постоянном уровне, чего можно добиться путем осуществления процесса при постоянных значениях параметров А и В.

Положения настоящего изобретения, касающиеся регулирования температуры в связи с давлением и наоборот, применимы также для тех случаев, когда во время добычи углеводородного флюида из пласта применяют давление ниже 1,5 бар (150 кПа).

По меньшей мере 20%, обычно по меньшей мере 25%, предпочтительно по меньшей мере 35% исходного общего содержания органического углерода в углеводородсодержащем пласте или в его части, подвергаемой пиролизу, можно превратить в углеводородные флюиды. На практике часто не более 90% общего содержания органического углерода в углеводородсодержащем пласте или в его части, подвергаемой пиролизу, можно превратить в углеводородные флюиды, более часто - не более 80%, или не более 70%, или не более 60%.

В некоторых вариантах осуществления изобретения после пиролиза можно получить синтез-газ из углеводородов, оставшихся в углеводородсодержащем пласте. Пиролиз может привести к возникновению относительно высокой, по существу одинаковой проницаемости во всем углеводородсодержащем пласте или в его части, подвергнутой пиролизу. Такая относительно высокая, по существу одинаковая проницаемость позволяет получать синтез-газ, не содержащий в себе значительных количеств углеводородсодержащих флюидов. Эта часть также имеет большую площадь поверхности и/или большое отношение поверхности к объему. Большая площадь поверхности может позволить реакциям получения синтез-газа проходить по существу при равновесных условиях. Относительно высокая, по существу одинаковая проницаемость может привести к получению относительно высокой эффективности выхода синтез-газа, по сравнению с получением синтезгаза в углеводородсодержащем пласте, не подвергавшемся пиролизу. Это положение также применимо для тех случаев, когда во время добычи углеводородного флюида из пласта применяют давление ниже 1,5 бар (150 кПа).

Пиролиз по меньшей мере части углеводородсодержащего материала может в некоторых вариантах осуществления изобретения привести к преобразованию 20% первоначально имевшегося углерода. Выработка синтез-газа может привести к дополнительному преобразованию по меньшей мере 10%, а как правило, к дополнительному преобразованию до 70% первоначально имевшегося углерода. Таким образом, получение синтез газа ίη щ1и из углеводородсодержащего пласта может позволить преобразовать большие количества углерода, первоначально имевшегося в данной части пласта.

Синтез-газ можно добывать из пласта до или после добычи из этого пласта углеводородного флюида. Хотя синтез-газ обычно определяется как смесь водорода (Н₂) и моноокиси углерода (СО), он может включать также дополнительные компоненты, такие как вода, двуокись углерода (СО2), метан и другие газы.

Получение синтез-газа можно начинать до и/или после того, как добыча углеводородного флюида понизится до экономически невыгодного уровня. Таким образом, тепло, предназначенное для пиролиза, можно использовать также и для получения синтез-газа. Например, если часть пласта после пиролиза имеет температуру в 375°С, то, как правило, потребуется меньшее количество дополнительного тепла для нагревания этой части пласта до температуры, достаточной для подержания выработки синтез-газа. В некоторых случаях тепло можно подавать от одного или более источников тепла, чтобы на13 греть пласт до температуры, позволяющей вырабатывать синтез-газ (например, в интервале от 400°С до 1200°С или выше). В верхней части этого температурного интервала полученный синтез-газ может включать главным образом Н₂ и СО, например, в молярном отношении 1:1. В нижней части этого температурного интервала полученный синтез-газ может иметь более высокое отношение Н2 к СО.

Нагревательные скважины, нагревательные установки и добывающие скважины внутри пласта, предназначенные для осуществления пиролиза и добычи углеводородных флюидов из пласта, можно использовать во время выработки синтез-газа в качестве нагнетательных скважин для закачивания флюидов, продуцирующих синтез-газ, в качестве добывающих скважин или в качестве источников тепла для нагревания пласта. Источники тепла для выработки синтезгаза могут включать любые описанные здесь ранее источники тепла. В качестве альтернативы, нагревание может включать перенос тепла от передающей тепло текучей среды, например, от водяного пара или от продуктов сгорания от горелки, протекающих по множеству скважин внутри пласта.

В пласт можно подавать текучую среду, генерирующую синтез-газ, например, воду в жидком состоянии, водяной пар, двуокись углерода, воздух, кислород, углеводороды и их смеси. Например, текучие среды, генерирующие синтез-газ, могут включать смесь водяного пара и кислорода. Текучие среды, генерирующие синтез-газ, могут включать водные текучие среды, полученные путем пиролиза углеводородсодержащего материала в другой части пласта. В качестве альтернативы, подача текучей среды, генерирующей синтез-газ, может включать подъем водного плато пласта, чтобы вода могла поступать в пласт. Подачу текучей среды, генерирующей синтез-газ, можно также осуществлять через нагнетательную скважину. Текучая среда, генерирующая синтез-газ, как правило, вступает в реакцию с углеродом в пласте, и при этом образуется Н2, вода (в жидком или парообразном состоянии), СО₂ и/или СО.

