專利名稱：含碳地層生物轉(zhuǎn)化的原位電刺激的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及通過對地下含碳地層中微生物菌群的原位電刺激，從此類地層中生產(chǎn)甲烷、二氧化碳、氣態(tài)和液態(tài)烴類及其他有價值的產(chǎn)物。
背景技術(shù)：
產(chǎn)甲烷作用(又稱為生物產(chǎn)甲烷)是指通過微生物來生產(chǎn)甲烷。產(chǎn)生甲烷是微生物代謝的重要和普遍形式。微生物的產(chǎn)甲烷作用是厭氧呼吸的一種形式，代表有機(jī)質(zhì)腐解的最終反應(yīng)。這些反應(yīng)導(dǎo)致了電子受體(如氧氣)的消耗，以及小分子有機(jī)物的積累，例如烴類，特別是甲烷，以及諸如氫氣和二氧化碳的氣體。此過程中，發(fā)酵作用破壞了較大的有機(jī)物，與此同時，產(chǎn)甲烷作用除去了較小的物質(zhì)，如氫氣、二氧化碳及有機(jī)小分子。
電生物刺激(Electrical bio-stimulation)是指提供電子以刺激微生物的生長。所有的生物體都需要電子供體和受體，電子可以化學(xué)形態(tài)或通過直接的電化學(xué)方式來提供。用電刺激微生物的代謝已經(jīng)有很多年。然而，尚未有出于將煤或其他含碳材料生物轉(zhuǎn)化為用作燃料或燃料前體的甲烷及其他氣態(tài)或液態(tài)烴類的目的，而對地下含碳地層 (formation)中的微生物進(jìn)行電刺激的報道。
發(fā)明概述
在一個方面，本發(fā)明涉及一種生物轉(zhuǎn)化方法，包括向含碳沉積層如煤層或其他含碳沉積層中引入電能，隨后從所述沉積層中移除形成的產(chǎn)物。在不同的實施方案中，電能來源為物理的或化學(xué)的或二者的結(jié)合(如物理和/或化學(xué)電子源)，形成的產(chǎn)物為燃料如甲烷或燃料前體(即易于轉(zhuǎn)變?yōu)槿剂系奈镔|(zhì))。
在一種應(yīng)用中，此方法包括和所述電能一起或單獨地向沉積層中注入流體，隨后也移除所述流體，其可以和形成的產(chǎn)物一起，或在形成的產(chǎn)物被移除之前或之后進(jìn)行。
在一個實施方案中，注入的流體含有促進(jìn)和/或維持含碳沉積層中存在的微生物生長的營養(yǎng)物。在另外的實施方案中，所述流體含有溶解沉積層中至少一部分含碳材料的化學(xué)品，特別是作為促進(jìn)生物轉(zhuǎn)化的手段。
在一個可選的實施方案中，注入的流體中包含微生物，如非本源微生物，以使地層中的含碳材料通過生物轉(zhuǎn)化形成甲烷或其他有用的燃料或燃料前體。
在單獨的實施例中，電能的傳輸為連續(xù)的或間斷的。在其他實施例中，營養(yǎng)物和化學(xué)品的注入為連續(xù)的或間斷的。某些情況下，電能和化學(xué)品的引入為間斷但交錯的方式，以使電能和營養(yǎng)物交替應(yīng)用。
在本發(fā)明方法優(yōu)選的實施方案中，鉆井孔從表層延伸至含碳沉積層。在一個實施方案中，這種鉆井孔包括注入井、生產(chǎn)井以及電能傳輸井，優(yōu)選地，水平地直接相互上下設(shè)置而從表層延伸至含碳沉積層。在至少一個這樣的實施方案中，一個或多個鉆井孔僅用于傳輸電能，一個或多個鉆井孔用于注入和產(chǎn)出流體、氣體、營養(yǎng)物和化學(xué)品。
在本發(fā)明方法或工藝的一個實施例中，將提高向含碳沉積層中傳輸電能的效率的物質(zhì)加入到被注入至所述含碳沉積層的流體、營養(yǎng)物、氣體及化學(xué)品中。
在另一個實施例中，注入的流體從注入井流向多個生產(chǎn)井，和/或通過控制注入井和生產(chǎn)井之間的壓力差來控制從注入井向生產(chǎn)井的流體流動分布。也可通過地層來控制所述分布以提高甲烷及其他燃料或燃料前體的總產(chǎn)量。
在至少一個實施方案中，將二氧化碳加入到被注入至所述含碳沉積層的水、營養(yǎng)物、化學(xué)品和氣體中，通過地層中的本源和/或非本源的產(chǎn)甲燒菌群(methanogenic consortia)轉(zhuǎn)化為甲烷，然后從含碳沉積層如煤層的煤中進(jìn)行回收。


圖1顯示了通過將電能引入煤層以刺激含碳材料生物轉(zhuǎn)化為甲烷的的一種方式。 此處，I代表注入井，2、3、4和5為生產(chǎn)井。定義
本文所使用的術(shù)語“生物轉(zhuǎn)化”指的是，優(yōu)選借助沉積層中的本源微生物或被引入至沉積層中的非本源微生物，將含碳分子(例如含碳地層，如煤層中的煤)轉(zhuǎn)化為甲烷及其他有用的氣態(tài)和液態(tài)產(chǎn)物，。這種生物轉(zhuǎn)化通過應(yīng)用化學(xué)或物理來源的電的刺激而發(fā)生。
本文所使用的“煤”指的是任意的從褐煤到無煙煤的一系列含碳燃料。此系列中各個成員在相對濕度、所含揮發(fā)物及固定碳方面彼此不相同。煤主要由碳、氫以及夾帶的水組成，主要為具有多個碳碳雙鍵的大分子形式。低等級煤沉積物主要由煤和水組成。將含碳分子如煤或來自煤分子溶解的含碳分子燃燒可產(chǎn)生能量。在煤中，那些含有最大量固定碳及最小量水分和揮發(fā)物的煤最為有用。
