專利名稱：通過減少生產(chǎn)氣體中惰性氣體的餾分回收煤層甲烷的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明一般涉及減少在含甲烷的氣體混合物中存在的惰性氣體濃度的方法。更具體地說，本發(fā)明涉及減少通過將惰性氣體注入象煤層這樣的體混合物中存在的惰性解吸甲烷氣體的濃度的方法。
人們認(rèn)為甲烷是由使有機(jī)物質(zhì)轉(zhuǎn)化成象煤和頁巖這樣的固體碳質(zhì)地下物質(zhì)的各種熱過程和生物過程產(chǎn)生的。當(dāng)以這種方式生產(chǎn)甲烷時(shí)，碳質(zhì)固體和甲烷分子之間的相互吸引，常常使大量甲烷仍然與水和少量其它氣體一起，被截留在該碳質(zhì)固體中，所述其它氣體可以包括氮?dú)?、二氧化碳、各種輕質(zhì)烴、氬和氧。當(dāng)截留的固體是煤時(shí)，可以從煤中得到的含甲烷的氣體混合物，一般至少含約95％(體積)甲烷并且被稱做‘煤層甲烷’。全世界煤層甲烷的儲量是巨大的。
煤層甲烷已經(jīng)成為天然氣組成中的甲烷的重要來源。通常，通過在有生成煤層的一層或多層含甲烷煤層的地下煤層中鉆井來回收煤層甲烷。周圍的煤層壓力(‘儲藏壓力’)和井筒之間的壓差提供使煤層甲烷流進(jìn)井筒的驅(qū)動力。遺憾地是，這個(gè)壓力減少也減少了使甲烷流進(jìn)井筒所需的驅(qū)動力。從而，隨著時(shí)間的推移，煤層壓力消耗使效力變小，一般認(rèn)為只能夠回收其中所含甲烷的約35-50％。
在Puri等人的U.S.P 5,014,785中公開了一種生產(chǎn)煤層甲烷的改進(jìn)方法。在這個(gè)方法中，解吸甲烷的氣體例如惰性氣體通過注入井注入象煤層這樣的固體碳質(zhì)地下層中。同時(shí)，從生產(chǎn)井中回收含甲烷氣體。解吸氣，優(yōu)選的是氮?dú)?，減少煤層壓力的消耗，認(rèn)為其通過減少該層中甲烷的分壓而使甲烷從煤層中解吸出來。近來的試驗(yàn)證明，這個(gè)方法使煤層甲烷的生產(chǎn)率增加，認(rèn)為可回收的甲烷的總量可高達(dá)80％以上。
正如由此處所包括的實(shí)施例所證明的那樣，長期將惰性氣體注入地層，可導(dǎo)致生產(chǎn)的含甲烷氣體中，惰性氣體的體積百分?jǐn)?shù)一般隨時(shí)間而增加。這樣的結(jié)果是不希望的，因?yàn)樵谏a(chǎn)的含甲烷混合物可送入天然氣管道以前或以其它方式被利用之前，可能需要減少在該混合物中注入的惰性氣體的濃度。
所需要的是從固體碳質(zhì)地下層中回收甲烷的改進(jìn)的方法，該方法提供含盡可能少的注入的惰性氣體的含甲烷氣體，以減少與從生產(chǎn)的含甲烷氣體混合物中除去注入的氣體有關(guān)的成本。
所描述的本發(fā)明的各方面都利用了我們的發(fā)現(xiàn)，即通過將惰性解吸甲烷氣體注入固體碳質(zhì)地下層中所生產(chǎn)的含甲烷氣體中存在氣體的百分?jǐn)?shù)，可以通過暫時(shí)停止注入惰性氣體或通過減少惰性氣體注入速率而減少(以體積百分?jǐn)?shù)計(jì))。
