就地熱處理含烴地層以及在進一步處理之前改良採出的流體的製作方法
2023-10-17 00:05:19
專利名稱：就地熱處理含烴地層以及在進一步處理之前改良採出的流體的製作方法
技術領域：
本發明一般涉及自各種含烴地層中開採出烴、氫氣和/或其它產品的方法及系統。本發明一般涉及在對採出的流體進行進一步處理之前，從採自含烴地層的流體中分離出特定產品。
背景技術：
自地下(例如，沉積的)地層中獲取的烴常常用作能源、原料以及消費品。人們擔心可用烴資源會耗盡以及採出烴的綜合質量會下降，因此已轉向研究能更有效地回收、處理和/或使用可用烴資源的方法。就地處理法可用以移出地下地層中的烴物質。可能需要改變地下地層中烴物質的化學和/或物理特性，以更容易地移除地下地層中的烴物質。該化學和物理變化包括地層內烴物質的就地反應以生成可移動流體、烴物質的成分變化、溶解性變化、密度變化、相位變化和/或粘度變化。該流體可以是但並不限於氣體、液體、乳劑、泥漿和/或其流動特性類似於液體流的固體顆粒流。
自地下(例如，沉積)地層中獲取的烴常常用作能源、原料以及消費品。人們擔心可用烴資源會耗盡以及採出烴的綜合質量會下降，因此已轉向研究能更有效地回收、處理和/或使用可用烴資源的方法。就地處理法可用以移出地下地層中的烴物質。可能需要改變地下地層中烴物質的化學和/或物理特性，以更容易地移除地下地層中的烴物質。該化學和物理變化包括地層內烴物質的就地反應以生成可移動流體、烴物質的成分變化、溶解性變化、密度變化、相位變化和/或粘度變化。該流體可以是但並不限於氣體、液體、乳劑、泥漿和/或其流動特性類似於液體流的固體顆粒流。
為研究自含烴地層中經濟地開採出烴、氫氣和/或其它產品的方法及系統，人們已經投出了大量精力。但目前仍然存在許多含烴地層，這些含烴地層中含有的烴、氫氣和/或其它產品的經濟價值低。因此，需要這樣一種方法，該方法將烴和/或其它產品改良為較高經濟價值的流體。
發明概述在一種實施例中，在地層內就地轉換含烴地層(例如，含有煤、油頁巖、重烴或其組合的地層)內的烴，以獲取較高質量的烴產品、氫氣和/或其它產品的混合物。利用一個或多個加熱器將部分含烴地層加熱至烴可以熱解的溫度。經由一個或多個開採井移出地層內的烴、氫氣及其它地層流體。在某些實施例中，所移除的地層流體為氣相。在其它實施例中，所移除的地層流體為液相及氣相或者為液相。在熱解過程中控制至少一部分地層內的溫度和壓力，以自該地層內獲取改良產品。
在某些實施例中，就地氫化處理受熱地層內的流體。就地處理包括給地層的選定部分提供流體。就地處理包括控制地層選定部分內的H2分壓。通過給部分地層提供氫氣來控制H2分壓。控制該部分地層內的溫度，使得溫度維持在大約200℃至大約450℃的範圍內。在該部分地層內氫化處理至少一些流體。自地層內採出包括經氫化處理的流體在內的混合物。採出混合物包括重量比小於大約1％的氨氣。採出混合物包括重量比小於大約1％的硫化氫。採出混合物包括重量比小於大約1％的氧化化合物。控制加熱操作以使採出混合物為氣相。
在一個實施例中，就地氫化處理受熱地層內化合物的方法包括控制地層選定部分內的H2分壓，使得該地層選定部分內存在足夠的H2以進行氫化處理。該方法還包括至少給地層的選定部分提供進行氫化處理的化合物，以及自這樣一種地層內採出混合物，該地層包含至少一些經氫化處理的化合物。
在一個實施例中，從自含烴地層就地採出的流體中分離出氨的方法包括自採出流體中分離出至少一部分氨。在某些實施例中，對自地層採出的流體進行氫化處理以生成氨。在某些實施例中，可將氨轉換為其它產品。
附圖的簡要說明利用以下對優選實施例的詳細描述並參照附圖，本發明的優點對本領域技術人員而言將變得明顯，其中
圖1表示對含烴地層進行加熱的階段示意圖。
圖2表示對含烴地層進行處理的一種就地轉換系統實施例的一部分的示意圖。
圖3表示位於含烴地層內的加熱井的一種實施例。
圖4表示用以採出及分離氨的一種表面處理構造實施例的示意圖。
圖5表示用以就地採出氨的一種表面處理構造實施例的示意圖。
圖6表示用以合成尿素的一種表面處理構造實施例的示意圖。
圖7表示用以合成硫酸銨的一種表面處理構造實施例的示意圖。
儘管附圖中以例子形式表示了本發明的特定實施例，並在此詳細描述了本發明的特定實施例，但可對本發明作出各種改變以得到各種可供選擇的形式。附圖並不是等比例的。應認識到的是，附圖及其詳細說明並不意味著將本發明限定為所公開的特定形式，相反，本發明覆蓋了落在所附權利要求書限定的本發明實質與範圍內的全部變形、等效方案及可供選擇的方案。
優選實施例的詳細描述以下說明書一般涉及對含烴地層(例如，含有煤(包括褐煤、腐泥煤等)、油頁巖、碳質頁巖、不純石墨、油母質、瀝青、原油、低滲透性母巖內的油母質和原油、重烴、瀝青巖、天然礦物蠟的地層，油母質阻礙開採其它烴的地層等)進行處理的系統和方法。對這種地層進行處理以得到較高質量的烴產品、氫氣及其它產品。