本文所使用的術(shù)語“溶解”或“溶解的”指的是如下過程通過使用一種或多種可以使煤分子的碳鍵和其他化學(xué)鍵斷裂的化學(xué)品，將包括煤或其他含碳材料的很大的碳?xì)浠衔锓肿臃纸獬筛〉奶細(xì)浠衔锓肿踊蚧衔?，然后與所述化學(xué)品進(jìn)行反應(yīng)形成更小的碳?xì)浠衔锓肿?，其然后被生物轉(zhuǎn)化為甲烷、二氧化碳和其他有用的氣體。為本發(fā)明的目的，溶解意味著將固體含碳材料如煤轉(zhuǎn)化為溶于水的碳形式，更具體地，是由溶于水并可通過O. 45微米過濾器的化合物組成的碳形式。
本文所使用的術(shù)語“乙酸的鹽或酯”指的是乙酸的共軛堿，其中的乙酸根離子通過乙酸的去質(zhì)子化形成；或是具有通式CH3CO2R的有機(jī)化合物，其中R為有機(jī)基團(tuán)。
本文所使用的術(shù)語“乙酸鹽/酯(acetate) ”指的是乙酸中一個或多個氫原子被一個或多個堿的陽離子所取代的鹽，得到的化合物中含有負(fù)有機(jī)離子CH3COO'所述術(shù)語也指乙酸酯。按照本發(fā)明，所述乙酸的鹽或酯任選與水進(jìn)行混合。在一個優(yōu)選的實施方案中，乙酸的鹽或酯與水混合物使用。應(yīng)理解，當(dāng)以水溶液形式使用此類乙酸鹽時，可形成一些乙酸 (取決于最終的PH值)并參與所述溶解過程。為本發(fā)明目的，當(dāng)其他羧酸(如苯甲酸)的鹽用作這樣的用途時，應(yīng)理解類似的限定。
本文所使用的術(shù)語“芳族醇”指的是具有通式ROH的有機(jī)化合物，其中R為取代或未取代的芳基，所述芳基可以為單環(huán)或稠環(huán)。在一個實施方案中，所述芳基的R為未取代的。在另一個實施方案中，R被一個或多個烴基和/或一(多)個-OH基所取代。在一些實施方案中，-OH存在于芳環(huán)上，或存在于所述芳環(huán)的取代基上，或同時存在于二者之上。
本文所使用的術(shù)語“生物氣化(biogasifcation) ”及“產(chǎn)甲烷作用”基本上可互換。
本文所使用的短語“微生物菌群”指的是包括自然群聚(naturalassemblage)在內(nèi)的含有兩種(株)或多種(株)微生物的微生物培養(yǎng)物，特別是其中每種或每株微生物由與其他微生物相互作用而受益的微生物培養(yǎng)物。
本文所使用的術(shù)語“有用的產(chǎn)物”指的是通過生物轉(zhuǎn)化從含碳材料如煤中獲得的化學(xué)品，包括但不限于諸如烴類的有機(jī)物，例如甲烷和其他小分子有機(jī)物；以及用作燃料或用于生產(chǎn)燃料的脂肪酸；以及諸如氣體的無機(jī)物，包括氫氣和二氧化碳。發(fā)明詳述
本發(fā)明涉及一種方法，該方法用于刺激含碳地層(geologicalformation)中的微生物和/或微生物菌群，以提高存在于此地層中的含碳材料(包括被引入至該地層的外源材料)的生物轉(zhuǎn)化。此類地層為典型的地下地層，例如已知的含有含碳材料的“煤層”或“煤床”，這些含碳材料可被生物轉(zhuǎn)化為用作燃料的甲烷和其他氣體及液體產(chǎn)物或燃料前體(例如，脂肪酸、烴類及任何易于轉(zhuǎn)化為甲烷等的分子)，這些燃料前體再通過該行業(yè)公知的進(jìn)一步反應(yīng)轉(zhuǎn)化為有用的燃料。
具體地，所述方法包括在有或沒有同步注入流體的情況下，向含碳沉積層如煤層中引入電能(即物理或化學(xué)來源的電子)，然后從所述沉積層中移除形成的產(chǎn)物(以及任何注入的流體或流體)。微生物菌群，尤其是包含產(chǎn)甲烷菌的那些，是將含碳分子如乙酸鹽和二氧化碳轉(zhuǎn)化為甲烷和其他燃料及燃料前體的試劑。
根據(jù)前述內(nèi)容,有用的地層包括礦、河床、地平面場地(groundlevel felds)等,特別是那些富含含碳材料的，例如煤層。
優(yōu)選地，含煤沉積層為煤層，基于遞增的含碳量，在褐煤到無煙煤的范圍內(nèi)包括煙煤、褐煤或其他任意形式或等級的煤。碳含量最低的是褐煤(lignite)或褐炭(brown coal)，按升序之后依次為次煙煤或黑褐煤(等級稍高于褐煤)、煙煤、半煙煤(高級煙煤)、半無煙煤(低級無煙煤)以及無煙煤。全部都可用于本發(fā)明的方法中。
在優(yōu)選的實施方案中，此類轉(zhuǎn)化使用可以是本源的或可以被有意引入所述地層的微生物菌群，其對于電生物刺激作出積極響應(yīng)以產(chǎn)生甲烷和其他有用產(chǎn)物。作為一種促進(jìn)同步和/或后續(xù)生物轉(zhuǎn)化的手段，此類方法任選包括地層中含碳物的預(yù)先或同步溶解步驟。
按照本發(fā)明，電子的輸送提高了煤質(zhì)碳向甲烷的生物轉(zhuǎn)化，除注入的營養(yǎng)物和其他化學(xué)品之外，其中的某些提高了煤微生物轉(zhuǎn)化為甲烷和/或二氧化碳的敏感性。電子的輸送通過以下方式來控制以電流或電壓來調(diào)節(jié)電子流量，調(diào)節(jié)鉆井孔的位置和操作，以及調(diào)節(jié)營養(yǎng)物和其他化學(xué)品(包括電子供體例如氫、金屬、烴類等)的流量。