生產(chǎn)的含甲烷混合物的惰性氣體具有重大的經(jīng)濟(jì)意義。生產(chǎn)的氣體混合物中惰性氣體的存在減少甲烷含量，從而減少給定體積的生產(chǎn)的氣體混合物的燃料價(jià)值。另外，在某些情況下，將需要減少生產(chǎn)的氣體混合物中惰性氣體的量，以便該混合物可以用于化學(xué)過程或送到天然氣管道。暫時(shí)停止惰性氣體注入，以減少生產(chǎn)的含甲烷氣體混合物中存在的惰性氣體的體積百分?jǐn)?shù)，從而可通過減少從生產(chǎn)的混合物中除去惰性氣體的需要，來減少操作費(fèi)用。
人們認(rèn)為，在一些情況下，通過減少惰性氣體注入該地層中的速率，可以簡單地得到類似于通過停止惰性解吸甲烷氣體注入所得到的有利作用。通過交錯(cuò)停止或減少注入多口井中的惰性氣體可以得到另外的好處，以致來自這些井的產(chǎn)物可以混合，以得到含惰性氣體的平均體積百分?jǐn)?shù)低于用其它方式從在其中注入流量的變化不隨時(shí)間交錯(cuò)的井中得到的混合物。
本發(fā)明的第一方面涉及減少在由固體碳質(zhì)地下層生產(chǎn)的含甲烷氣體混合物中存在的惰性解吸甲烷氣體的量的方法，該方法包括把惰性解吸甲烷氣體注入地下層的步驟；停止注入解吸甲烷；在至少部分注入步驟期間，由該層回收第一部分含甲烷氣體混合物，所說的混合物的解吸甲烷氣體的體積百分?jǐn)?shù)為Y％；在完成停止步驟之后，由該層回收第二部分含甲烷氣體混合物，所說的第二部分氣體的解吸甲烷氣體的體積百分?jǐn)?shù)小于Y％。
此處所用的術(shù)語“固體碳質(zhì)地下層”指的是任何含有與顯著量的固體有機(jī)物質(zhì)結(jié)合的甲烷的地下地質(zhì)層。固體碳質(zhì)地下層包括煤層和頁巖層，但是不限于此。
此處所用的術(shù)語“解吸甲烷惰性氣體”指的是任何含有大于50％(體積)的相對惰性氣體的氣體或氣體混合物。相對惰性氣體是這樣一種氣體，即促使甲烷從固體碳質(zhì)地下層脫附而沒有很強(qiáng)的吸附到該層中存在的固體有機(jī)物質(zhì)上或者另外與固體有機(jī)物質(zhì)有任何顯著程度的化學(xué)反應(yīng)的氣體。有關(guān)的惰性氣體的例子包括氮?dú)狻鍤?、氦等以及這些氣體的混合物。不認(rèn)為是相對惰性氣體的強(qiáng)吸附氣體的例子是二氧化碳。
術(shù)語“解吸甲烷氣體體積百分?jǐn)?shù)”指的是恰好在注入解吸甲烷氣體的給定的地方在生產(chǎn)的含甲烷氣體混合物中發(fā)現(xiàn)的惰性解吸甲烷氣體的體積百分?jǐn)?shù)。應(yīng)該注意的是，如果使用多組分解惰性吸甲烷氣體，該氣體的某些組分可能在生產(chǎn)的氣體中在別的組分之前或以變化的比例出現(xiàn)。在這種情況下，惰性解吸甲烷氣體體積百分?jǐn)?shù)指的是在生產(chǎn)的氣體中實(shí)際存在的所有惰性氣體組分的總數(shù)。如果該層產(chǎn)生與注入到該層中的一種或者多種組分相同的任何天然產(chǎn)生的惰性氣體組分的話，該天然產(chǎn)生的組分部分應(yīng)該從測定由于注入惰性氣體產(chǎn)生的解吸甲烷氣體體積百分?jǐn)?shù)的檢測量中減去。
此處所用的術(shù)語“回收”的意思是氣體的控制收集和/或配置，例如把該氣體儲存在罐中或者通過管道分配該氣體。