「烴」通常被定義為主要由碳原子和氫原子構成的分子。烴還可包括其它成分，例如但不限於滷素、金屬元素、氮、氧和/或硫。
「地層」包括一層或多層含烴層、一層或多層非烴層、上蓋地層和/或下伏地層。「上蓋地層」和/或「下伏地層」包括一種或多種不同類型的非滲透性物質。例如，上蓋地層和/或下伏地層可以包括巖石、頁巖、泥巖、或者溼/緻密碳酸鹽(即，不含烴的非滲透性碳酸鹽)。在就地轉換處理的幾種實施例中，上蓋地層和/或下伏地層包括一層或多層含烴層，該含烴層相對不能滲透，且不會受到就地轉換處理過程中溫度的影響而使該上蓋地層和/或下伏地層的含烴層發生明顯的特性變化。例如，上蓋地層可以包括頁巖或泥巖。在某些情況中，上蓋地層和/或下伏地層稍微可以滲透。
「熱源」指主要通過傳導和/或輻射熱傳遞給至少地層的一部分提供熱量的任何系統。例如，熱源包括電熱器，比如絕緣導體、細長件、和/或設置在管道內的導體。熱源還包括通過在地層外部或內部燃燒燃料來產生熱量的熱源，例如表面燃燒器、井底氣體燃燒器、無火焰分布燃燒器(flameless distributed combustors)、以及自然分布燃燒器。另外，在某些實施例中設想，利用其它能源供應該提供給一個或多個熱源或在該一個或多個熱源內生成的熱量。該其它能源可直接加熱地層、或者將能量供給傳遞介質而該傳遞介質直接或間接地加熱地層。應認識到的是，給地層提供熱量的一個或多個熱源可以採用不同的能源。例如，對於某種給定地層，某些熱源可供應來自電阻加熱器的熱量，某些熱源可提供來自燃燒器的熱量，以及某些熱源可提供來自一個或多個其它能源(例如，化學反應、太陽能、風能、生物燃料、或其它可再生能源)的熱量。化學反應包括放熱反應(例如，氧化反應)。熱源包括給加熱位置附近的某個區域和/或圍繞該加熱位置的某個區域提供熱量的加熱器，例如加熱器井。
「加熱器」是在井內或井孔區域附近產生熱量的任何系統。加熱器可以是但不限於電熱器、燃燒爐、與地層內的物質或與該地層生成的物質發生反應的燃燒器(例如，自然分布燃燒器)、和/或它們的組合。「熱源單元」指形成一種模板的大量熱源，重複該模板以在地層內形成一種熱源布局。
「可冷凝烴」是在25℃以及一個大氣絕對壓力下可冷凝的烴。可冷凝烴包括碳原子數目大於4的烴的混合物。「不可冷凝烴」是在25℃以及一個大氣絕對壓力下不可冷凝的烴。不可冷凝烴包括碳原子數目小於5的烴。
「改良」指提高烴的質量。例如，對重烴進行改良可使得重烴的API比重增大。
採用各種方法對地層內的烴進行處理以採出若干不同產品。在某些實施例中，分階段地對這種地層進行處理。圖1說明對含烴地層進行加熱的幾個階段。圖1還表示了含烴地層內地層流體產量(桶油當量/噸)(y軸)相對於地層溫度(℃)(x軸)的比較例子。
在第1階段的加熱操作過程中，解吸甲烷並蒸發水。儘可能迅速地執行對地層的第1階段加熱操作。例如，在最初加熱含烴地層時，地層內的烴將釋放出被吸附的甲烷。被解吸的甲烷可自地層中採出。如果進一步加熱含烴地層，該含烴地層內的水會蒸發。在某些含烴地層內，水會佔據該地層內大約10％至大約50％之間的孔隙空間。在其它地層中，水會佔據更多或更小部分的孔隙空間。地層內的水通常在大約6絕對巴至70絕對巴的壓力下以及大約160℃至大約285℃之間的溫度下蒸發。在某些實施例中，在就地轉換處理過程中維持地層內的壓力在大約2絕對巴至大約70絕對巴之間。在某些實施例中，蒸發水可使地層的潤溼性發生變化和/或增大地層壓力。潤溼性變化和/或壓力增大會影響地層內的熱解反應或其它反應。在某些實施例中，蒸發水可自地層中採出。在其它實施例中，蒸發水用於地層內或地層外的蒸氣提取和/或蒸餾。移除地層內的水並增大地層內的孔隙空間，可增大該孔隙空間中用於烴的儲存空間。
在第1階段加熱操作之後，進一步加熱地層，使該地層溫度(至少)到達初始熱解溫度(例如，第2階段所示溫度範圍最下端的溫度)。經由整個第2階段熱解地層內的烴。熱解溫度範圍依據地層內的烴類型而變。熱解溫度範圍可為大約250℃至大約900℃之間的溫度。用於開採預期產品的熱解溫度範圍可僅延伸整個熱解溫度範圍的一部分。在某些實施例中，用於開採預期產品的熱解溫度範圍為大約250℃至大約400℃之間的溫度。如果經由自大約250℃至大約400℃的溫度範圍緩慢升高地層內的烴溫度，當溫度到達400℃時，可基本完成熱解產品的開採。利用多個熱源對含烴地層進行加熱，可形成圍繞該熱源的熱梯度，該熱源經由熱解溫度範圍緩慢升高地層內的烴溫度。
