增加地下煤层甲烷产量的方法

本发明涉及从地下煤层中生产甲烷的改进的方法，更具体 地说，本发明涉及通过在能够有效增加从煤层生产甲烷的条件 下注入来自碳氢化合物过程的尾气来增加从地下煤层中生产甲 烷的方法。

在煤生成层中有大量的甲烷。

人们用许多方法试图更有效地从煤生成层中回收甲烷。

最简单的方法是减压法，其中从地面钻一探孔达到煤层，通 过降低压力使甲烷从煤生成层脱出，流入探孔再流到地面，从而抽出 甲烷。该方法不够有效，因为煤生成层通常不是极为多孔性的，在煤 层的空洞中一般没有甲烷，而且吸附在煤上。尽管用这一方法可以 从煤层生产甲烷，但甲烷的生产速率较低。

从煤层中回收甲烷的另一方法是注入气体例如二氧化碳，它 具有比吸收的甲烷对煤更高的亲合性，从而建立的竞争性的吸收-解吸 过程。在这种方法中，二氧化碳从煤中置换了甲烷，使得甲烷游离出 来，能够流到附近的井孔中回收。在这种方法中需要大量的二氧化碳， 最终二氧化碳可以用甲烷来产生。

也可以注入具有比二氧化碳对煤更高亲合性的气体以增加甲烷的 回收。诸如氮气、氩气和其它惰性气体特别是在比煤层用力更高 的压力下注射时，引起甲烷从煤上解吸，以保持在煤层的气氛中 的甲烷分压。这一方法也需要使用大量的气体，并且最终导致用甲烷 来生产氮气或其他惰性气体。这样的注射法可以操作较长的实践，即， 可能几年的时间，然后再用甲烷回收注入的二氧化碳或氮气或其它惰 性气体。

其它气体例如氢气、一氧化碳和含有小于5、优选小于3个碳原 子的轻质碳氢化合物也被认为是有益的注射材料，当气体注射是在较 高无法和较高压力下进行时尤其如此。

在下述文献中描述了许多从煤层回收甲烷的方法(均通过引 用并入本文)：美国专利4756367(1988年7月12日授予Puri等人)；美 国专利4043395(1977年8月23日授予Every等人)；美国专利 4883122(1989年11月28日授予Puri等人)；美国专利4913237(1990 年4月3日授予Kutas等人)；美国专利4993491(1991年2月19日授 予Palmer等人)；美国专利5014785(1991年5月14日授予Puri等人)； 美国专利5048328(1991年9月17日授予Puri等人)；美国专利 5085274(1992年2月4日授予Puri等人)；美国专利5095921(1992年3 月31日授予Puri等人)；美国专利5133406(1992年7月28日授予Puri 等人)；美国专利5332036(1994年7月26日授予Shirly等人)；美国专 利5388640(1995年2月14日授予Puri等人)；美国专利5388641(1995 年2月14日授予Yee等人)；美国专利5388642(1995年2月14日授 予Puri等人)；和美国专利5388643(1995年2月14日授予Yee等人)。

在这样的方法中，必须通过将燃料气等与空气燃烧产生脱氧氮气 流，它也可以含有二氧化碳，通过从氮气中除去氧气获得大量的二氧 化碳或惰性气体。在任何情况下，大量氮气或其它惰性气体或二氧化 碳的生产都需要使用大量燃料。能量和加工容量。此外，氮气、惰性 气体或二氧化碳可以在生成层离开甲烷贫乏还远的时候突破生成层， 从而导致被氮气、惰性气体或二氧化碳污染的甲烷流。它们必须在出 售之前予以去除。

由于地下煤层能够提供大量甲烷，并由于人们希望以最低成 本生产甲烷，人们一直在努力寻找生产用来增加从煤层生产甲烷 所用的注射气体的更经济的生产方法。

因此，本发明提供了一种增加从地下煤层中生产甲烷产量的方法， 所述地下煤层被至少一个注射井和至少一个生产井穿透，该方法包括：

通过至少一个生产井从煤层中产生甲烷；

将至少一部分从煤层中产生的甲烷送到一个合成气体发生区，其中 至少大部分甲烷与含氧气体反应，产生一氧化碳和氢气的混合物；

将至少一部分该混合物送到一个碳氢化合物合成区，其中至少 大部分一氧化碳和氢气反应，产生较重的混合物，该混合物包括每 分子含有一个以上碳原子的碳氢化合物和含氮气和二氧化碳的尾气；