本發(fā)明的第二方面涉及減少在由固體碳質(zhì)地下層生產(chǎn)的含甲烷氣體混合物中存在的惰性解吸甲烷氣體的量的方法，該方法包括把惰性解吸甲烷氣體以第一速度注入地下層的步驟；減少解吸甲烷氣體的注入速度到第二速度；由該層回收第一部分含甲烷氣體混合物，同時(shí)以第一速度注入惰性氣體，所說的混合物的解吸甲烷氣體的體積百分?jǐn)?shù)為Y％；由該層回收第二部分含甲烷氣體混合物，同時(shí)以第二速度注入惰性氣體，所說的第二部分氣體的解吸甲烷氣體的體積百分?jǐn)?shù)小于Y％。
本發(fā)明的第三方面涉及減少在由一個(gè)或者多個(gè)固體碳質(zhì)地下層生產(chǎn)的含甲烷氣體混合物中存在的惰性解吸甲烷氣體量的方法，該方法包括把第一惰性解吸甲烷氣體以第一速度注入第一層位置；減少第一解吸甲烷惰性氣體的注入速度到第二速度；在至少部分減少步驟期間從第一生產(chǎn)井回收第一部分含甲烷氣體混合物，所說的混合物的惰性解吸甲烷氣體的體積百分?jǐn)?shù)為Y％；把第一部分含甲烷氣體混合物與第二部分含甲烷氣體混合物混合，生成解吸甲烷氣體的體積百分?jǐn)?shù)小于Y％的第三部分含甲烷氣體混合物。
如此處所用的，“地層位置”指的是固體碳質(zhì)地下層內(nèi)的位置，可以向該位置注入惰性解吸甲烷氣體，以增加從與氣體注入的那個(gè)位置流通的生產(chǎn)井生產(chǎn)含甲烷氣體的量。惰性氣體一般地從表面通過一個(gè)或者多個(gè)鉆入到該地層的注入井注入到這樣一個(gè)位置。
在上述的本發(fā)明的每一方面中，優(yōu)選的固體碳質(zhì)地下層是煤層。如此處所用的術(shù)語“煤層”指的是含有甲烷的并且注入的氣體可以通過其擴(kuò)散的單一煤層或者許多煤層。
在其它優(yōu)選的本發(fā)明的實(shí)施方案中，惰性氣體的注入增加從固體碳質(zhì)地下層例如煤層由標(biāo)準(zhǔn)初始生產(chǎn)速度到提高的生產(chǎn)速度含甲烷氣體混合物的產(chǎn)量。
此處所用的術(shù)語“標(biāo)準(zhǔn)初始生產(chǎn)速度”指的是為了增加井的生產(chǎn)速度，解吸甲烷的氣體流過井以前，此刻的實(shí)際的或者預(yù)測的生產(chǎn)井的含甲烷氣體的生產(chǎn)速度?？梢越?biāo)準(zhǔn)初始生產(chǎn)速度，例如，使井按壓力遞減井恰恰在惰性氣體注入之前操作一比較短的時(shí)間。然后可以通過把在該壓力遞減操作期間的生產(chǎn)速度平均來計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)初始生產(chǎn)速度。如果使用該方法，該井優(yōu)選應(yīng)該已操作足夠長的時(shí)間，使生產(chǎn)速度的瞬時(shí)變化不超過平均生產(chǎn)速度的約25％。優(yōu)選的是通過維持固定的操作條件例如在固定的井底流動壓力很小或者沒有流量的條件下操作，來確定標(biāo)準(zhǔn)初始生產(chǎn)速度。另外，如在此詳細(xì)討論的那樣，可以根據(jù)儲藏參數(shù)來計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)初始生產(chǎn)速度，或者在其它情況下由本領(lǐng)域普通技術(shù)人員來計(jì)算。