二氧化碳通過產(chǎn)甲烷菌的作用轉(zhuǎn)化為甲烷，根據(jù)本發(fā)明，當(dāng)采用電子進(jìn)行刺激時， 提高了二氧化碳通過此類產(chǎn)甲烷菌向甲烷的轉(zhuǎn)化率。二氧化碳通過微生物向甲烷轉(zhuǎn)化的化學(xué)方程式為
C02+8H++8 丨—CH4+2H20
在一個實施方案中，本發(fā)明提供了一種使用富碳地層的本源微生物和/或引入地層的非本源微生物將二氧化碳轉(zhuǎn)化為甲烷的方法，所述地層通過例如化學(xué)來源的電子進(jìn)行了電刺激。或者，在進(jìn)行本發(fā)明的電生物刺激同時或之前，將二氧化碳引入地下地層。這些方法大規(guī)模而有效地將二氧化碳(明確的溫室氣體)轉(zhuǎn)化為有用的能量產(chǎn)物，如甲烷或其他生物燃料。
在一個實施方案中，在引入電子源的情況下，通過注入某些非本源微生物菌種以及營養(yǎng)物和化學(xué)品，進(jìn)一步增強了產(chǎn)甲烷菌群的刺激以及甲烷與其他有價值氣體和烴類的產(chǎn)生。
在某些實施方案中，所述生物轉(zhuǎn)化受一種或多種生物轉(zhuǎn)化試劑的影響。所述生物轉(zhuǎn)化試劑包括兼性厭氧菌，如葡萄球菌屬(Staphylococcus)、埃希式桿菌屬 (Escherichia)、棒狀桿菌屬(corunebacterium)、李斯特菌屬(Listeria)的那些；產(chǎn)醋酸菌，如鼠孢菌屬(Sporomusa)、梭菌屬(Clostridium)的那些；以及產(chǎn)甲燒菌，例如， 甲燒桿菌屬(Methanobacterium)、甲燒短桿菌屬(Methanobrevibacter)、甲燒石樂菌屬 (Methanocalculus)Jj^ 甲燒球菌屬(Methanococcoides)、甲燒球菌屬(Methanococcus)、 甲燒粒菌屬(Methanocorpusculum)、甲燒囊菌屬(Methanoculleus)、甲燒泡菌屬 (Methanofollis)、產(chǎn)甲燒菌屬(Methanogenium)、甲燒微菌屬(Methanomicrobium)、甲燒熱菌屬(Methanopyrus)、Methanoregula、鬃毛甲燒菌屬(Methanosaeta)、甲燒八疊球菌屬 (Methanosarcina)> 甲燒球形菌屬(Methanophaera)、甲燒螺旋菌屬(Methanospirillium)、 甲燒熱桿菌屬(Methanothermobacter)以及甲燒絲狀菌屬(Methanothrix)的那些。生物轉(zhuǎn)化試劑還包括真核微生物,如真菌。
例如，美國專利No. 6，543，535及美國已公布申請2006/0254765公開了具有代表性的微生物和營養(yǎng)物，其相關(guān)教導(dǎo)通過引用而并入于此。還可以包含適當(dāng)?shù)拇碳?
注入流體的添加劑包括主要營養(yǎng)物、維生素、微量元素(例如，作為非限制性群組的B、Co、Cu、Fe、Mg、Mn、Mo、N1、Se、W、Zn)以及緩沖液，如磷酸鹽和醋酸鹽緩沖液。還可以包括適當(dāng)?shù)纳L培養(yǎng)基。在實施本發(fā)明時，有必要首先確定存在于煤沉積層中的微生物菌群的特性，以便確定用作本發(fā)明方法一部分的最佳生長條件。
如通過本源(或內(nèi)源)微生物菌群完成生物轉(zhuǎn)化，于生物轉(zhuǎn)化的電刺激之前引入上述營養(yǎng)物是有利的。如通過非本源微生物菌群(如外源性弓I入的微生物或微生物菌群)完成生物轉(zhuǎn)化，可在引入外源性微生物之前、期間或之后引入營養(yǎng)物。
所述生物轉(zhuǎn)化在對處理后的含碳材料和/或用微生物從含碳材料中獲得的產(chǎn)物進(jìn)行有效生物轉(zhuǎn)化的條件下實施。有用的生物轉(zhuǎn)化試劑包括兼性厭氧菌、產(chǎn)醋酸菌、產(chǎn)甲烷菌及真菌。在典型的實施方案中，生物轉(zhuǎn)化包括形成烴類如甲烷、乙烷、丙烷，以及羧酸、脂肪酸、乙酸鹽、二氧化碳。
在合適的實施方案中，對地層內(nèi)的內(nèi)源性和/或外源性微生物或微生物菌群的生物電刺激包括在向地層如煤層中注入或不注入水和/或其他化學(xué)品的情況下引入電子， 收集未使用的電子形成完整電路，隨后從所述地層中回收形成的產(chǎn)物和/或注入的物質(zhì)。
控制引入電子的流量，以使得煤層中微生物的生長與含碳材料如煤以及任選其他引入的碳源(如二氧化碳)的轉(zhuǎn)化得以提高并維持在設(shè)定水平。
導(dǎo)電性一般與水的鹽度成比例。與那些溶解離子含量低的含碳沉積層相比，具有大量溶解離子尤其是金屬鹽離子(如鈉)和氯的含碳沉積層更易于傳導(dǎo)電流或允許電子流動。對于放入地層中的陽極和陰極之間，或者與地層進(jìn)行電接觸的電流阻力而言，高鹽度水平的地層低于低鹽度水平的地層。例如，在低鹽度煤層中，通過添加導(dǎo)電材料來調(diào)節(jié)導(dǎo)電性或電能流過水的能力，所述導(dǎo)電材料任選地同樣維持或加強本源和/或非本源的(即內(nèi)源性和/或外源引入的)產(chǎn)甲烷菌群的生長。在本發(fā)明的一個實施方案中，將鐵的納米顆粒和/或可溶性鹽加入到注入煤層的水中，以提高水的導(dǎo)電性并提供通過菌群加強電子轉(zhuǎn)移的鐵。