在某些就地轉換實施例中，可以不經由自大約250℃至大約400℃的整個溫度範圍緩慢升高進行熱解的烴的溫度。而是將地層內的烴加熱至預期溫度(例如，大約325℃)。也可選擇其它溫度作為預期溫度。來自熱源的熱量允許在地層內迅速且高效地實現預期溫度。調節自熱源輸入地層內的能量，以維持地層溫度基本上處於預期溫度。維持烴基本上處於預期溫度直至熱解減退，熱解減退使得自該地層採出預期地層流體變得不經濟。
熱源布局包括多個熱源單元。熱源布局內可具有若干受熱部分即若干選定部分。在某些實施例中，提供較大的熱源間隔，以使烴物質的加熱速率較緩慢。緩慢的加熱速率允許在烴物質熱解的同時，遠離熱源附近區域的地層內焦化最小或者沒有焦化。來自熱源的熱量允許選定部分到達熱解溫度，使該選定部分內的全部烴都可進行熱解反應。在某些就地轉換實施例中，絕大多數熱解流體從距離熱源大約0m至大約25m範圍內的選定部分中採出。
依據多種因素改變熱源之間的間距。這些因素包括但不限於含烴地層的種類、選定的加熱速率、和/或受熱部分內將要獲得的預定平均溫度。在某些井布局實施例中，熱源之間的間距在大約5m至大約25m的範圍內。在某些井布局實施例中，熱源之間的間距在大約8m至大約15m的範圍內。
熱量由設置在敞開井孔(open wellbore)內的加熱器生成。所生成的熱量輻射加熱該加熱器附近的含烴地層部分。利用敞開的完井孔(a open wellbore completion)，可減少與利用某種材料填充開口以提供絕緣導體與地層之間傳導熱傳遞相關的封裝和包裝費用。另外，利用地層內輻射的熱傳遞比利用地層內傳導的熱傳遞更有效，這樣利用輻射熱傳遞可在較低溫度下操作加熱器。在較低溫度下操作能夠延長熱源的壽命和/或減小形成熱源所需要的材料成本。
如圖2所示，除熱源100以外，含烴地層部分內通常還設置有一個或多個開採井102。地層流體經由開採井102採出。在某些實施例中，開採井102包括熱源。該熱源加熱開採井處或其附近的部分地層，並允許氣相移除地層流體。減少或避免需要自開採井高溫抽運流體。避免或限制高溫抽運流體可極大地減小開採成本。給開採井提供熱量或經由該開採井提供熱量可以(1)防止開採流體在上蓋地層附近的開採井內移動時冷凝和/或回流，(2)增大輸入地層內的熱量，和/或(3)增大開採井處或其附近地層的滲透性。在某些就地轉換處理實施例中，供應給開採井的熱量遠遠少於供應給用以加熱地層的熱源的熱量。
由於受熱地層的滲透性和/或孔隙度增大，採出蒸氣在較低壓差下流過地層內相當長的距離。滲透性增大是由於水的蒸發、烴的移除和/或裂口的生成而使受熱部分質量減小所導致的。在某些實施例中，開採井可設置在烴層的上部。
圖3表示一種含烴層104的實施例，該含烴層104相對於上地面106成近似水平角。但是，含烴層104的角度可以改變。例如，含烴層104可以傾斜或急劇傾斜。如圖3所示，開採井102在利用加熱井110加熱的受熱部分108的頂部附近伸入含烴地層內。開採井伸入受熱烴層內的深度不需要相當深。
含烴地層內產生的流體作為蒸氣經由該含烴地層移動相當長的距離。該相當長距離取決於多種因素(例如，地層的滲透性、流體性質、地層溫度、以及允許流體移動的壓力梯度)，其可超過1000m。由於進行就地轉換的地層的滲透性增大以及地層流體的移除，僅需要每隔一個熱源單元或每三個、四個、五個或六個熱源單元設置開採井。
在就地處理過程中，操縱開採井使該開採井的壓力低於地層其它部分的壓力。在某些實施例中，在開採井處抽真空。維持開採井處於較低壓力下可防止地層內的流體移至就地處理區域的外部。
某些實施例包括控制提供給至少一部分地層的熱量，從而基本上阻止自該部分內採出不怎麼需要的產品。控制提供給至少一部分地層的熱量還能夠提高地層內的滲透均勻性。例如，在某些實施例中，為防止採出不怎麼需要的產品，控制對地層的加熱操作包括控制加熱速率至每天少於預定量(例如，10℃，5℃，3℃，1℃，0.5℃或0.1℃)。
基本均勻地加熱含烴地層可使滲透性基本均勻的提高。例如，均勻的加熱操作將在受熱部分內生成一系列基本均勻的裂口，該裂口是由於地層內產生的熱應力所導致的。基本均勻的加熱操作將以一種基本均勻的方式自該部分生成熱解流體。由於蒸發和開採所移除的水可導致受熱部分的滲透性增大。除了由於熱應力而生成裂口之外，由於流體壓力增大也會生成裂口。由於受熱部分內生成流體，因而該受熱部分內的流體壓力也增大。當該流體壓力達到受熱部分的靜巖壓力時，就產生裂口。基本均勻的加熱操作以及基本均勻地生成流體，可在受熱部分內基本均勻地生成裂口。在某些實施例中，含烴地層受熱部分的滲透性變化不大於10倍左右。
用於在滲透性較低的地層內處理重烴的某些實施例包括自一個或多個熱源提供熱量以熱解一些重烴，然後蒸發一部分重烴。熱源可熱解地層選定部分內的至少一些重烴，並給該選定部分的至少一部分加壓。在加熱過程中，地層內的壓力基本上增大。控制地層內的壓力，從而為採出一種預期成分的流體而維持該地層內的壓力。利用由於加熱地層所產生的負壓，經由一個或多個加熱井移出地層內的氣相熱解流體。