Двуокись углерода можно отделить от синтез-газа и вновь закачать ее в пласт, содержащий текучую среду, генерирующую синтезгаз. За счет сдвига химического равновесия изза преобладающих реакций, двуокись углерода, добавленная к текучей среде, генерирующей синтез-газ, может по существу ингибировать дальнейшую выработку двуокиси углерода во время получения синтез-газа. Двуокись углерода может также реагировать с углеродом в пласте, с образованием моноокиси углерода.

К текучей среде, генерирующей синтез-газ, можно добавить углеводороды, такие как этан.

Будучи введенными в пласт, углеводороды могут расщепляться, образуя водород и/или метан.

Присутствие метана в полученном синтез-газе может повысить его теплотворную способность.

Реакции получения синтез-газа, как правило, являются эндотермическими. Во время получения синтез-газа в пласт можно подавать тепло, чтобы поддерживать температуру пласта на желаемом уровне. Тепло можно подавать от источников тепла и/или путем подачи текучей среды, генерирующей синтез-газ, имеющей более высокую температуру, чем температура пласта. В качестве альтернативы, к текучей среде, генерирующей синтез-газ, можно добавить окислитель, например, воздух, обогащенный кислородом воздух, кислород, перекись водорода или другие окисляющие текучие среды, либо их комбинации. Окислитель может реагировать с углеродом в пласте, с выделением тепла, что приводит к получению СО2 и/или СО. В предпочтительном варианте осуществления изобретения в пласт подают кислород и воду (или водяной пар), например, в молярном отношении от 1:2 до 1:10, предпочтительно от 1:3 до 1:7, например, 1:4.

Во время получения синтез-газа в углеводородсодержащем пласте можно поддерживать относительно высокое давление. Синтез-газ можно получать при широком интервале значений давления, например, между 1 бар (100 кПа) и 100 бар (10000 кПа), более типично - между 2 бар (200 кПа) и 80 бар (8000 кПа), особенно между 5 бар (500 кПа) и 60 бар (6000 кПа). Высокие значения рабочего давления могут привести к повышенной выработке Н2. Высокие значения рабочего давления могут позволить использовать полученный синтез-газ для выработки электроэнергии путем пропускания его через турбину, и кроме того, такие значения давления позволяют использовать меньшие размеры коллекторных трубопроводов для транспортировки полученного синтез-газа.

Синтез-газ можно получать при широком интервале значений температуры, например, между 400 и 1200°С, более типично - между 600 и 1000°С. При относительно низкой температуре получения синтез-газа получаемый синтезгаз может иметь высокое отношение Н2 к СО. Относительно высокая температура пласта может привести к получению синтез-газа, имеющего отношение Н₂ к СО, приближающееся к 1, и его поток может включать преимущественно (а в некоторых случаях по существу исключительно) Н2 и СО. При температуре пласта около 700°С из пласта можно получить синтез-газ, имеющий отношение Н2 к СО, равное 2. Как правило, можно получить синтез-газ, имеющий молярное отношение Н2 к СО, лежащее в интервале от 1:4 до 8:1, более типично - в интервале от 1:2 до 4:1, в частности, в интервале от 1:1 до 2,5:1. Некоторые варианты осуществления изобретения могут включать смешивание первого синтез-газа со вторым синтез-газом, для получения синтез-газа желаемого состава. Первый и второй синтез-газы могут быть получены из разных частей пласта.

Углеводородсодержащий пласт или его часть, в которых осуществляли пиролиз и необязательно - выработку синтез-газа, могут быть оставлены для охлаждения, либо их можно охладить для получения охлажденного использованного пласта.

После добычи углеводородных флюидов и/или синтез-газа текучую среду (например, двуокись углерода) можно изолировать внутри пласта. Для того, чтобы хранить значительное количество текучей среды внутри пласта, часто необходимо, чтобы температура пласта была ниже, чем 100°С, например, вплоть до 20°С. В пласт можно подавать воду, чтобы получить водяной пар и понизить температуру пласта. Затем водяной пар можно удалить из пласта. Этот пар можно использовать для различных целей, например, для нагревания другой части пласта, для получения синтез-газа в соседней части пласта или для нагнетания его в нефтяной резервуар. После того, как пласт охлажден, текучую среду можно герметизировать и изолировать в пласте. Изолирование текучей среды внутри пласта может привести к значительному уменьшению или к устранению поступления в окружающую среду текучей среды в результате осуществления способа ίη Ын по настоящему изобретению. Для этой цели особенно полезен использованный пласт, поскольку он имеет структуру, обладающую высокой пористостью и высокой проницаемостью для текучих сред, в частности, газов.