地層如煤層中的孔隙空間的主要形式為裂隙，其孔徑或?qū)挾瓤梢栽趤單⒚椎胶撩椎姆秶鷥?nèi)，長度可以在微米到數(shù)百英尺的范圍內(nèi)。很多(甚至大部分)裂隙是互相連接的，由此形成了流體和氣體以及電能流經(jīng)其的液壓回路。相對于其他地層如砂巖和頁巖，煤層具有高度的壓縮性，因此煤層中的固體體積和孔隙空間可以通過增加或降低煤層內(nèi)的流體壓力來調(diào)節(jié)。在超過初始或靜水條件的流體壓力以及最佳的凈有效應(yīng)力下，于煤層中實施本發(fā)明的方法，可隨著方法的進(jìn)行而提高井間的滲透性，可增加煤層中流體的量或體積，可增加能存在于煤層水中的微生物數(shù)量，還可增加提供給微生物的電子的體積或數(shù)量，由此可提聞該方法的效率。
根據(jù)本發(fā)明，地下含碳地層可在任何時候被流體如液體和/或氣體所飽和，此飽和還影響地層的凈有效應(yīng)力。地下地層中氣體和液體的滲透性同樣取決于其飽和度，因此通過有目的地增加地下地層內(nèi)的壓力使其遠(yuǎn)高于初始條件直至最優(yōu)點，并持續(xù)維持所述壓力，可使流體、營養(yǎng)物、微生物菌群和產(chǎn)生的甲烷、二氧化碳及烴類的流動達(dá)到最優(yōu)化。
實施所述方法的最大壓力受到一個數(shù)值點的限制，即當(dāng)?shù)叵碌貙又械牧黧w壓力超過地層的抗拉強度時，會導(dǎo)致地層中垂直或水平面上裂隙的形成和擴(kuò)大，其由泊松比 (Poisson s ratio)確定。這些由壓力誘導(dǎo)的裂隙通常形成大的流體通道，注入的流體、營養(yǎng)物和微生物菌群以及產(chǎn)生的甲烷在其中流過，因此，降低或抑制了流體壓力的分布以及貫穿地下地層的凈有效壓力的下降。
在超過初始或靜水條件的壓力點以及最佳的凈有效應(yīng)力下，于地下地層實施所述轉(zhuǎn)化方法，可以更好地確定所述方法進(jìn)程中的鉆井間滲透性趨勢及變化。固體煤或頁巖向甲烷氣體的生物轉(zhuǎn)化減少了煤或頁巖沿表面的固體體積，并增大了裂隙及相關(guān)孔隙 (porosities)的孔徑，繼而提高地下地層的滲透性以及所述轉(zhuǎn)化方法的效率。
許多含碳地下地層具有多種類型的孔隙率或孔隙空間，由其組成的材料類型和正在承受或已承受的力的函數(shù)(function)。例如，許多煤層具有雙重或三重孔隙率系統(tǒng)，因而孔隙空間以裂隙、大矩陣空間(large matrix spaces)和/或小矩陣空間(small matrix spaces)的形式存在。這些孔隙空間可在一個區(qū)域上大幅變化，經(jīng)常表現(xiàn)出方向趨勢或定向性，通常在地層內(nèi)的垂直方向上是可變的。在給定的地下環(huán)境下，地下地層的滲透性同樣可水平或垂直地大幅變化。在給定充分的地質(zhì)學(xué)和地球物理學(xué)數(shù)據(jù)的情況下，可確定地下地層的許多特性，如厚度、面積范圍(areal extent)、深度、斜率(slope)、飽和度、滲透性、孔隙度、溫度、地層地球化學(xué)、地層組成以及壓力，以形成地下地層的三維數(shù)學(xué)模型。
根據(jù)本發(fā)明，利用綜合數(shù)學(xué)模型，通過引入微生物營養(yǎng)物、產(chǎn)甲烷菌群、化學(xué)品和電能，使用本源和/或有意引入的非本源產(chǎn)甲烷菌群來進(jìn)行含碳地下地層向二氧化碳、甲烷和其他烴類的原位生物轉(zhuǎn)化，所述綜合數(shù)學(xué)模型詳細(xì)描述了地質(zhì)學(xué)、地球物理學(xué)、流體力學(xué)、微生物學(xué)、化學(xué)、生物化學(xué)、地球化學(xué)、熱動力學(xué)以及此類系統(tǒng)和方法的操作特性。
所產(chǎn)生的此類生物轉(zhuǎn)化組成產(chǎn)物的量以及該產(chǎn)物的產(chǎn)率是幾個因素的函數(shù)，包括但不必限于特異性微生物菌群的存在、含碳地層的性質(zhì)或類型、所述地層的溫度和壓力、地層內(nèi)水的存在及其地球化學(xué)性質(zhì)、微生物菌群存活及生長所需營養(yǎng)物的可用性和數(shù)量、 甲烷及其他生物轉(zhuǎn)化產(chǎn)物或成分的存在或飽和度，以及其他因素。
碳生物轉(zhuǎn)化的速度與應(yīng)用于所述轉(zhuǎn)化方法中的微生物可利用表面積的量、微生物的種群和營養(yǎng)物向沉積層中的移動，以及隨著沉積層被消耗而自沉積層中取出的生物轉(zhuǎn)化產(chǎn)物成比例。微生物可利用表面積的量與地下地層的孔隙空間百分比或孔隙率成比例，滲透性(氣體和流體流過地下地層能力的程度)繼而與其孔隙率成比例。所有地下地層在一定程度上都是可壓縮的，即其體積、孔隙率及滲透性是其承受的凈應(yīng)力的函數(shù)。繼而其壓縮性是材料(即礦物、烴類化學(xué)品和流體)，巖石的孔隙率以及材料結(jié)構(gòu)(即晶態(tài)或非晶態(tài))的函數(shù)。