在烴熱解之後，地層內仍然存在大量碳和一些氫氣。地層內殘留的絕大部分碳可以合成氣體的形式自地層內採出。合成氣體生成發生在圖1所示的第3階段加熱操作過程中。第3階段包括加熱含烴地層至足以生成合成氣體的溫度。例如，可在大約400℃至大約1200℃的溫度範圍內採出合成氣體。
圖2表示對含烴地層進行處理的一種就地轉換系統實施例的一部分的示意圖。熱源100設置在至少一部分含烴地層內。熱源100包括例如絕緣導體一類的電熱器、導體位於管道內的加熱器(conductor-in-conduit heaters)、表面燃燒器、無火焰分布燃燒器(flameless distributed combustors)和/或自然分布燃燒器。熱源100還可包括其它類型的加熱器。熱源100給至少一部分含烴地層提供熱量。能量經由供給管路112供應給熱源100。供給管路的構造依據給地層進行加熱的一個或多個熱源的種類而有所不同。用於熱源的供給管路可為電熱器輸送電流、為燃燒器輸送燃料、或者可以輸送在地層內流通的熱交換流體。
可以利用開採井102移出地層內的地層流體。自開採井102採出的地層流體經由收集管114輸送至處理設備116。也可自熱源100採出地層流體。例如，自熱源100採出流體，以控制該熱源附近的地層內的壓力。自熱源100採出的流體可經由導管或管路輸送至收集管114，或者所採出流體經由導管或管路直接輸送至處理設備116。處理設備116包括分離單元、反應單元、改良單元、燃料電池、渦輪機、儲存容器及其它用於對所採出的地層流體進行處理的系統和單元。
一種用於對烴進行處理的就地轉換系統包括阻擋井118。在某些實施例中，利用阻擋層來防止流體(例如，生成流體和/或地下水)移入和/或移出進行就地轉換處理的一部分地層。阻擋層包括但不限於本身存在的部分(例如，上蓋地層和/或下伏地層)、冷凍井、凍結阻擋區、低溫阻擋區、水泥漿井、硫井、排水井、注入井、由地層內生成的凝膠形成的阻擋層、由地層內的鹽沉澱形成的阻擋層、由地層內的聚合反應形成的阻擋層、驅使其進入地層內的板狀物、或它們的組合。
一種用於烴的就地轉換處理包括給一部分含烴地層提供熱量，以及控制受熱部分的溫度、溫度升高速率和/或壓力。通過改變供應給地層內熱源的能量來控制受熱部分的溫度和/或溫度升高速率。
在某些實施例中，設置有一條或多條管路，以給地層孔供應額外成分(例如，氮、二氧化碳、還原劑例如含有氫氣的氣體，等等)以排出流體和/或以控制壓力。熱源附近的地層壓力傾向於最高。有利的是，在熱源內提供壓力控制設備。在某些實施例中，給熱源附近添加還原劑，有助於提供一種更有利的熱解環境(例如，較高的氫分壓)。由於熱源附近的滲透性和孔隙度增長較快，因此最好給熱源附近添加還原劑，這樣還原劑更易於移入地層內。
包括熱解流體的地層流體可自地層內採出。熱解流體包括但不限於烴、氫氣、二氧化碳、硫化氫、氨氣、氮氣、水、及它們的組合物。隨著地層溫度的升高，所採出的地層流體中可冷凝烴的數量越來越少。在高溫下，主要自地層中採出甲烷和/或氫氣。如果經由整個熱解範圍加熱含烴地層，朝向該熱解範圍的上限，自地層中僅採出小量氫氣。在可獲得的全部氫氣都提空之後，通常將自地層中採出最少量的液體。
在一種就地轉換處理實施例中，利用受熱地層來改良物質。被改良的物質自地層的相同部分採出、再流通、自其它地層採出或自相同地層的其它部分採出。
改良包括但不限於改變產品的成分、沸點或凝固點。可被改良的物質例子包括但不限於重烴、焦油、乳劑(例如，自砂中表面分離焦油的乳劑)、石腦油、瀝青質和/或原油。在某些實施例中，表層採出焦油(surface mined tar)被注入地層內以進行改良。在將這種表層採出焦油提供給地層之前，可部分地處理、加熱或乳化這種表面採出焦油。被改良物質可提供給地層的受熱部分。在地層內改良該物質。例如，改良包括給地層受熱部分提供API比重小於大約20°，15°，10°或5°的重烴。在該受熱部分內裂化或蒸餾重烴。經改良的重烴具有大於20°左右(或者大於25°左右或者大於30°左右)的API比重。經改良的重烴中含有硫和/或氮的數量也減少。測量經改良烴的性質(例如，API比重或硫含量)，以確定烴的相對等級。
在一種就地轉換處理實施例中，自受熱地層內採出重烴。然後，該重烴可反向循環入相同地層中以進行改良。最後，自該地層中採出經改良產品。在另一種實施例中，自一個地層中採出重烴，然後在不同溫度下以及在另一地層內改良該重烴。控制停留時間和地層溫度，以生成預期產品。例如，自進行就地轉換處理的瀝青砂地層內最初採出的一部分流體是重烴，特別是在從瀝青砂地層的含烴層內較深的深度處開採烴的情況下。所採出的重烴可經由熱源或該熱源附近被再次引入地層內，以便於改良該重烴。