此處所用的，對于給定的井，“提高的生產(chǎn)速度”是大于標(biāo)準(zhǔn)初始生產(chǎn)速度的任何生產(chǎn)速度，該速度是通過把惰性解吸甲烷氣體注入到地層中產(chǎn)生的。在大多數(shù)情況下，人們認(rèn)為，在停止注入惰性解吸甲烷氣體或者減少惰性氣體注入速度之后，在相當(dāng)?shù)囊欢螘r(shí)間該井提高的生產(chǎn)速度仍將大于該井的標(biāo)準(zhǔn)初始生產(chǎn)速度，因此，在減少解吸甲烷的氣體體積百分?jǐn)?shù)的情況下仍有一定的提高產(chǎn)率的優(yōu)點(diǎn)。此處所用的術(shù)語“充分提高的生產(chǎn)速度”指的是在給定的注入速度下通過連續(xù)地注入惰性解吸甲烷氣體到該地層中所產(chǎn)生的最大的穩(wěn)定的生產(chǎn)速度。


圖1是按照本發(fā)明操作的中型試驗(yàn)裝置的總的氣體生產(chǎn)速度和在生產(chǎn)的氣體中存在的氮?dú)獾捏w積百分?jǐn)?shù)的曲線圖；圖2是按照本發(fā)明操作的井的總的氣體生產(chǎn)速度和惰性解吸甲烷氣體體積百分?jǐn)?shù)隨時(shí)間變化的曲線圖；圖3是按照本發(fā)明操作的一對井的單個(gè)的和組合的總的氣體生產(chǎn)速度和惰性解吸甲烷氣體體積百分?jǐn)?shù)隨時(shí)間變化的曲線圖；下面的詳細(xì)描述介紹了本發(fā)明的幾種方法。每一種方法都利用了我們的意外的發(fā)現(xiàn)，即在通過把惰性解吸甲烷氣體注入到地層中生產(chǎn)的含甲烷氣體混合物中惰性解吸甲烷氣體體積百分?jǐn)?shù)可以通過停止注入惰性氣體或者減少惰性氣體的注入速度來降低。
下面的解釋性的本發(fā)明的實(shí)施方案僅僅是說明性的。而這些方案中的很多方案是其中把氮?dú)庾⑷氲矫簩拥姆椒?，所介紹的這些方案不是要限制所用的注入的氣體的類型或者是含甲烷的地層的類型，向該地層可以注入超過在所附的權(quán)利要求中列舉的氣體范圍。
本發(fā)明的每一個(gè)實(shí)施方案都需要首先把惰性解吸甲烷氣體注入到固體含碳地層例如煤層中。一般地通過一口或者多口與終端連接地層或與該地層流體連通的注入井把解吸甲烷的氣體注入到地層中。
適用于本發(fā)明的惰性解吸甲烷氣體包括任何的含有大于50％(體積)的相對惰性氣體的氣體或者氣體混合物。相對惰性氣體是促使甲烷從固體含碳地層中脫附，而沒有明顯地吸附到地層中存在的固體有機(jī)物質(zhì)上或者另外與固體有機(jī)物質(zhì)反應(yīng)的氣體。相對惰性氣體的例子是氮?dú)狻鍤?、空氣、氦氣等以及這些氣體的混合物。不考慮相對惰性氣體的強(qiáng)吸附的氣體的例子是二氧化碳。
在此處所用的術(shù)語“空氣”指的是含有至少15％的氧氣(體積)和至少60％(體積)的氮?dú)獾娜魏蔚臍怏w混合物。優(yōu)選地，“空氣”是在井位找到的并且含有約20--22％(體積)的氧氣和78--80％(體積)的氮?dú)獾某簹怏w混合物。
雖然大氣是適用于本發(fā)明的便宜且豐富的惰性氣體，但是氮?dú)獾捏w積百分?jǐn)?shù)大于空氣中存在的體積百分?jǐn)?shù)的富氮?dú)怏w，例如氮?dú)獾捏w積百分?jǐn)?shù)大于約80的貧氧大氣是優(yōu)選的惰性解吸甲烷氣體。如果可以得到的話，雖然可以使用氧氣和很小反應(yīng)活性的氣體的其它氣體混合物，但是生產(chǎn)富氮?dú)怏w的優(yōu)選的原料是大氣。可以通過利用或者混合由例如含氮的低BTU天然氣的低溫改性這樣的方法得到的氣體來生產(chǎn)這樣的其它的氣體混合物。