本發(fā)明方法利用了前述因素，可對產(chǎn)甲烷菌群的刺激以及地層如煤層內(nèi)甲烷的產(chǎn)生進(jìn)行獨立地調(diào)節(jié)或控制，或者在不同的壓力和流量的條件下通過注入井和生產(chǎn)井對進(jìn)出地層的流體、營養(yǎng)物、化學(xué)品、導(dǎo)電材料和電能的注入和/或產(chǎn)出進(jìn)行控制，繼而引起地層孔隙率、滲透性、液體和氣體在地層中的流動、以及地層的導(dǎo)電性能的改變。例如，調(diào)節(jié)向煤層的注入速度與壓力和/或控制釋放自至少一個生產(chǎn)井的流體，可增加或減少煤層中流體的體積、煤層的滲透率和煤層的有效滲透率，以及由此煤層內(nèi)的導(dǎo)電性和電流。
在一個非限制的實施例中，其中所述地層是煤層，通過利用一系列深入地層如煤層或其他富碳沉積層之中的鉆井孔或水力和/或電力管線，可進(jìn)一步強化或優(yōu)化包含產(chǎn)甲烷菌群在內(nèi)的微生物的刺激以及甲烷和其他有用氣體及烴類的產(chǎn)生。在一個這樣的實施例中，將垂直和/或水平方向深入煤層的一組鉆井孔(見圖1)用作陽極，處于其附近的其他組鉆井孔用作陰極?；蛘?，提供兩個或多個鉆井孔以使直流電流通過煤層，同時，其他的鉆井孔用于向煤層中注入水、營養(yǎng)物、化學(xué)品及其他材料，與此同時，另有其他鉆井孔用于產(chǎn)出來自煤層的氣體、水和其他物質(zhì)。
在一個實施方案中，通過利用水平朝向或除垂直外角度的鉆井孔而增加暴露于注入和產(chǎn)出的流體、化學(xué)品、材料和氣體的煤層儲層的表面積，以及應(yīng)用進(jìn)入煤層的電能，進(jìn)一步加強對產(chǎn)甲烷菌群的刺激和甲烷與其他有用氣體(包括其他烴類)的產(chǎn)生。
在一個實施方案中，通過以連續(xù)或非連續(xù)方式應(yīng)用電能，以及改變所用電能的電壓和/或電流強度，進(jìn)一步加強產(chǎn)甲烷菌群的刺激和甲烷與其他有用氣體及烴類的產(chǎn)生， 從而優(yōu)化所述方法。
在一個實施方案中，使用通過鉆井孔的電力傳導(dǎo)回路和放電點(稱為陽極)將電子弓I入至煤層，直接引入至煤層或弓I入至注入煤層的水中。電子流經(jīng)煤層至一個或多個構(gòu)建在一個或多個鉆井孔內(nèi)的導(dǎo)電點，稱為陰極。由此向煤層孔隙空間的水中含有的微生物提供電子，所述電子可以包含于水中和/或附于固體煤材料表面并與水相接觸。在一個實施例中，通過電路的構(gòu)建和操作來控制經(jīng)過煤層然后流向微生物的電子流。例如，通過本領(lǐng)域眾所周知的控制電能輸入的方法可調(diào)節(jié)電壓和電流。通過含陽極和含陰極鉆井孔的定位和配置可進(jìn)一步調(diào)節(jié)電子流。
在本發(fā)明非限制的應(yīng)用中，在埋藏的含碳地層如煤層與表層或地面之間設(shè)立至少兩個鉆井孔或其他方式的連通，構(gòu)建鉆井孔以使鉆井孔之間的流體循環(huán)、地層內(nèi)的電氣隔離、以及鉆井孔之間閉合電路的形成成為可能。此類電能可以來源于物理來源如電極，例如，與電池組或其他發(fā)電機(jī)連接的電極，也可以來源于電化學(xué)來源如含化學(xué)品的電極，或者此類電能本質(zhì)上為電化學(xué)的，如在氧化還原反應(yīng)中轉(zhuǎn)移電子的氧化還原試劑。
在一個實施方案中，將電力管線插入到鉆井孔中以傳輸電子出入含碳地層并與其他地層隔離。向地層中注入含有用于將煤生物轉(zhuǎn)化為甲烷和其他產(chǎn)物的化學(xué)品的流體，并向地層中傳輸電能以對本源菌群進(jìn)行生物電刺激。所述流體通過一個或多個注入井注入地層并流經(jīng)地層至一個或多個生產(chǎn)井，通過生產(chǎn)井從地層中回收注入的流體以及由所述生物轉(zhuǎn)化方法產(chǎn)生的物質(zhì)。通過一個或多個鉆井還可以向地層中傳輸電能，用于提供電子對地層中的微生物進(jìn)行生物電刺激，電能流經(jīng)地層至一個或多個生產(chǎn)井，在那里至少一部份電能被回收，由此完成鉆井間的閉合電路。
在一個實施方案中，煤層具有非常高的含碳量，可能超過70%，還可能具有非常高的電流阻力。大部分煤層中的孔隙空間或孔隙被包含在大量有時被稱為“割理(cleat)” 的裂隙之中，并且該孔隙空間常常充滿水。而且，充滿了煤層孔隙空間的水中通常含有一些溶解的礦物質(zhì)內(nèi)容物，導(dǎo)致了其導(dǎo)電率大大高于煤層中的固體煤。結(jié)果，輸入煤層中的電能幾乎完全在孔隙的水中流動，而不經(jīng)過煤層中的固體煤(或進(jìn)入所述煤層之上或之下的地層)。
如圖1所示，存在一個注入井I加上四個生產(chǎn)井2、3、4和5。構(gòu)建這些井使電導(dǎo)管線由表層沿各鉆井的鉆井孔延伸而使電能向含碳地層如煤層中傳輸。來自電能傳輸源的直流電能流經(jīng)通過注入鉆井孔而延伸的管線到達(dá)陰極并進(jìn)入含碳地層，如煤層，到達(dá)各個生產(chǎn)井中與延伸至地層的導(dǎo)電管線相連的陽極，然后返回至表層的電能傳輸源。電能輸送電子至地層流體之中以及地層固體的表面，提供電子給本源產(chǎn)甲烷菌群用于加強其代謝功能以及甲烷形成和產(chǎn)生?？梢詮谋韺拥碾娫春?或通過傳導(dǎo)管線電阻的調(diào)節(jié)，來調(diào)整就電壓和電流強度而言的電能的量。含碳地層如煤層以及占據(jù)了地層中孔隙空間的流體的電流阻力，與地層中流體和/或固體物質(zhì)的電導(dǎo)率成比例。就電流強度和電 壓而言，電能的流動受陰極和陽極的位置和其間距離的影響。