在一個就地轉換處理實施例中，在就地轉換處理系統的受熱地層內改良利用傳統方法自地層中採出的原油。原油被提供給地層的受熱部分以改良該原油。在某些實施例中，僅將原油的重餾分引入受熱地層內。地層的受熱部分能夠提高所引入原油部分的質量和/或移除所引入原油部分內一些不需要的組分(例如，硫和/或氮)。
在某些實施例中，向注入受熱地層的重烴內添加氫氣或任何其它供氫流體。氫氣或供氫體能夠增強受熱地層內重烴的裂化和改良。在某些實施例中，重烴與氣體(例如，氫氣或二氧化碳)被一起注入以增大和/或控制受熱地層內的壓力。
含烴地層的氫含量可極大影響著自地層中採出的烴流體成分。熱解地層受熱部分內的烴生成具有雙鍵或游離基的烴流體。地層內的氫氣可將雙鍵還原為單鍵。並阻止所生成的地層流體相互反應和/或與地層內的其它組分反應。例如，將所生成烴流體的雙鍵還原為單鍵，可減少所生成烴之間的聚合。這種聚合會減少採出流體的量，並可降低自地層中採出的流體質量。
地層內的氫能夠中和所生成烴流體中的游離基。地層內存在的氫能夠阻止烴碎片(hydrocarbon fragments)發生反應，這種反應將烴碎片轉化為鏈節較短的烴流體。使烴流體成為氣態。氣態烴較易於經由地層移動至開採井。增大氣相的烴流體，可顯著降低自地層選定部分內採出不怎麼需要產品的可能性。
地層內缺乏鍵和自由氫會負面影響自該地層中採出的流體數量和質量。如果本身存在的氫過少，那麼就需要向地層內添加氫或其它還原流體。
在一個就地轉換處理實施例中，地層的受熱部分作為氫化處理區。控制一部分地層的溫度和壓力，使氫化處理區內存在氫分子。例如，在高溫下操縱熱源或選定熱源以產生氫氣和焦炭。由該熱源或選定熱源生成的氫氣擴散到氫化處理區內或者依靠開採井產生的壓力梯度被抽入氫化處理區內。通過控制該熱源或選定熱源的溫度來控制氫分子的數量。在某些實施例中，將氫氣或產生氫氣的流體(例如，被引導經過高溫區或其附近的烴)引入地層內以給氫化處理區提供氫氣。
在一個就地轉換處理實施例中，給氫化處理區提供一種或多種化合物以氫化處理該一種或多種化合物。在某些實施例中，該一種或多種化合物利用天然碳氫化合物的熱解反應在地層內生成。在其它實施例中，該一種或多種化合物被引入氫化處理區。可用於氫化處理的化合物例子包括但不限於氧化劑、石蠟、含有氮的碳化合物、含有硫的碳化合物、原油、合成原油、瀝青、烴混合物、和/或它們的組合物。
對受熱地層進行氫化處理與傳統氫化處理相比具有若干優點。受熱儲集層作為一種較大的氫化處理單元提供了一個較大的反應器容積，在該反應器容積內對物質進行氫化處理。氫化處理條件允許反應在較低的氫分壓和/或較低的溫度下進行(例如，小於從大約0.007巴至大約1.4巴或者從大約0.14巴至大約0.7巴的氫分壓和/或從大約200℃到大約450℃或者從大約200℃到大約250℃)。地層內的焦化產生用於氫化處理的氫氣。儘管產生焦炭，但這種焦化不會導致地層產量的降低，因為儲集層具有較大的孔隙空間。
與市場上可獲得的氫化處理催化劑相比，受熱地層對氫化處理具有較低的催化活性。這種地層提供長停留時間、大容積以及大表面積，使得即使在較低的催化活性下處理也很經濟。某些地層中存在金屬。這些本身存在的金屬可被合入焦炭中，並在氫化處理過程中提供一些催化活性。優選的，不需要監測在氫化處理區內生成或引入氫化處理區內的蒸氣中是否存在催化劑的鈍化劑或破壞劑。
在一個實施例中，自就地氫化處理區中採出的氫化處理產品包括烴混合物和無機混合物。所採出產品依據例如所提供的化合物而變。經由就地氫化處理採出的產品例子包括但不限於烴、氨氣、硫化氫、水或它們的混合物。在某些實施例中，氨氣、硫化氫和/或氧化化合物佔採出產品的重量比小於大約40％。
在處理過程中自含烴地層中採出的地層流體包括不同組分的混合物。為提高自地層中生成產品的經濟價值，利用各種處理工藝對地層流體進行處理。用於處理地層流體的工藝包括蒸餾(例如，常壓蒸餾、分餾和/或真空蒸餾)、冷凝(例如，分級冷凝)、裂化(例如，熱裂化、催化裂化、液體床催化裂化、加氫裂化、渣油加氫裂化和/或蒸汽裂化)、重整(例如，熱重整、催化重整和/或氫蒸汽重整)、氫化、焦化、溶劑萃取、溶劑脫臘、聚合(例如，催化聚合和/或催化異構化)、減粘裂化、烷化、異構化、脫瀝青、加氫脫硫、催化脫臘、脫鹽、萃取(例如，苯酚或其它芳香族化合物等)和/或汽提。