優(yōu)選的是，注入的氣體含有至少90％(體積)的氮?dú)?，但是最?yōu)選的是大于95％(體積)的氮?dú)?。由含氮?dú)獾臍怏w的混合物生產(chǎn)富氮?dú)怏w的很多技術(shù)是本領(lǐng)域公知的。三種合適的技術(shù)是膜分離、壓力回轉(zhuǎn)吸收和低溫分離。應(yīng)該注意，如果非常壓空氣這樣的原料足以得到的話，也可以利用這些方法中的每一種方法從非常壓空氣這樣的原料生產(chǎn)其它合適的惰性解吸甲烷氣體和其混合物。
如果利用膜分離技術(shù)由空氣生產(chǎn)富氮混合物的話，應(yīng)該在壓力下，優(yōu)選以足以生產(chǎn)具有氮與氧的體積比至少為9∶1的貧氧的氣體物流的速度引入到膜分離器裝置。能夠從氮?dú)夥蛛x氧的任何的膜分離器裝置都可以用于該目的。一種這樣的膜分離器是從Niject Services Co.of Tulsa，Oklhoma買到的NIJECT裝置。其它的合適的裝置是從Generon Systems ofHouston，Texas買到的GENERON裝置。
膜分離器例如NIJECT和GENERON裝置一般地包括壓縮空氣的壓縮機(jī)部分和分餾空氣的膜部分。NIJECT和GENERON裝置的膜部分都用空心纖維膜束。選擇膜束，相對的更易滲透到在第一氣體分餾段例如氧氣所需要的氣體中，并且相對的不易滲透到在第二氣體分餾段例如氮?dú)狻⒍趸己退羝枰臍怏w中。把入口空氣壓縮到合適的壓力并且通過纖維或者纖維的外面。
在NIJECT分離器中，空心纖維外面的壓縮空氣提供能量，使氧氣、二氧化碳和水穿過空心纖維，而貧氧的氮?dú)饬粼诶w維的外面。富氮的物流在入口壓力約為3.45×105Pa或更高的高壓下，一般也在至少6.89×105Pa的壓力下離開裝置。
在GENERON分離器中，壓縮空氣通過空心纖維的里面。其提供能量，使富氧的空氣穿過纖維壁。在纖維的外面的富氮?dú)怏w在壓力約為3.45×105Pa或更高的高壓下，一般也在至少6.89×105Pa的壓力下離開分離器。
因?yàn)楦坏獨(dú)怏w必須注入到一般有周圍儲藏壓力約為3.45×106Pa--1.37×107Pa的地層中，所以優(yōu)選使用在盡可能高的排放壓力下排放貧氧空氣的膜分離器。因?yàn)檫@可以減少其后的氣體壓縮費(fèi)用。
像剛討論的這些膜分離器，一般的入口操作壓力約為3.45×105Pa--1.72×106Pa，優(yōu)選約6.89×105Pa--1.37×107Pa，其流速要足以減少富氮物流的氧含量到氮與氧的體積比約為9∶1--99∶1。在一般的分離器操作條件下，膜系統(tǒng)使用較高的壓力來增加氣體速度并且使得氣體更快的通過系統(tǒng)，因此降低了膜的分離效果。相反地，較低的空氣壓力和流速提供更多的貧氧物流，但是其速度較低。優(yōu)選的膜分離器操作速度要足以提供含約2--8％(體積)氧的貧氧物流。當(dāng)在足以生產(chǎn)含約5％(體積)的氧的貧氧餾分的速度下加工含約20％(體積)的氧的常壓空氣時(shí)，富氧的空氣餾分一般地含有約40％(體積)的氧。在這些條件下，富氮物流一般在低于約1.37×106Pa的超常壓下離開膜分離器。