Текучую среду, подлежащую изолированию, можно закачать под давлением, например, в интервале от 5 бар (500 кПа) до 50 бар (5000 кПа), в охлажденный использованный пласт и адсорбировать на углеводородсодержащем материале в пласте. Последующее добавление в пласт воды может ингибировать десорбцию двуокиси углерода. Пример способа изолирования двуокиси углерода иллюстрируется в И8-А5566756.

Описанные здесь синтез-газы можно преобразовать в углеводороды, включающие метанол, или в другие продукты, такие как аммиак. Например, можно провести синтез углеводородов по способу Фишера-Тропша для преобразования синтез-газа в парафины. Синтез-газ можно также использовать в способе каталитического метанирования, с целью получения метана. В качестве альтернативы, синтез-газ можно использовать для получения метанола, бензина и дизельного топлива, аммиака и средних дистиллятов.

Синтез-газ можно использовать также в качестве источника энергии. Например, его можно использовать в качестве горючего, для нагревания углеводородсодержащего пласта или для получения водяного пара, с последующим использованием его для работы турбин и выработки электроэнергии. Синтез-газ можно использовать для выработки электроэнергии путем уменьшения давления синтез-газа в турбинах, или же путем использования температуры синтез-газа для получения водяного пара, который затем используется для работы турбин. Синтез-газ можно также использовать в таких устройствах для выработки энергии, как топливный элемент с расплавленным карбонатом, топливный элемент с твердым оксидом и другие типы топливных элементов.

Молярное отношение Н₂ к СО для синтезгаза, используемого в качестве сырья для реакции Фишера-Тропша, как правило, составляет около 2:1. С помощью способа Фишера-Тропша, как правило, получают разветвленные и неразветвленные парафины, которые можно преобразовать с помощью гидрокрекинга, получив углеводородные продукты, которые включают, например, дизельное топливо, ракетное топливо и нафтовые продукты. Примеры способов превращения синтез-газа в углеводороды с помощью реакции Фишера-Тропша приведены в И8А-4096163, И8-А-4594468, И8-А-6085512 и ИЗА-6172124.

Для синтез-газа, используемого в качестве сырья для способа каталитического метанирования, может быть желательным иметь молярное отношение Н₂ к СО, составляющее от 3:1 до 4:1. Примеры способа каталитического метанирования приведены в И8-А-3992148, И8-А4130575 и И8-А-4133825.

Примеры способов получения метанола из синтез-газа приведены в И8-А-4407973, И8-А4927857 и И8-А-4994093.

Примеры способа получения различных видов моторного топлива из синтез-газа приведены в И8-А-4076761, И8-А-4138442 и И8-А4605680.

Нижеследующие примеры иллюстрируют настоящее изобретение.

Пример 1.

Различные образцы горючих сланцев из залежи в Сгееп Ктуег, Со1огабо, США, подвергали пиролизу при различных значениях температуры и давления, чтобы определить влияние температуры и давления пиролиза на качество и количество получаемых углеводородных флюидов.

Сконструировали сосуд высокого давления из нержавеющей стали, в который помещали образец горючего сланца. Этот сосуд и соединенные с ним поточные линии обернули электрической нагревательной лентой, чтобы обеспечить по существу равномерное нагревание всего сосуда и поточных линий. Поточные линии включали обратный клапан для испытания при повышенном давлении. После прохождения через клапан продукты охлаждали при атмосферном давлении в обычном лабораторном стеклянном конденсаторе и анализировали. Данные испытаний использовали для определе17 ния взаимосвязи между температурой и давлением с целью получения определенного качества и выхода продукта, с помощью уравнения 1 и параметров А и В, как описано выше. Результаты показывают, что при увеличении давления содержание в % масс. углеводородов с числом атомов углерода, составляющим 25 или более, уменьшается, плотность в градусах ΑΡΙ увеличивается, отношение этилена к этану уменьшается, а выход углеводородов, определенный на основании анализа Фишера, уменьшается.

Пример 2.

Углеводородные флюиды получали из углесодержащего пласта с помощью пиролиза ίη 8Йи . Уголь представлял собой битуминозный уголь «С» с высоким содержанием летучих веществ, залегавший слоем толщиной около 4,9 м. Три источника тепла расположили в угольном пласте в виде треугольника. Добывающая скважина была расположена вблизи от центра образованного источниками тепла треугольника, на равном расстоянии от каждого из источников тепла. Вокруг образованного источниками тепла треугольника и добывающих скважин возвели цементную стену, чтобы предотвратить поступление воды в подвергаемую пиролизу часть пласта. Внутри образованного источниками тепла треугольника были расположены скважины для замеров температуры.