地層流體可在生成並採出該地層流體的第一就地處理區域內受到處理、在進行特定處理工藝的第二處理區域內受到處理、和/或在表面處理單元內受到處理。「表面處理單元」是用於在表面處對至少一部分地層流體進行處理的一種單元。表面處理單元包括但不限於反應器(例如，氫化單元、焦化單元、氨生成單元、肥料生成單元和/或氧化單元)、分離單元(例如，空氣分離單元、液液萃取單元、吸附單元、吸收器、氨回收和/或生成單元、氣/液分離單元、蒸餾塔、反應蒸餾塔和/或冷凝單元)、再沸騰單元、熱交換器、泵、導管、儲存單元、和/或能量產生單元(例如，燃料電池和/或燃氣渦輪)。串聯、並行和/或串並結合採用的多個表面處理單元稱為地面設備構造。地面設備構造可依據地層流體的成分和要生成的產品而發生顯著變化。
地面設備構造可與各種表面處理系統的處理工藝相結合以生成多種產品。就地生成的產品隨著本地和/或全球的市場行情、地層性質、地層附近的購買者、和/或可獲取的原料而變。所生成產品可在現場使用、輸送至其它位置以供使用、和/或出售給購買者。
用於表面處理單元的原料可在處理區域和/或表面處理單元內生成。「原料」是含有至少一種處理工藝所需要組分的流體。原料包括但不限於地層流體、合成冷凝物、氣流、水流、氣餾分、輕餾分、中間餾分、重餾分、蒸餾殘渣、石腦油餾分、噴氣燃料餾分、柴油餾分、和/或含有特定組分的餾分(例如，中心餾分、含有苯酚的餾分等)。某些實施例中，在原料進入表面處理單元之前，對該原料進行氫化處理。例如，用於對合成冷凝物進行氫化處理的一種氫化處理單元可生成硫化氫，該硫化氫用在肥料例如硫酸銨的合成中。選擇性的，在地層流體進入表面處理單元之前，移除該地層流體中的一種或多種組分(例如，重金屬)。
可供選擇的實施例中，在表面處理單元的表面處生成用於就地轉換處理的原料。例如，在表面處理單元內自地層流體中分離出氫氣流，然後將該氫氣流提供給就地處理區域以促進改良產品的生成。此外，可將原料注入處理區域內以儲存作將來使用。選擇性的，原料儲存在表面上的存儲單元內。
通過控制處理區域內和/或一個或多個表面處理單元內的條件來改變所生成產品的成分。處理區域內和/或一個或多個表面處理單元內的條件影響著產品成分，該條件包括但不限於平均溫度、流體壓力、H2分壓、溫度梯度、地層物質的成分、加熱速率、以及進入處理區域和/或表面處理單元的流體成分。存在若干不同的地面設備構造以用於自地層流體合成和/或分離特定組分。
控制地層條件以控制採出流體的氫壓力，可提高採出流體的質量。在某些實施例中，可取的是控制地層條件以使開採井處測量的採出流體的氫分壓大於0.5絕對巴左右。
在一個實施例中，加熱一部分含烴地層以增大H2分壓。在某些實施例中，H2分壓增大至大約0.5巴至大約7巴的範圍內。選擇性的，H2分壓增大至大約5巴至大約7巴的範圍內。例如，在大約5巴至大約7巴的H2分壓範圍內，可採出絕大多數烴流體。熱解H2分壓範圍內的H2分壓範圍可以依據例如地層受熱部分的溫度和壓力而變化。
維持地層內的H2分壓大於大氣壓強能夠提高所採出的可冷凝烴流體的API值。維持增大的H2分壓，能夠將所採出的可冷凝烴流體的API值提高至大於25°左右，或者在某些情況下大於30°左右。維持含烴地層受熱部分的增大H2分壓，可增大該受熱部分內的H2濃度。H2能夠與烴的熱解組分反應。H2與烴的熱解組分反應會減少烯族烴與高粘重質原油的聚合以及交聯，這種聚合和交聯會使得難以改良產品。由此，可防止生成API比重值小的烴流體。
就地轉換處理能在地層內生成相當數量的H2和烴流體。在地層內生成氫，同時地層內的壓力足以迫使氫氣在該地層內轉換為液態，這就能夠在地層內創造一種還原環境，而不需要向該地層內加入還原流體(例如，H2和/或不可冷凝的飽合烴)。可分離自地層中採出的地層流體中的氫氣組分，並用作預期目的。該預期目的包括但不限於燃料電池的燃料、燃燒器的燃料、和/或用於表面氫化處理單元的原料流。
在一種實施例中，一種就地處理含烴地層的方法包括當地層的選定部分處於或經受特定條件時，向該選定部分添加氫氣。例如，經由位於選定部分內或其附近的加熱井或開採井添加氫氣。由於氫氣有時會相對供應不足(或者製造或獲取較昂貴)，因此當地層條件能夠最佳地使用所添加氫氣時，添加氫氣。例如，將從進行合成氣體生成的一部分地層內採出的氫氣加入進行熱解的一部分地層內。加入地層熱解部分內的氫氣能夠促使形成脂肪族化合物而防止形成烯烴族化合物，烯烴族化合物會降低自地層中採出的烴流體的質量。
在某些實施例中，在地層平均溫度達到熱解溫度之後(例如，當選定部分至少為270℃左右時)，向選定部分內添加氫氣。在某些實施例中，當平均溫度至少達到290℃，320℃，375℃或者400℃左右時，向選定部分內添加氫氣。在地層平均溫度達到大約400℃之前，向選定部分內添加氫氣。某些實施例中，在平均溫度達到大約300℃或大約325℃之前，向選定部分內添加氫氣。
通過向地層選定部分選擇性地添加氫氣能夠控制該地層的平均溫度。加入地層內的氫氣會發生放熱反應。放熱反應可加熱地層，從而減少需要自熱源供應給地層的能量。在某些實施例中，向地層選定部分加入一定量的氫氣，以使該地層的平均溫度不超過400℃左右。