在優(yōu)選的實施方案中，將電能連同可促進(jìn)本源產(chǎn)甲烷菌群生長以及甲烷和其他有用產(chǎn)物形成和生產(chǎn)的化學(xué)品一起輸送至含碳地層如煤層之中。
在一個優(yōu)選的實施方案中，含碳材料如煤在地層內(nèi)的生物轉(zhuǎn)化是通過如下步驟的組合進(jìn)行使用一種或多種增溶化學(xué)品包括酯(類)、氫氧化物(類)和/或過氧化物(類)以溶解煤；然后使用一種或多種本文所述的化學(xué)品和/或營養(yǎng)物和/或維生素和/或礦物質(zhì)以促進(jìn)和/或維持生物轉(zhuǎn)化用微生物將上述溶解產(chǎn)物生物轉(zhuǎn)化。
在其他優(yōu)選的實施方案中，將電能隨促進(jìn)產(chǎn)甲烷菌群的生長以及甲烷和其他有用產(chǎn)物的形成與生產(chǎn)的化學(xué)品，以及可溶解至少一部分的含碳地層而促進(jìn)甲烷和其他有用產(chǎn)物的形成與生產(chǎn)的化學(xué)品一起輸送至含碳地層如煤層中。
通過富碳地層如煤層內(nèi)的產(chǎn)甲烷作用而產(chǎn)生的生物轉(zhuǎn)化產(chǎn)物的量以及該產(chǎn)物的產(chǎn)率取決于幾個因素，包括但不必限于，特異性微生物菌群的存在、煤層的性質(zhì)或類型、煤層的溫度和壓力、煤層內(nèi)水的存在及其地球化學(xué)性質(zhì)、微生物菌群存活和生長所需營養(yǎng)物的可用性、生物可用碳的可用性、刺激微生物菌群生長的電能的可用性，以及甲烷與其他生物轉(zhuǎn)化產(chǎn)物的存在或飽和。
在本發(fā)明的一個或多個實施方案中，在產(chǎn)生甲烷以及引入電能的過程中，通過增加至少一部分地層內(nèi)的流體壓力，可以增強和/或優(yōu)化地層如煤層的滲透性。此外，煤向甲烷、二氧化碳和各種烴類尤其是小分子的生物轉(zhuǎn)化同樣可以通過提高以下一項或多項進(jìn)行優(yōu)化營養(yǎng)物向地層的輸送和分散、地層中微生物菌群的輸送和分散，以及與微生物菌群接觸的地層總表面積。結(jié)果，同樣促進(jìn)了地層中形成的甲烷、二氧化碳和其他烴類的移除和回收。
碳的生物轉(zhuǎn)化率與優(yōu)化以下因素成比例施加到地層中微生物的電刺激；對于微生物、微生物種群以及營養(yǎng)物進(jìn)入所述系統(tǒng)的移動和生物轉(zhuǎn)化產(chǎn)物自系統(tǒng)中移除的移動而言的有效總表面積。對微生物有效的總表面積與地下地層孔隙空間的百分比或孔隙度成比例，氣體和液體流過地下地層的能力相應(yīng)地取決于其孔隙度。所有地下地層在一定程度上都是可壓縮的。所應(yīng)用的電能的量至少部分取決于地下地層的孔隙量或其內(nèi)的流體空間。 因此，根據(jù)本發(fā)明，通過降低地層上的凈有效應(yīng)力，如通過增加該處的流體壓力，可以提高地層的滲透性、孔隙度、可用于生物轉(zhuǎn)化的內(nèi)表面積以及電能流過地層的能力，并且由此移動營養(yǎng)物、微生物和形成的甲烷、二氧化碳及小分子烴類進(jìn)出沉積層。
根據(jù)本發(fā)明，通過添加可溶解含碳材料如煤的化學(xué)品，提供更多的生物可用性碳， 可以加強產(chǎn)甲烷菌群的刺激以及甲烷和其它有用氣體及烴類的產(chǎn)生。根據(jù)本發(fā)明的方法， 可在生物轉(zhuǎn)化過程之中或之前進(jìn)行添加。
因此，正如已經(jīng)提到的，首先將含碳材料通過與一種或多種化學(xué)品接觸來進(jìn)行原位溶解，所述化學(xué)品使包括所含分子在內(nèi)的許多化學(xué)鍵斷裂并在隨后將其溶解。這些可以單獨或組合使用的化學(xué)品，在選定的濃度、溫度和步驟下與含碳材料接觸，以最大限度地進(jìn)行溶解過程。
此類添加劑包括過氧化物、氫氧化物、苯甲酸、C1-C4羧酸，優(yōu)選脂肪酸、最優(yōu)選乙酸，包括任意所述羧酸的鹽類或酯類，優(yōu)選酯類如乙酸酯，它們可以單獨地、按順序地，或按照選定的組合及亞組合加入。在優(yōu)選的實施方案中，較后的化學(xué)品為，或包括，氫氧化鈉、過氧化氫和/或乙酸乙酯。可理解的是，當(dāng)采用了水溶劑來使用乙酸鹽時，將會有少量乙酸形成(取決于最終的PH值)并參與所述溶解過程。
在一個實施方案中，所述方法包括將地層，優(yōu)選富集含碳材料的地層中的含碳材料在溫度、壓力等條件下，與以下物質(zhì)進(jìn)行接觸多至4個碳原子的有機(jī)酸(如羧酸)或苯甲酸，或任意這些酸的鹽或酯，優(yōu)選乙酸和/或乙酸的一種或多種鹽和/或一種或多種酯(即一種或 多種乙酸鹽/酯)，其有效溶解至少一部分含碳材料。這些物質(zhì)的各種組合還可順序使用。優(yōu)選的試劑包括過氧化氫、氫氧化鈉和乙酸乙酯。按順序使用這些化學(xué)品尤為有效。
在電刺激之前用于溶解的其他化學(xué)品包括替代氫氧化鈉的氫氧化鉀和/或代替乙酸乙酯的不同的乙酸鹽/酯。這些化學(xué)品與煤炭接觸時的濃度，還有相關(guān)體積和溫度依據(jù)一系列因素而變化，所述因素包括待溶解煤的性質(zhì)和/或從中提取煤的任意地下地層的條件。