Температура угольного пласта внутри образованного источниками тепла треугольника позволяла осуществление пиролиза. Углеводородные флюиды собирали при давлении в 1 бар (100 кПа) и при давлении в 8 бар (800 кПа) в угольном пласте внутри образованного источниками тепла треугольника. Полученный при давлении в 1 бар (100 кПа) продукт, представлявший собой конденсируемые углеводороды, имел плотность в градусах ΑΡΙ, составлявшую 23,1°, в то время, как полученный при давлении в 8 бар (800 кПа) продукт, представлявший собой конденсируемые углеводороды, имел плотность в градусах ΑΡΙ, составлявшую 31,3°. Полученный при давлении в 1 бар (100 кПа) продукт, представлявший собой конденсируемые углеводороды, содержал около 2 мас.% углеводородов С₂₅, в то время, как полученный при давлении в 8 бар (800 кПа) продукт, представлявший собой конденсируемые углеводороды, содержал около 0,1 мас.% углеводородов С25.

Claims (14)

1. ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ

   1. Способ обработки углеводородсодержащего пласта ш δίΐιι и добычи углеводородного флюида из пласта, включающий пиролиз имеющихся в пласте углеводородов при повышенном давлении во время добычи углеводородного флюида из пласта, отличающийся тем, что используют источник тепла, пригодный для нагревания за счет теплопроводности, причем давление составляет по меньшей мере 2 бар (200 кПа), при условии, если давление составляет 3,52 бар (352 кПа) и пиролиз осуществляют при температуре до 301,7°С, то применяют источник тепла иной, чем источник тепла, обеспечивающий исключительно высокочастотное нагревание.
2. 2. Способ по п.1, в котором углеводородсодержащий пласт включает кероген, такой как уголь или нефтеносный сланец, или тяжелые углеводороды, такие как битуминозный песок.
3. 3. Способ по п.1 или 2, в котором давление составляет менее 70 бар (7000 кПа).
4. 4. Способ по любому из пп.1-3, в котором имеющиеся в пласте углеводороды подвергают пиролизу путем нагревания при температуре, лежащей в интервале от 250 до 400°С, в частности в интервале от 260 до 375°С.
5. 5. Способ по любому из пп.1-4, в котором расстояние между источниками тепла составляет между 5 и 20 м.
6. 6. Способ по п.1, который проводят в присутствии водорода, при парциальном давлении водорода, равном по меньшей мере 0,5 бар (50 кПа), например в интервале от 1 бар (100 кПа) до 10 бар (1000 кПа), в частности от 5 бар (500 кПа) до 7 бар (700 кПа).
7. 7. Способ по любому из пп.1-6, в котором давление является по меньшей мере таким, которое можно рассчитать из уравнения . ..~А—|_в

   Р=0.07*е^т+273 в котором Р представляет собой давление (абсолютное, в барах), Т представляет собой температуру пиролиза (°С), А равно 14206 и В равно 25,123.
8. 8. Способ по любому из пп.1-6, в котором давление является по меньшей мере таким, которое можно рассчитать из уравнения

   Р = 0,07*е^т+²⁷³'^В в котором Р представляет собой давление (абсолютное, в барах), Т представляет собой температуру пиролиза (°С), А равно 30864 и В равно 50,676.
9. 9. Способ по любому из пп.1-6, в котором давление является по меньшей мере таким, которое можно рассчитать из уравнения

   Р=0.07*е^т+^{273 В} в котором Р представляет собой давление (абсолютное, в барах), Т представляет собой температуру пиролиза (°С), А равно 57379 и В равно 83,145.
10. 10. Способ по любому из пп.1-6, в котором давление не выше того, которое можно рассчитать из уравнения —~А I ю

    Р = 0.07*е¹+²⁷³ в котором Р представляет собой давление (абсолютное, в барах), Т представляет собой температуру пиролиза (°С), А равно 11118 и В равно 23,156.
11. 11. Способ получения синтез-газа из углеводородсодержащего пласта, обработанного способом по любому из пп.1-10, в котором про19 водят реакцию обработанного углеводородсодержащего пласта с текучей средой, генерирующей синтез-газ.
12. 12. Способ получения углеводородов, включающий получение синтез-газа в соответствии с п.11 и превращение этого синтез-газа в углеводороды.
13. 13. Способ по п.12, в котором синтез-газ превращают в парафины с помощью синтеза углеводородов по способу Фишера-Тропша и парафины подвергают преобразованию в установке для гидрокрекинга.
14. 14. Способ выработки энергии, включающий получение синтез-газа в соответствии с п.11 и расширение и/или сжигание синтез-газа или использование синтез-газа в топливном элементе.