專利名稱：優(yōu)化含碳巖層的現(xiàn)場生物轉(zhuǎn)化的方法
優(yōu)化含碳巖層的現(xiàn)場生物轉(zhuǎn)化的方法本申請要 求了 2008年7月2日申請的美國臨時申請序列號No. 61/133，757的優(yōu) 先權(quán)，它的公開內(nèi)容因此全部引入這里供參考。本發(fā)明涉及從地下的含碳巖層(formation)現(xiàn)場生產(chǎn)甲烷，二氧化碳，氣態(tài)和 液態(tài)烴，和其它有價值的產(chǎn)物的生產(chǎn)方法。在優(yōu)選的實施方案中，該生產(chǎn)利用能夠?qū)⒑?碳的材料如頁巖或煤炭轉(zhuǎn)化成所需產(chǎn)品的本土和/或非本土的微生物群落(microbial consortia)。甲烷生成(methanogenesis)(也已知為生物產(chǎn)甲烷作用(biomethanation))是由 微生物進行的甲烷的生產(chǎn)。甲烷的產(chǎn)生是微生物代謝作用的重要和分布廣泛的形式；以及 在微生物中的甲烷生成是厭氧呼吸的形式。一般，處理地下巖層的下述方法可用于提高其中大的含碳分子(如包括煤炭)對 于利用本土和/或非本土的微生物群落(它們對于該生物轉(zhuǎn)化是有效的)的生物轉(zhuǎn)化成甲 烷和其它有用烴類產(chǎn)品的作用的敏感性；例如包括產(chǎn)甲烷菌(methanogens)和其它細菌的 微生物群落用于從煤炭產(chǎn)生甲烷。用于產(chǎn)生甲烷的此類微生物群落被稱作“產(chǎn)甲烷的”，以 及在該微生物群落內(nèi)的產(chǎn)甲烷菌是將氫氣轉(zhuǎn)化成甲烷的微生物。用于生物轉(zhuǎn)化和營養(yǎng)物的細菌群落因此一般是現(xiàn)有技術(shù)中已知的并且此類群落 和營養(yǎng)物以及其它物質(zhì)可以在本發(fā)明中用于含碳沉積物的生物轉(zhuǎn)化。一般，本發(fā)明涉及處理地下巖層以提高其中大的含碳分子(如包括頁巖或煤炭 (在地下巖層中所發(fā)現(xiàn)))對于生物轉(zhuǎn)化的敏感性。該地下沉積物或巖層有時被稱為“煤層 或沉積物”(對于煤炭的情況)，或“頁巖沉積物”(對于頁巖的情況)。在優(yōu)選的實施方案 中，此類轉(zhuǎn)化使用本土和/或非本土的微生物群落。例如，美國專利No. 6，543，535和美國已出版的申請2006/0254765公開了代表性 微生物和營養(yǎng)物，它們的教導(dǎo)被引入供參考。在根據(jù)本發(fā)明的實施方案的生物轉(zhuǎn)化過程中，流體被注入到煤炭或頁巖沉積物 中，以便將(可用于煤炭或頁巖的生物轉(zhuǎn)化成各種產(chǎn)品的)各種材料引入到沉積物中。在優(yōu) 選的實施方案中此類產(chǎn)品包括甲烷。該流體經(jīng)由一個或多個注入井被注入到沉積物中并且 流過該沉積物到達一個或多個生產(chǎn)井，其中注入的流體與由生物轉(zhuǎn)化產(chǎn)生的產(chǎn)品一起從該 沉積物中抽出。根據(jù)本發(fā)明的一個方面，該床的滲透性是通過降低在該床的至少一部分中 的凈應(yīng)力以增加流體流過該床而提高的，這會提高隨注入流體所引入的材料的流量(flow) 以及在生物轉(zhuǎn)化中產(chǎn)生的產(chǎn)品的流量。根據(jù)本發(fā)明的另一個方面，通過控制在注入井和在 生產(chǎn)井中的壓力，隨注入流體所引入的材料的流量可以加以控制以便提供該材料在整個沉 積物中的所需分布，因此促進了其中的煤炭或頁巖被生物轉(zhuǎn)化成所需產(chǎn)品。