優(yōu)選的乙酸鹽或酯包括但不限于，乙酸甲酯、乙酸乙酯、乙酸丙酯、乙酸異丙酯、乙酸正丁酯、乙酸異丁酯、乙酸戊酯、乙酸異戊酯、乙酸己酯、乙酸庚酯、乙酸辛酯、乙酸壬酯、 乙酸癸酯、乙酸i^一烷醇酯、乙酸十二烷醇酯、乙酸十三烷醇酯、乙酸十四烷醇酯、乙酸十五烷醇酯、乙酸十六烷醇酯、乙酸十七烷醇酯、乙酸硬脂醇酯(stearyl acetate)、乙酸山崳醇酯(behenyl acetate)、乙酸二十六烷醇酯、乙酸三十烷醇酯、乙酸芐酯、乙酸冰片酯、乙酸異冰片酯和乙酸環(huán)己酯。本文所述其他羧酸也可形成類似的酯和鹽。
與有機(jī)酸共同使用的另外的溶劑包括亞磷酸、磷酸、三乙胺、奎寧環(huán)鹽酸鹽、 吡啶、乙腈、乙醚、丙酮、二甲基乙酰胺、二甲亞砜、四氫噻吩、三甲基膦、HNO3> EDTA、水楊酸鈉、三乙醇胺、1，10-鄰菲咯啉、乙酸鈉、酒石酸銨、草酸銨、檸檬酸三銨(ammonium citratetribasic)>2, 3_ 二輕基苯甲酸、2，4-二輕基苯甲酸、3，4-二輕基苯甲酸、3，5-二輕基苯甲酸、THF-四氫呋喃。
在一個優(yōu)選的實施方案中，其中增溶化學(xué)品包括過氧化物、氫氧化物和乙酸鹽中的至少兩種，更優(yōu)選使用全部三種，所述化學(xué)品以混合物形式或按順序、如按所述化學(xué)品的注入順序與地下沉積物、地下層(layer)或地層進(jìn)行接觸。當(dāng)以混合物形式加入時，將所述化學(xué)品作為單一組分一起加入或按順序加入原地形成混合物。當(dāng)按順序加入時，任選地通過注入合適的溶劑如水，從而使每次注入過程與之前或之后的注入相互隔離。
例如，一個實施方案包括注入過氧化物，然后注入氫氧化物，再注入乙酸鹽，各個注入過程通過注入一體積的水來隔開，然后進(jìn)行微生物菌群的電刺激。可以理解的是，在加入微生物菌群之前過量的溶劑可能需要從地層中除去，一種或多種所述溶劑的存在可能對所述微生物菌群產(chǎn)生不利影響。此外，促進(jìn)溶解作用的溫度、壓力和pH值條件可能與促進(jìn)生物轉(zhuǎn)化的那些條件有所不同。
在一個實施方案中，所述增溶化學(xué)品包括至少一種過氧化物、至少一種氫氧化物和至少一種酯(優(yōu)選乙酸酯)；以及另外的化學(xué)品，其可與過氧化物、氫氧化物或乙酸酯分開或一同注入。
在一個實施方案中，注入含碳沉積層如煤層中的流體包含用于促進(jìn)本發(fā)明方法或用作本發(fā)明方法一部分的另外的溶劑如芳香烴、雜芬油(creosote)及重油。優(yōu)選的芳香烴包括菲、菌(chrysene)、突蒽和花,含氮環(huán)芳烴如吖唳和咔唑，以及同樣適合用作本發(fā)明方法的溶劑的兒茶酚和焦兒茶酚。也可以使用芳烴如蒽和芴。合適的溶劑包括任意前述溶劑及其混合物，優(yōu)選其共晶組合物(eutecticcomposition)。
此類混合物可有效地溶于載體液體中，例如重油(此混合物在溶解的溶劑不超過約5%-10%)。當(dāng)加熱至80-400°C、優(yōu)選80-300°C、更優(yōu)選100_250°C、最優(yōu)選至少約150°C的溫度時，此類溶劑最為有效。溫度高于約400°C時較為不利。
在優(yōu)選的實施方案中，與一種或多種本文所述用于增溶的化學(xué)品的接觸在 0-3000C的范圍內(nèi)進(jìn)行，包括0-200°C的溫度、優(yōu)選在10-200°C的溫度下。
在其他優(yōu)選的實施方案中，與一種或多種本文所述用于增溶的化學(xué)品的接觸可在不同的pH條件下進(jìn)行，包括2-12、3-11、5-10等范圍內(nèi)的pH值，或可在酸性或堿性范圍內(nèi)， 如 1-6、2-5、3-4，或在 8-13、9-12、10-11 的范圍內(nèi)。
可理解的是，遵循此類增溶方法，條件(尤其是溫度和pH值)可能需要適度或者甚至大幅進(jìn)行改變，以促進(jìn)存在于地層空洞中的或有意引入地層中的微生物菌群的作用，以實現(xiàn)將溶解產(chǎn)物通過生物轉(zhuǎn)化成為如甲烷的燃料以及如脂肪酸和烴類的其他燃料前體。
注入的增溶流體中存在的物質(zhì)還包括其他酯類，例如亞磷酸酯。亞磷酸酯是具有 P(OR)3通式的化合物。亞磷酸酯可被視為亞磷酸H3PO3的酯。簡單的亞磷酸酯為亞磷酸三甲酯P(0CH3)3。磷酸酯可被視為磷酸的酯。因為正磷酸具有三個-OH基團(tuán)，可酯化一個、兩個或三個醇分子 形成單酯、二酯或三酯?；衔锶鐏喠姿岷土姿狨?、或磷的酮酸酯、或磷的硫代酸酯；或磷的酮酸和醇的混合物、或磷的硫代酸和醇的混合物，與含碳分子進(jìn)行反應(yīng)使分子內(nèi)的碳鍵斷裂并向含碳分子中加入氫分子，由此得到一系列更小的含碳分子，如一氧化碳、二氧化碳和揮發(fā)性脂肪酸，其更加易于通過產(chǎn)甲烷微生物菌群進(jìn)行生物轉(zhuǎn)化成為甲烷和其他有用的烴類。所引入的磷的酮酸酯或磷的硫代酸酯、或磷的酮酸和醇的混合物、或磷的硫代酸和醇的混合物與煤反應(yīng)產(chǎn)生的反應(yīng)產(chǎn)物，可以刺激地下地層中的產(chǎn)甲烷微生物菌群開始產(chǎn)生、或提高甲烷和其他有用產(chǎn)物的產(chǎn)生。