通過壓力回轉(zhuǎn)吸附方法也可以從空氣生產(chǎn)解吸甲烷的富氮?dú)怏w。該方法一般地需要在壓力下把空氣注入到吸附劑物料床，該吸附劑物料床優(yōu)先吸附氧而超過氮。連續(xù)注入空氣直到床層物料達(dá)到所需要的飽和度?？梢酝ㄟ^例行試驗(yàn)測定床層所需要的吸附飽和情況。
一旦達(dá)到床層所需要的吸附飽和度，就降低床層的總壓來再生該物料的吸附能力，因此使得富氧過程物流脫附。如果需要，在重新開始循環(huán)吸附之前可以吹洗該床層。用這種方法吹洗該床層，保證在下一個(gè)吸附周期富氧殘氣尾不降低床層的吸附能力。優(yōu)選的是使一個(gè)以上的物料床，以便一個(gè)物料吸附床吸附，而其它物料吸附床降壓或者吹洗。選擇吸附和脫附周期所用的壓力和吸附分離器所用的壓力降，以便使氮與氧的分離最佳化。吸附分離器所用的壓力降是吸附周期所用的壓力和脫附周期所用的壓力之間的壓差。當(dāng)確定要用的壓力時(shí)，認(rèn)為把注入的空氣增壓是很重要的。
在吸附周期除去富氮物流的流速必須高到足以提供適當(dāng)?shù)牧魉?，而低到足以使空氣的組分適當(dāng)?shù)姆蛛x。一般地，調(diào)整空氣注入的速度，與以前的參數(shù)一起，使回收的富氮物流的氮與氧的體積比約為9∶1--99∶1。
一般地，所用的入口壓力越高，更多的氣體可能被床層吸附。另外，貧氧氣體物流從系統(tǒng)中除去的越快，氣體物流中氧的含量越高。一般的，優(yōu)選在足以提供富氮?dú)怏w中含約2--8％(體積)的氧的速度操作壓力回轉(zhuǎn)吸附分離器。以這種方法，可以最大限度地生產(chǎn)富氮?dú)怏w并且同時(shí)在把富氮?dú)怏w注入到地層中時(shí)得到無疑的好處。
各種吸附劑物料都適用于壓力回轉(zhuǎn)吸附分離器。特別有用的吸附劑物料包括碳質(zhì)物料、氧化鋁基物料、氧化硅基物料和沸石物料。這些物料類的每一種物料包括特征在于物料組成、活化方法和吸附選擇性的許多種不同的物料?？梢允褂玫奈锪系木唧w的例子是硅鋁酸鈉組合物沸石例如4A-型沸石和RS-10(Union Carbide Corporation制造的沸石分子篩)、碳分子篩和各種形式的活性碳。
由空氣制備富氮?dú)怏w的第三種方法是低溫分離。在該方法中，空氣首先液化，然后蒸餾分成氧餾分和氮餾分。雖然例行的低溫分離可以生產(chǎn)在其中含氧低于0.01％(體積)的氮餾分和含氧70％(體積)或更高的氧餾分，但是該方法極耗費(fèi)能量，因此很昂貴。當(dāng)這樣的物流用于從含甲烷的地層提高甲烷回收率時(shí)，不認(rèn)為因?yàn)樵诟坏獨(dú)怏w中存在很少體積百分?jǐn)?shù)的氧是有害的，一般地通過低溫分離生產(chǎn)的比較純的氮餾分通常將不是費(fèi)用合理的。
生產(chǎn)適合的惰性氣體混合物的其它方法是本領(lǐng)域的技術(shù)人員已知的。當(dāng)選擇惰性解吸甲烷氣體時(shí)要考慮的事情包括在注入的位置或者接近注入的位置氣體的可獲量、生產(chǎn)該氣體的成本、要注入的氣體的量、由給定體積的惰性氣體從固體含甲烷物質(zhì)置換的甲烷的體積和把從地層收集的甲烷和惰性氣體的混合物分離的費(fèi)用和易分離的情況。