在一個實施方案中，本發(fā)明涉及提高該地下巖層的滲透性的方法，由此擴大此類 微生物群落(和補充該群落的資源)的影響以提高那些大的含碳分子對于由該微生物群落 所進行的生物轉(zhuǎn)化的敏感性。本發(fā)明的滲透性提高方法包括經(jīng)由至少一個注入井將流體(優(yōu)選為液體，如水) 注入到該沉積物中和通過使用至少一個生產(chǎn)井從該沉積物中排出產(chǎn)品和所注入流體，然后利用所注入流體來控制該壓力到某種程度，使得在至少一部分的該沉積物內(nèi)的流體壓力提 高到比在該流體的注入之前在該部分的沉積物內(nèi)的流體壓力更高的壓力。在優(yōu)選的實施方 案中，該液體(優(yōu)選水)包括可用于從該沉積物中獲得所需產(chǎn)品的一種或多種材料。例如， 此類材料可包括生物轉(zhuǎn)化所用的營養(yǎng)物和/或可用于生物轉(zhuǎn)化的微生物。
與根據(jù)本發(fā)明的一方面，提高該流體壓力以降低在該沉積物上的有效應(yīng)力。該有 效應(yīng)力傾向于封閉內(nèi)生裂隙(Cleat)和減少在沉積物內(nèi)的滲透性。只要在沉積物上的垂直 壓力不改變，在沉積物中流體壓力的變化會導(dǎo)致有效應(yīng)力的變化。該滲透性特別與橫跨該 內(nèi)生裂隙的有效法向應(yīng)力相關(guān)，因為這些似乎傳導(dǎo)大部分的流體。提高在沉積物內(nèi)的流體 壓力會降低凈應(yīng)力和提高滲透性。本發(fā)明將進一步對于煤炭沉積物和包括甲烷的產(chǎn)品的生產(chǎn)進行描述，但是該教導(dǎo) 也適用于其它固體含碳沉積物如頁巖和適用于通過生物轉(zhuǎn)化所進行其它的或除甲烷外的 生產(chǎn)產(chǎn)品。例如，微生物群落在現(xiàn)有技術(shù)中已知用于生產(chǎn)例如十六烷和/或丁烷，以及本發(fā) 明也適用于由地下的含碳沉積物如頁巖或煤炭的生物轉(zhuǎn)化來生產(chǎn)此類產(chǎn)品或其它產(chǎn)品。在 此類方法中，本土和/或添加的微生物群落可以用于這樣的生物轉(zhuǎn)化中。適用的微生物群 落的合適營養(yǎng)物可以隨該注入流體一起添加。更具體地說，煤層通常地包括流體和尤其水。 在煤層中的流體壓力取決于它的深度，其中該流體壓力(psi)通常等于該深度乘以0.433 psi/每英尺的深度。根據(jù)其中煤炭被生物轉(zhuǎn)化成甲烷的本發(fā)明的實施方案，流體經(jīng)由一個 或多個注入井被泵送入到煤層中，和該注入的流體以及轉(zhuǎn)化產(chǎn)品通過一個或多個生產(chǎn)井被 排出，其中該生物轉(zhuǎn)化過程在操作時要求所注入的流體將在至少一部分的該煤層中的流體 壓力提高到比在該部分的煤層中的正常流體壓力更高的壓力(正常流體壓力是在沒有該 注入的流體的情況下在該部分的深度處的流體壓力)。根據(jù)本發(fā)明的實施方案，在煤炭沉積物中的滲透性是通過降低在所要處理的至少 一部分的煤炭沉積物上的凈應(yīng)力而提高的。在該部分的煤層上的凈應(yīng)力是通過提高在該部 分的煤層內(nèi)的流體壓力而降低的。凈應(yīng)力的變化是通過下式來粗略估計的
Δ σ = s(p0-p)
式中
P0 =在煤層的適用部分中的原始流體壓力，Psia P =在煤層的適用部分中的新流體壓力，psia s =等于0.572的常數(shù)。在改變煤層中的流體壓力之前的有效應(yīng)力能夠在任何給定的深度D下由下式來 粗略估計