在將含碳材料處理到至少溶解了一部分所述物質(zhì)時，生物轉(zhuǎn)化與此處理同步實現(xiàn)或在此處理之后發(fā)生，例如在引入營養(yǎng)物之前，已經(jīng)將增溶溶劑從地層中抽出，以促進(jìn)生物轉(zhuǎn)化。
在使用了乙酸鹽或酯的實施方案中，其包括但不限于乙酸鹽和乙醇與乙酸的酯， 所述鹽或酯可選地與水混合，優(yōu)選其與水的混合物。此乙酸鹽/酯也可為酯。當(dāng)此類化學(xué)品引入地層以溶解其中至少一部分含碳材料時，在所述鹽或酯之前注入水可能是有利的。
本發(fā)明同樣預(yù)期了地層中含碳材料向甲烷和其他有用烴類的生物轉(zhuǎn)化，首先用溶液處理含碳地層，所述溶液含有磷的酮酸酯或磷的硫代酸酯中的至少一種；一種或多種芳基醇；以及一種或多種選自下組的其他化合物/化學(xué)物質(zhì)氫氣、羧酸、羧酸酯、羧酸鹽、磷的酮酸、磷的酮酸鹽、維生素、礦物質(zhì)、礦物鹽、金屬和酵母提取物。
本發(fā)明預(yù)期了有效的溫度和pH值組合，在沒有任何過多實驗的情況下，確信本領(lǐng)域技術(shù)人員能夠確定最適合用于任何具體含碳材料或沉積物處理的條件或條件組合。還預(yù)期了所述組合的應(yīng)用具有可變的壓力范圍。
權(quán)利要求
1.一種生物轉(zhuǎn)化方法，包括向含碳地層引入電能以刺激所述沉積層中的微生物或微 生物菌群，然后從所述地層中回收形成的產(chǎn)物，其中，所述產(chǎn)物為燃料或燃料前體。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其中所述微生物為所述地層的本源微生物。
3.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其中所述微生物為在引入所述電能之前引入到所述地層的 外源微生物。
4.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其中還向所述含碳沉積層中引入流體。
5.根據(jù)權(quán)利要求4的方法，其中所述流體含有促進(jìn)或維持所述含碳沉積層中存在的微 生物生長的營養(yǎng)物。
6.根據(jù)權(quán)利要求4的方法，其中所述流體含有溶解煤的化學(xué)品。
7.根據(jù)權(quán)利要求4的方法，其中所述流體含有能將含碳材料生物轉(zhuǎn)化為燃料或燃料前 體的微生物。
8.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其中所述電能的輸送是連續(xù)的。
9.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其中所述燃料為甲烷。
10.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其中所述微生物為產(chǎn)甲烷菌。
11.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其中鉆井孔從表層延伸至所述含碳沉積層中。
12.根據(jù)權(quán)利要求11的方法，其中所述鉆井孔包括一個或多個注入井、生產(chǎn)井以及電 能輸送井。
13.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其中所述含碳材料為煤。
14.根據(jù)權(quán)利要求13的方法，其中所述煤為煙煤。
15.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其中將二氧化碳加入引入所述含碳地層中的水、營養(yǎng)物、 化學(xué)品和氣體中，經(jīng)煤層中的產(chǎn)甲烷菌群轉(zhuǎn)化為甲烷，然后從所述煤層中產(chǎn)出。
16.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其中在向所述地層中引入電能之前，將所述含碳材料與溶 劑接觸以溶解至少一部分所述含碳材料。
17.根據(jù)權(quán)利要求16的方法，其中所述溶劑選自鹽、酯、過氧化物和氫氧化物。
18.根據(jù)權(quán)利要求17的方法，其中所述溶劑為乙酸鹽/酯。
19.根據(jù)權(quán)利要求16的方法，其中所述含碳材料為煤。
20.根據(jù)權(quán)利要求19的方法，其中所述煤為煙煤。
全文摘要
本發(fā)明公開了對微生物菌群例如地層中的諸如包含產(chǎn)甲烷菌和其他細(xì)菌的微生物菌群進(jìn)行刺激，用以從煤或其他含碳材料中生產(chǎn)甲烷和其他燃料或燃料前體的方法，還公開了用以提高含碳材料如煤向甲烷和其他有用烴類產(chǎn)物的生物轉(zhuǎn)化方法，其中所述菌群響應(yīng)物理性或化學(xué)性電刺激。
文檔編號C12P5/02GK103025878SQ201180023725
公開日2013年4月3日 申請日期2011年5月11日 優(yōu)先權(quán)日2010年5月11日
發(fā)明者羅伯特·A·唐尼, 宋·金, 威廉·J·布朗, 保羅·H·法爾格林 申請人:克里斯能量有限公司