将至少大部分尾气与至少大部分碳氢化合物分离，并回收碳氢化 合物作为产物流；

将至少大部分尾气压缩至适宜注射进入煤层的压力；和

将至少一部分该尾气通过至少一个注射井注射入煤层。

甲烷也可以用单个井或多个井，通过蒸汽吞吐法生产甲烷。

附图是本发明方法的实施方案的示意图。

在图中，为实现所述流程所必须的各种泵、压塑机、阀等是常规 的，没有示出。

含有甲烷的煤层10在覆盖层12的下方，并且被注射井16从 地面14穿透。注射井16包括一个井头20，用来调节注射材料流入井 16和通过多个穿孔22进入煤层10。生产井24从地面14通过覆 盖层12以隔开的位置进入煤层10。生产井24包括井头26，用 来从井24回收甲烷和其它气体。正如所示，井24包括多个进入煤 层10的穿孔28以利用甲烷和其它气体从煤层10的流入并通 过井24和井头26到管线30中。或者可以使用开孔(未封闭的)井。至 少一部分甲烷和可能的其它有关的气体流过管线30进入合成气体发 生器中。在管线30中有一个可选的去硫装置34，以便在管线30中从 气流中除去硫。回收的硫通过管线36除去。送入合成气体发生器32 中的甲烷可以用惰性气体通过管线38稀释，或者如果管线太细的话， 可以用含有甲烷的气体通过管线38增强。管线30中的流体被送入合 成气体发生器32中，在发生器中它与通过管线40充入的含氧气体反 应。在合成气体发生器32中产生的合成气体混合物包含一氧化碳和氢 气，其氢气/一氧化碳摩尔比为大约1.5至3。该混合物也可以包含氮 气和其它惰性气体，以及水和二氧化碳。尽管没有画出，必要时可以 在充入碳氢化合物合成装置之前通过管线42将该气流处理除去至少 一部分二氧化碳和水和硫。碳氢化合物合成装置44是反应区，其中一 氧化碳与氢气结合生产重质碳氢化合物。这类过程一般称为费舍-特鲁普什(Fisher- Tropsch)过程，它们适合作为碳氢化合物合成区。所得气流包含重质碳 氢化合物、轻质碳氢化合物和某些未反应的一氧化碳和氢气加上二氧 化碳，水通过管线46送入液体产物分离区48。在液体产物分离区48 中，气态混合物被冷却，通过管线50回收液体碳氢化合物。最好不要 将气态混合物冷却至极低的温度。优选冷却至环境温度或大约70F。 冷却可以通过本领域技术人员已知的适宜的方法进行。所得含有少量 液体碳氢化合物的气体混合物通过管线52回收，并送到尾气压缩区54 中。在尾气压缩区54中，尾气被压缩，结果温度升高，通过管线56回 到注射井16中。在管线56中有一可选的加热器58，以进一步升高气 体混合物的温度。由于合成气体发生和碳氢化合物合成过程是放热 的，在加热器58中可以与来自这些过程的气流进行热交换。

如上所述，尾气混合物一般含通过管线30/管线38或管线40引入 的氮气和其它惰性气体。所得尾气混合物一般含有氮气、一氧化碳、 二氧化碳、水蒸汽，在大多数情况下还含有少于3个碳原子的轻质碳 氢化合物。象上述那样，在选定的压力和选定的温度下将该混合物注 射返回到煤层10中。温度可以高高达任何选定的与注射井能力向 匹配的水平。压力最好小于煤生成层16的压裂压力。可以使用大于压 裂压力的压力，只要注射和生产井足够分开，使得裂缝不从注射井扩 展到生产井便可。未扩展到生产井的裂缝可以是有利的，它能更广泛 地将注射气体在整个煤生成层10中分布。

合成气体发生、碳氢化合物合成和液体产物分离被认为是本领域 技术人员已知的，最好包括一般称为费舍-特鲁普什过程的过程。这种 过程的例子可以参见美国专利4833170(1989年5月23日授予Agee) 和美国专利4973453(1990年11月27日授予Agee)。这些专利均通过 引用并入本文。这些方法一般使用非催化亚化学计量的、部分氧化的 轻质碳氢化合物来生产合成气体或气流重整甲烷或部分氧化和成为自 热重整的气流重整。

该方法被认为是本领域技术人员公知的，本领域技术人员也可以 很容易地改变过程中产生的氢气与一氧化碳的摩尔比。本领域技术人 员不仅能够改变过程中产生的氢气与一氧化碳的摩尔比，本领域技术 人员还知道通过水气飘移反应接着除去二氧化碳等进一步调节这些材 料的摩尔比。碳氢化合物合成反应区用被认为是本领域技术人员公知 的，参见上述专利。这样的合成过程一般使用可以包括载于二氧化硅、 氧化铝、二氧化硅-氧化铝材料上的钴材料的催化剂(其量为每100重量 份载体材料大约5-50重量份钴)或其它催化剂。催化剂还可以每100 重量份载体材料含有0.1-5重量份钾作为促进剂。也可以使用其它催化 剂。液体产物的分离是常规的冷却和液体分离步骤也是本领域技术人 员公知的。