必須在高于儲藏壓力且優(yōu)選低于地層的破裂壓力的壓力下把惰性解吸甲烷氣體注入到固體碳質(zhì)地下層。如果注入的壓力太低，就不能注入該氣體。如果注入的壓力太高和地層裂縫，該氣體可能通過裂縫損失。鑒于這些考慮和在一般的地層中遇到的壓力，解吸甲烷的氣體一般地要用壓縮機(jī)壓縮到約2.76×106--1.37×107Pa，然后把該物流通過一個(gè)或者多個(gè)在該地層的終端或者與該地層流體連通的井注入到該地層中。
在某些情況下，如果沒有從注入井?dāng)U展到生產(chǎn)井的壓裂裂縫，可能需要在高于地層破裂壓力的壓力下把解吸甲烷的氣體注入到地層中。高于地層破裂壓力的注入壓力可能導(dǎo)致另外的裂縫，這就增加了地層的可注入性，依次就可以增加甲烷的回收速率。優(yōu)選地是，通過在高于地層破裂壓力的壓力下的注入誘發(fā)的地層裂縫的裂縫一半的長度小于注入井和生產(chǎn)井的井距的約20％--30％。另外，優(yōu)選地是，該誘發(fā)的裂縫不應(yīng)該擴(kuò)展出該地層。
甲烷回收的重要的參數(shù)例如裂縫的半長度、方位和高度增長可以用本領(lǐng)域已知的地層模擬技術(shù)來測定。這樣的技術(shù)在下述文獻(xiàn)中作了討論John L. Gidley，et al.，Recet Ad-vances in Hydraulic Fracturing，Volume 12，Society of PetroleumEngineers Monograph Series，1989，pp.25--29和pp.76--77；和Schuster，C.L.，“Detection Within the Wellbore of SeismicSinals Created by Hydraulic Fracturing，”paper SPE 7448 pre-sented at the 1978 Society of Petroleum Engineers AnnualTechnical Conference and Exhibition，Houston，Texas，October1-3。另外，裂縫半長度和定向效果可以利用例如下文介紹的壓力瞬態(tài)分析和儲藏流動模擬一起來評估，見paperSPE 22893，“Inlection Above Fracture Parting Pressure pilt，.al-hal Field，Norway，”by N.Ali et al.，69th Annual Technical Con-ference and Exhibition of the Society of Petroleum Engineers，Dal-las，Texas，October 6-9，1991。雖然要注意到，上述參考文獻(xiàn)介紹了通過在地層破裂壓力以上注水提高油采收率的方法，但是可以認(rèn)為在SPE 22893中討論的方法和技術(shù)可以用來提高從固體碳質(zhì)地下層例如煤層的甲烷回收率。
用于本發(fā)明的惰性氣體的注入速度可以經(jīng)驗(yàn)確定。一般的注入速度可以約為8.5×103--4.25×104標(biāo)準(zhǔn)立方米/天，優(yōu)選較高的注入速度?？梢赃B續(xù)或者間斷地把解吸甲烷的氣體注入地層，雖然一般地優(yōu)選連續(xù)注入。注入壓力可以保持常量或者改變，優(yōu)選比較固定的壓力。