可利用閥來維持、改變和/或控制含烴地層受熱部分內的壓力。例如，設置在含烴地層內的熱源可與閥連接。該閥能夠經由熱源釋放來自地層的流體。另外，壓力閥可與含烴地層內的開採井連接。在某些實施例中，收集利用閥釋放的流體，並將它們輸送至表面單元以進行進一步的加工和/或處理。
在傳統處理工藝中，自地層中採出的烴流體被分離為至少兩股流體，包括氣流和合成冷凝流。氣流包含一種或多種組分，可利用一個或多個表面處理單元將該氣流進一步分離為組分流。
可在地層流體分離為氣流和液烴冷凝流之前氫化處理該地層流體。選擇性的，可在進一步分離為組分流之前，在單獨的氫化處理單元內氫化處理氣流和/或液烴冷凝流。「合成冷凝物」是冷凝的地層流體的液體組分。
對流體進行氫化處理會改變該流體的若干性質。氫化處理能夠增大流體和/或流體體積內烴的氫含量。此外，氫化處理能夠減少流體中雜原子例如氧、氮或硫原子的含量。例如，在氫化處理過程中自流體中移除的氮可被轉化為氨。所移除的硫可被轉化為硫化氫。用於氫化處理單元的原料包括但不限於地層流體和/或在表面處理單元內生成或分離的任何流體(例如，合成冷凝物、輕餾分、中間餾分、重餾分、蒸餾殘渣、中心餾分、裂解汽油、和/或在烯烴生產工廠處生成的分子氫)。
就地轉換處理過程中會生成氨。熱解階段過程中，可由烴物質中存在的某些氮就地生成氨。還可由含烴物質內存在的某些硫，在地層內生成硫化氫。就地生成的氨和硫化氫可溶解在由地層流體凝結的水中。
在某些實施例中，當對流體進行氫化處理時，自烴內存在的氮形成氨。圖4表示了一種表面處理單元的構造，該單元可從自地層內採出的水中分離出氨和其它氣體。地層流體124在井頭126處分離為氣流128、合成冷凝物130和水流132。氣體處理單元134將氣流128分離為氣體混合物136、輕烴混合物138和/或氫餾分140。氣體混合物136包括但不限於硫化氫、二氧化碳和/或氨氣。氣體混合物136可與水流132混合以形成水成混合物142。水成混合物142流入汽提單元144，在這裡該水成混合物142分離為氨流146和水成混合物148。水成混合物148流入汽提單元144』，在這裡該水成混合物148分離為氣流150和水流152。可以水溶液或者無水形式儲存氨流146。選擇性的，將氨流146提供給需要氨的表面處理單元，例如，尿素合成單元或硫酸銨合成單元。合成冷凝物130可流至氫化處理單元154以形成含氨流146』和經氫化處理的合成冷凝物156。在含氨流146』進入汽提單元144之前，其可與水流132混合。
在某些實施例中，利用圖5所示氨合成工藝可在表面處理單元內就地生成氨。空氣流160流至空氣分離單元162以自該空氣流160分離出氮流164和氣流166。利用熱交換器168加熱該氮流164以形成受熱氮原料140』，然後該受熱氮原料140』流入氨生成單元172。氫餾分140』流至氨生成單元172以與氮流164反應從而形成氨流174。就地處理工藝或表面處理工藝過程中生成的氨可儲存在水溶液中或者作為無水氨儲存。在某些情況中，可商業銷售任一種形式的氨。選擇性的，就地採用氨以生成具有商業價值的大量不同產品(例如，硫酸銨或尿素一類的肥料)。肥料產品可提高用於處理地層的處理系統的經濟生存能力。肥料產品的母體可就地生成或在地面設備內處理地層流體時生成。
就地處理過程中或在表面處理單元處的處理過程中生成的氨和二氧化碳可用於生成用作肥料的尿素，如圖6所示，氨流174和二氧化碳流176在尿素生成單元178內反應以形成尿素流180。
如圖7所示，通過在表面處理單元內處理地層流體來生成硫酸銨。井孔126將地層流體124分離為不可冷凝烴流體182與合成冷凝物130的混合物。利用分離單元184將不可冷凝烴流體182分離為氫氣流140』、硫化氫流186、甲烷流188、二氧化碳流178』以及不可冷凝烴流體182』。
硫化氫流186可流至氧化單元190，以將其轉化為硫酸流192。在某些實施例中，還經由硫化氫流186』給氧化單元190提供額外的硫化氫。在某些實施例中，自氫化處理單元提供硫化氫流186』。該氫化處理單元可以是位於處理系統不同部分內或不同構造處理系統的一部分內的一種地面設備。氨流174和硫酸流192可流入肥料合成單元194以生成硫酸銨流196。選擇性的，可商業銷售在氧化單元內生成的一部分硫酸。
在某些實施例中，利用地層處理過程中生成的氨來製造碳酸銨、碳酸氫銨、氨基甲酸銨和/或尿素。分離出的氨可提供給含有二氧化碳的流體(例如，自地層流體中分離出的合成氣體和/或二氧化碳)，以使該分離出的氨與流體中的二氧化碳反應，從而生成碳酸銨、碳酸氫銨、氨基甲酸銨和/或尿素。按照這種方式利用分離出的氨，能夠減少處理工藝所釋放的二氧化碳。可將碳酸銨、碳酸氫銨、氨基甲酸銨和/或尿素商業出售給本地市場以供使用(例如，作為肥料或製造肥料的原料)。碳酸銨、碳酸氫銨、氨基甲酸銨和/或尿素可捕獲或螯合地質地層內的二氧化碳。