其它碳氢化合物合成过程的使用可以包括使用甲醇作中间体等。 这样的过程也被认为是本领域技术人员公知的。

当从煤生成层10通过管线30生产的甲烷是基本上纯的状态时， 可以通过管线38将稀释剂例如氮气或另一种惰性气体引入管线30 中。这样的灵活性使得通入合成气体发生器32的甲烷的量能够调节以 生产所需量的合成气体。管线40中的气流根据需要可以是水、水蒸汽、 空气、富氧空气等。最好使用空气，因为希望生产大量的尾气用来注 入煤层10中。富氧空气的生产是昂贵的并且在本发明的方法中是 不必要的。如上所述，尾气包括氮气、可能的其它惰性气体、少于3 个碳原子的轻质碳氢化合物、二氧化碳和在许多情况下有限量的一氧 化碳。、氢气和水蒸汽。这些材料都是合乎需要的材料，用来注入煤 层10中以增加甲烷的生产。

如果氮气、二氧化碳或其它气体开始通过井24和管线30得以回 收，则可以在需要时向管线38中加入补充的甲烷，以生产所需量的合 成气体，和保持所需量的尾气。或者，在管线30中的气体的量可以通 过管线60抽出加工以生产出售的甲烷。在管线40中的含氧气体可以 包括所加量的水或可以是富氧的，如果大量惰性气体被通过管线30回 收的话。如果产生的尾气的量比注射所需的量大，则可以除去过量的 尾气，处理并送去通过管线62加工。该气体在排入大气之前可能需要 进行燃烧或其它本领域技术人员已知的处理。

正如本领域技术人员所公知的，费舍-特鲁普什法可以调节用来 生产从轻质气体例如从烯烃到液体例如汽油、润滑油或重质液体的重 质碳氢化合物。重质液体最好在70°F、1大气压下为液体。

用于费舍-特鲁普什法的甲烷也可以通过蒸汽吞吐法获得。在这 样的方法中，气流(例如上述气流)通过单井被注入煤层一段时间。 然后将井关闭一段时间，然后从井中生产一段时间甲烷。然后重复这 一操作程序。在有许多蒸汽吞吐井操作时，或者在与其它采用注射和 生产井进行甲烷回收联系起来时，这样的蒸汽吞吐法可以用来为上述 的费舍-特鲁普什法提供甲烷。

当仅使用蒸汽吞吐法时，从至少一个正在生产的井供给甲烷，并 且将产生的尾气注入至少一个正在被注射的井中。将井周期性切换， 以给费舍-特鲁普什过程供给甲烷和接受产生的尾气。

甲烷可以通过注入至少一个第二注射井而从至少一个第一生产井 生产，同时这些井处于生产状态并且它们的相应的注射部分再循环， 生产被切换到其它井中，进入其周期的生产部分，而第一生产井被 切换成注射井，这是本领域技术人员已知的。

根据本发明，可以生产出有价值的碳氢化合物产物，同时生产特 别适合用作注射气体用来注射进入煤层10的尾气流。此外，本发 明提供一种将甲烷或二氧化碳污染的甲烷送入气体可以以污染的形式 直接使用的过程中的方法。通过管线30充入合成气体发生器32的气 体混合物至少包括50％甲烷。充入的气体的剩下50％可以是二氧化 碳、氮气或其混合物。这方法允许使用混有其它气体的甲烷，而不必 使用必须将甲烷转换为基本上纯的形式以将其投放市场的昂贵的提纯 过程。甲烷用来生产更有价值的产物，不必提纯。当充入的甲烷与稀 释气体混合时，用来生产更有价值的产物的方法也能有效地生产所需 的尾气。

所需用来进行碳氢化合物合成过程的过程设备可以用来处理来 自在很宽范区域内延伸的煤生成层的甲烷。它也可以用来处理来自煤 缝的甲烷，这些煤缝可以位于不同的深度并且可能相互上下重叠。由 于这样的煤生成层易于多年地生产甲烷，这样的工厂的结构不但是可 行的而且在经济上是具有吸引力的，因而它能产生有价值的液体碳氢 化合物产物，可以将其以液态而不是以气态产物的形式运输。

总的来说，本发明提供一种增加从地下煤生成层生产甲烷的方 法，该方法能够产生有价值的液体碳氢化合物产物，并且同时产生合 乎需要的尾气副产物，将其压缩、可选的加热和再次注入煤生成层以 增加从煤生成层生产甲烷。该方法的各个组成部分能够协同合作产生 价值增加的产物和所需的注射气体流，同时允许合成气体发生所需的 反应剂的质量的灵活性。该方法可以理想地调节，使其适合于从含有 甲烷的煤生成层高效地回收有价值的碳氢化合物。

在参照本发明的某些优选的实施方案描述了本发明之后，我们郑 重地指出，所述的实施方案是说明性的，而非实质上的限定，在本发 明的范围内，还有许多变体或变化。这样的变体和变化在本领域技术 人员来阅读了上述优选实施方案的描述之后变得显而易见。