σ = 0.572D。因此通過有目的地將地下煤層內(nèi)的流體壓力提高到高于其初始條件并且在處理 過程中維持該流體壓力，流體一包括在所注入流體中的營養(yǎng)物，在所注入流體中的任何微 生物以及所產(chǎn)生的甲烷、二氧化碳和烴一的流動可以被優(yōu)化。以凈應(yīng)力的變化為基礎(chǔ)的滲透性變化可以按照下式來粗略估計式中
k0 =在原始的凈應(yīng)力下的原始滲透率，毫達西
k =在新的凈應(yīng)力下的滲透率，毫達西
Δ σ =在原始的凈應(yīng)力和新的凈應(yīng)力之間的差異，psia
在一個實施方案中，該過程進行操作，以使?jié)B透性提高至少5%。在另一個實施方案中， 滲透性提高了至少15%。該過程可以合理地操作的最高流體壓力可以限制到某值，在該值在地下巖層中的 流體壓力會超過它的拉伸強度，引起在該巖層中在垂直或水平面中形成并擴展的大的裂縫 (fracture)。這些由壓力誘生的裂縫會形成大的流體通道，所注入的流體、營養(yǎng)物、微生物 群落和所產(chǎn)生的甲烷會流過該通道，因此降低了有效處理該煤炭沉積物的能力。尤其，大裂 縫的形成將會引起流體流過由裂縫所形成的大的通道，這減少材料在整個沉積物中的有效 分布。因此，按照提高在煤層內(nèi)的流體壓力的方式操作該方法以獲得所需的滲透性，但不超 過將會產(chǎn)生該大裂縫的該煤炭沉積物的拉伸強度。在高于初始條件或流體靜力學(xué)條件的流體壓力下和在最佳的凈有效應(yīng)力下該過 程在地下巖層中的操作將隨著該過程進行而提高在井之間的滲透性和該過程的效率。在一個實施方案中，在至少一部分的生物轉(zhuǎn)化過程中，提高在至少一部分的該煤 層內(nèi)的流體壓力，這是通過控制在煤層內(nèi)的所注入流體的壓力以使得其中的流體壓力(與 在沒有所注入流體的情況下在該部分的煤層中的流體壓力相比)提高了至少5%來實現(xiàn)的。 在另一個實施方案中，該流體壓力提高了至少10%。在再一個實施方案中，該流體壓力提高 了至少15%。如以上所述，壓力優(yōu)選沒有提高到使得在煤炭中產(chǎn)生大裂縫的值，因為該裂縫 導(dǎo)致大通道的形成，這會降低實現(xiàn)所注入流體在整個煤層中的有效分布的能力。在一個實施方案中，本發(fā)明的煤層滲透性提高方法包括經(jīng)由至少一個注入井將流 體注入煤層中和將該引入的壓力控制到某種程度，使得在至少一部分的該煤層內(nèi)的流體壓 力超過了在該部分的煤層中的正常流體壓力。在一個實施方案中，本發(fā)明的煤層滲透性提高方法包括控制流體從至少一個生產(chǎn) 井中的釋放以將該煤層內(nèi)的流體壓力控制到某種程度，使得在至少一部分的該煤層內(nèi)的流 體壓力超過了在該部分的煤層中的正常流體壓力。在一個實施方案中，本發(fā)明的煤層滲透性提高方法包括經(jīng)由至少一個注入井將流 體注入煤層中和經(jīng)由至少一個生產(chǎn)井從煤層中釋放出流體，以及通過控制該流體引入到至 少一個注入井中的壓力和控制流體從至少一個生產(chǎn)井中的釋放，來控制在至少一部分的該 煤層內(nèi)的流體壓力以提高在該部分的煤層中的流體壓力。本領(lǐng)域中的普通技術(shù)人員將會認識到，在注入井和生產(chǎn)井中的壓力能夠通過泵 送，復(fù)蓋(capping)，增大輸入，減少輸出，減少輸入，增加輸出，和現(xiàn)有技術(shù)中已知的類似方 法來控制。本領(lǐng)域中的普通技術(shù)人員將會認識到，上述方法單獨或相結(jié)合能夠用于提高在 至少一部分的該煤層內(nèi)的流體壓力以超過在該部分的煤層中的正常流體壓力。