鑑於本說明書，本發明各個方面的進一步改變和可供選擇的實施例對本領域技術人員而言將變得明顯。相應的，本說明書應被認為僅是示意性的，其目的是為了啟示本領域技術人員實施本發明的一般方式。應認識到的是，這裡所表示及描述的本發明形式應視為當前優選實施例。這裡所表示及描述的那些部件和材料都可被替換、元件和步驟可以顛倒、本發明某些特徵可以獨立使用，在獲益於本說明書之後這些對本領域技術人員而言都變得明顯。在不脫離如以下權利要求書所述本發明實質和範圍的情況下，可對這裡所述的部件做出改變。另外，應認識到的是，在某些實施例中，其中獨立描述的特徵可以相互組合。
權利要求
1.一種對受熱地層內的流體進行就地氫化處理的方法，包括自一個或多個熱源給至少一部分所述地層提供熱量；允許所述熱量自所述一個或多個加熱器傳遞給所述地層部分；給所述地層部分提供流體；控制所述地層部分內的H2分壓；對所述地層部分內的至少一些所述流體進行氫化處理；以及自所述地層中採出包含經氫化處理的流體在內的混合物。
2.如權利要求1所述的方法，其特徵在於，當所述地層部分內的氫分壓至少為大約0.5絕對巴時，自所述地層內採出所述混合物。
3.如權利要求1-2之一所述的方法，其特徵在於，由所述一個或多個熱源中至少一個提供的熱量基本上通過傳導傳遞給至少所述地層部分。
4.如權利要求1-3之一所述的方法，還包括，給所述地層部分提供氫氣。
5.如權利要求1-4之一所述的方法，還包括，控制所述熱量，使所述地層部分內的溫度在大約200℃至大約450℃的範圍內。
6.如權利要求1-4之一所述的方法，還包括，當所述地層部分的溫度在大於270℃左右且小於400℃左右之間後，給地層的所述地層部分提供氫氣。
7.如權利要求1-6之一所述的方法，還包括，通過選擇性地給所述地層添加氫氣，控制大部分所述地層部分的溫度。
8.如權利要求7所述的方法，還包括，控制所述溫度，使所述溫度小於375℃左右或者小於400℃左右。
9.如權利要求1-8之一所述的方法，還包括，控制加熱速率，使所述溫度小於400℃左右。
10.如權利要求1-9之一所述的方法，其特徵在於，所提供的流體包括石蠟、瀝青、氧化化合物、含硫化合物、含氮化合物和/或原油。
11.如權利要求1-10之一所述的方法，其特徵在於，所採出的混合物包括烴混合物、比重小於1％左右的氨氣，比重小於1％左右的硫化氫和/或比重小於1％左右的氧化化合物。
12.如權利要求1-11之一所述的方法，還包括，經由開採井自所述地層中採出所述混合物，以及控制所述加熱操作以使所述混合物呈氣相自所述地層中採出。
13.如權利要求1-12之一所述的方法，其特徵在於，所採出的混合物包括氨氣，以及還包括自所述經氫化處理的流體中分離出至少一部分所述氨氣。
14.如權利要求13所述的方法，還包括，利用至少一部分所述分離出的氨氣來生成硫酸銨。
15.如權利要求13所述的方法，還包括，利用至少一部分所述分離出的氨氣來生成尿素。
16.如權利要求13所述的方法，其特徵在於，所採出的流體還包括二氧化碳，以及還包括自所採出的流體中分離出至少一部分二氧化碳，並使至少部分所述二氧化碳與至少一部分氨反應以形成尿素。
17.如權利要求13所述的方法，其特徵在於，所採出的流體還包括硫化氫，以及還包括自所採出的流體中分離出至少一部分硫化氫、將至少一些所述硫化氫轉化為硫酸、並使至少一些所述硫酸與至少一部分氨反應以形成硫酸銨。
18.如權利要求13所述的方法，其特徵在於，所採出的流體還包括硫化氫，以及還包括自所採出的流體中分離出至少一部分硫化氫，並將至少一些所述硫化氫轉化為硫酸。
19.如權利要求13所述的方法，還包括，利用至少一部分氨生成碳酸氫銨。
20.如權利要求13所述的方法，還包括，將至少一部分氨提供給含有二氧化碳的流體以生成碳酸氫銨。
21.如權利要求13所述的方法，還包括，將至少一部分氨提供給至少一些合成氣體以生成碳酸氫銨。
全文摘要
本發明描述了一種在受熱地層內對流體進行就地氫化處理的方法。該就地處理方法包括自一個或多個加熱器給至少一部分地層提供熱量；允許熱量自一個或多個加熱器傳遞給地層的一部分；給該地層部分提供流體；控制地層內該地層部分的溫度和氫壓力以對流體進行氫化處理；自地層中採出所得到的經氫化處理的流體；分離所採出的經氫化處理的流體；可將所得到產品例如氨轉化為其它產品。
文檔編號E21B43/24GK1636108SQ02821042
公開日2005年7月6日 申請日期2002年10月24日 優先權日2001年10月24日
發明者斯科特·L·韋林頓, 阿賈伊·M·馬德加夫卡爾, 羅伯特·C·瑞安 申請人:國際殼牌研究有限公司