通過該壓力調(diào)控，本發(fā)明的上述和下述的煤層滲透性提高方法也可用于控制流 體流(fluid flow)的分布，和因此用于控制含有微生物群落和/或其支持的營養(yǎng)物資源 (nutrient resources supportive thereof)禾口可用于甲燒產(chǎn)生過程的類^以實體(entity) 的那些改良劑(amendments)的方向和沉積。在一個優(yōu)選的實施方案中，生產(chǎn)井的數(shù)量超過注入井的數(shù)量，以及在注入井中引 入的流體與所注入流體和產(chǎn)品在每一個的生產(chǎn)井中被抽出時的壓力之間的流體壓力差異 被用于控制在該注入井和各自生產(chǎn)井之間的流的分布。以這樣的方式，利用注入流體被引 入煤層中的材料的分布能夠加以控制以促進該材料在整個煤層中的有效分布。因為在多個 生產(chǎn)井與用于該生產(chǎn)井的注入井之間的所注入流體分布是通過壓差來控制的，所以該分布 可以在提高至少一部分的該煤層內(nèi)的流體壓力以降低有效應(yīng)力和增大滲透性的同時而得 到控制。 其中所注入流體分布可以在生產(chǎn)井與注入井之間被控制的方式能夠通過參考附 圖來舉例說明。如附圖
中所示，有注入井10和四個生產(chǎn)井11、12、13和14。假如當在相同的壓力 下操作該生產(chǎn)井11，12，13和14時，有從各自井11，12，13和14中抽出的流體的不相等分 布，因此有所注入流體在煤床的生產(chǎn)區(qū)域中的不相等分布，在各自井11，12，13和14的一個 或多個中的流體壓力可以進行調(diào)節(jié)以提高和/或降低在注入井和適用的生產(chǎn)井之間的壓 差，從而分別地增加和減少所注入流體流入到該適用的生產(chǎn)井中。以這樣的方式，所注入流 體在煤床的各個部分中的分布可以得到控制。在優(yōu)選實施方案中，在煤層的一部分內(nèi)的流體壓力是這樣的壓力，該壓力是足夠 高的以降低凈應(yīng)力，但又沒有在煤炭中提供大的裂縫。本領(lǐng)域中的普通技術(shù)人員將會認識 至IJ，較低等級的煤炭比較高等級的煤炭更可壓縮，使得在一個煤層中用于克服凈有效應(yīng)力 的壓力可以是能夠在另一個煤層中引起裂縫的壓力。正如在這里所使用，煤炭指從褐煤到無煙煤的系列的含碳燃料中的任何種。該系 列的成員彼此在水分、揮發(fā)物質(zhì)和它們所含的固定碳的相對量上不同。在碳含量上最低的 是，褐煤(lignite)或棕色褐煤(brown coal)，接著按照遞增順序是亞煙煤或黑色褐煤(比 褐煤稍高等級)，浙青煤，半浙青煤(高等級浙青煤)，半無煙煤(低等級無煙煤)，和無煙某。該煤炭可以是褐煤或在從棕色褐煤到無煙煤的范圍內(nèi)的任何形式或等級的煤炭。由煤層中的由甲烷生成所生產(chǎn)的生物轉(zhuǎn)化產(chǎn)品的量以及該生產(chǎn)的速率與幾個因 素相關(guān)，其中包括但不必定限于，所存在的特定的微生物群落，煤層的性質(zhì)或類型，煤層的 溫度和壓力，在煤層內(nèi)水的存在和該水的地球化學(xué)，微生物群落生存和生長所需要的營養(yǎng) 物的可利用性，以及甲烷和其它生物轉(zhuǎn)化產(chǎn)品的存在或飽和度(saturation)。根據(jù)本發(fā)明 的實施方案，通過在生產(chǎn)甲烷的過程中提高在至少一部分的該煤層內(nèi)的流體壓力來提高和 優(yōu)選地優(yōu)化該煤層的滲透性，從煤炭到甲烷、二氧化碳和其它烴類的生物轉(zhuǎn)化能夠通過增 大一種或多種下列條件來優(yōu)化營養(yǎng)物進入該煤層中的輸送和分散；微生物群落在煤層中 的輸送和分散；暴露于微生物群落的該煤層的表面面積的量；所產(chǎn)生的甲烷、二氧化碳和 其它烴從該煤層中的排出和回收。碳生物轉(zhuǎn)化的速率與微生物所到達的表面面積的量，與微生物的種群(population)，和與營養(yǎng)物進入該系統(tǒng)中的運動和生物轉(zhuǎn)化產(chǎn)品從該系統(tǒng)中出來的運動成 比例。該微生物所到達的表面面積的量與地下巖層的空隙空間的百分比或孔隙度成比例； 以及氣體和液體流過地下巖層的能力進而取決于巖層的孔隙度。全部的地下巖層在某種程 度上是可壓縮的。因此，根據(jù)本發(fā)明，通過提高在煤層中的流體壓力來降低在煤層上的凈有 效應(yīng)力，能夠改進煤層的滲透性、孔隙度、生物轉(zhuǎn)化用的內(nèi)表面積，以及讓營養(yǎng)物、微生物和 所產(chǎn)生的甲烷、二氧化碳和其它烴運動進出該煤層的能力。 鑒于 這里的教導(dǎo)，本發(fā)明的許多改進和變化是可能的，因此在權(quán)利要求的范圍內(nèi)， 可以按照除了針對本發(fā)明的具體實施方案所描述的方法之外的方法來實施本發(fā)明。
權(quán)利要求
1.生物轉(zhuǎn)化含碳的地下巖層的方法，該方法包括經(jīng)由至少一個注入井將流體注入到 含碳的沉積物中和經(jīng)由至少一個生產(chǎn)井從該沉積物中排出所注入流體和產(chǎn)品，和利用該注 入流體控制在至少一部分的沉積物內(nèi)的流體壓力，該壓力被控制以使得在至少一部分的該 沉積物內(nèi)的流體壓力超過通常在該部分中存在的流體壓力。
2.權(quán)利要求1的方法，其中該壓力被控制以降低該部分的沉積物的凈有效應(yīng)力。
3.權(quán)利要求2的方法，其中該生物轉(zhuǎn)化產(chǎn)品包括甲烷以及在從該沉積物生產(chǎn)甲烷的過 程中降低凈有效應(yīng)力。
4.權(quán)利要求3的方法，其中該壓力是通過提高該流體的引入的壓力來控制的。
5.權(quán)利要求3的方法，其中該壓力是通過控制從至少一個生產(chǎn)井中排出的流體的流量 來控制的。
6.權(quán)利要求1的方法，其中該生物轉(zhuǎn)化產(chǎn)品包括甲烷和注入流體包括細菌的營養(yǎng)物， 該細菌可將煤炭進行生物轉(zhuǎn)化得到甲烷。
7.權(quán)利要求6的方法，其中所注入流體從注入井流到多個生產(chǎn)井中和從注入井到生產(chǎn) 井的流體流的分布是通過控制在注入井和生產(chǎn)井之間的壓差來控制的。
8.權(quán)利要求7的方法，其中該流分布被控制以提高甲烷的總生產(chǎn)量。
9.權(quán)利要求1的方法，其中該沉積物是煤炭沉積物。
10.權(quán)利要求1的方法，其中該沉積物是頁巖。
全文摘要
公開了涉及從地下的含碳巖層現(xiàn)場生產(chǎn)甲烷，二氧化碳，氣態(tài)和液態(tài)烴，和其它有價值的產(chǎn)品的方法。在優(yōu)選的實施方案中，該生產(chǎn)利用能夠?qū)⒑嫉牟牧先珥搸r或煤炭轉(zhuǎn)化成所需產(chǎn)品的本土和/或非本土的微生物群落。在特別優(yōu)選的實施方案中提供了生物轉(zhuǎn)化含碳的地下巖層的方法，其中該方法包括經(jīng)由至少一個注入井將流體注入到含碳的沉積物中和經(jīng)由至少一個生產(chǎn)井從沉積物中排出所注入流體和產(chǎn)品，和利用該注入流體控制在沉積物的至少一部分內(nèi)的流體壓力，該壓力被控制以使得在至少一部分的沉積物內(nèi)的流體壓力超過通常在該部分中存在的流體壓力。
文檔編號E21B43/22GK102137985SQ200980133772
公開日2011年7月27日 申請日期2009年7月1日 優(yōu)先權(quán)日2008年7月2日
發(fā)明者道尼 R. 申請人:西里斯能源公司