惰性氣體注入到地層中一般地要提高甲烷從地層的生產(chǎn)量。從生產(chǎn)井回收甲烷的速度增加的時(shí)限和量將取決于很多因素，包括例如井間距、煤層厚度、煤的內(nèi)生裂隙的孔隙度、注入壓力和注入速度、注入的氣體組成、吸附的氣體組成、地層壓力和惰性氣體注入前甲烷的累積生產(chǎn)量。
在大多數(shù)情況下，通過與注入井連通的一個(gè)或者多個(gè)生產(chǎn)井從固體碳質(zhì)地下層回收含甲烷的氣體混合物。優(yōu)選地，生產(chǎn)井尾接于一個(gè)或者多個(gè)含甲烷的層，例如位于煤層內(nèi)的煤層。雖然內(nèi)層終止較好，但是只要地層的含甲烷部分和生產(chǎn)井連通，生產(chǎn)井不需要尾于該層。在很多情況下，要優(yōu)先操作一個(gè)以上的生產(chǎn)井連同一個(gè)或者多個(gè)注入井。生產(chǎn)井按照常規(guī)的煤層甲烷回收井的操作方法操作。在某些情況下，優(yōu)選的是在盡可能小的回壓下操作生產(chǎn)井，以促進(jìn)從井回收含甲烷的流體。
人們認(rèn)為，在惰性氣體注入期間，注入井和生產(chǎn)井的井距影響從生產(chǎn)井回收的氣體的數(shù)量和質(zhì)量。所有的參數(shù)是常數(shù)時(shí)，較小的注入井和生產(chǎn)井的井距一般的會使甲烷的回收速度增加，并且使得在生產(chǎn)井出現(xiàn)注入的惰性氣體的時(shí)間縮短。當(dāng)布井時(shí)，迅速增加甲烷生產(chǎn)速度的客觀需要必須與其它的因素例如早期惰性氣體在回收的氣體混合物中的透過情況相平衡。
如果井眼之間的井距太小，注入的氣體將通過地層到生產(chǎn)井，而沒有有效的用來解吸碳質(zhì)基巖中的甲烷。
在大多數(shù)的情況下，注入井與生產(chǎn)井的布置要間隔3.05×101--3.05×103米，一般的間隔3.05×102--1.52×103米。人們認(rèn)為，在遠(yuǎn)隔的生產(chǎn)井的情況下，注入的氣體對生產(chǎn)速度的作用一般的隨著注入井與生產(chǎn)井的井距的增加而降低。
優(yōu)選的是，從生產(chǎn)井回收的含甲烷的氣體混合物一般地要含至少65％(體積)的甲烷，其余的大部分是注入地層中的解吸甲烷的氣體。在生產(chǎn)的混合物中所含的有關(guān)的甲烷、氧氣、氮?dú)夂推渌臍怏w餾分要隨時(shí)間變化，由于甲烷減少和不同的氣體通過地層的通行時(shí)間變化。在井操作的早期，如果回收的氣體很類似于地下煤層甲烷的組成，人們不要奇怪。連續(xù)操作之后，可以預(yù)計(jì)在回收的氣體中有效量的注入的惰性氣體。
在惰性氣體注入期間，生產(chǎn)的含甲烷的氣體混合物的充分提高的生產(chǎn)速度預(yù)期超過給定井的標(biāo)準(zhǔn)初始生產(chǎn)速度約1.1-5倍，或者在某些情況下超過10倍或更多。術(shù)語“標(biāo)準(zhǔn)初始生產(chǎn)速度”指的是恰好在流動的解吸甲烷的氣體通過該井到增加它的生產(chǎn)速度之前實(shí)際的或者預(yù)計(jì)的生產(chǎn)井的含甲烷氣體的生產(chǎn)速度。通過使井像壓力減少井那樣操作比較短的時(shí)期立即進(jìn)行惰性氣體注入，可以確立標(biāo)準(zhǔn)初始生產(chǎn)速度。然后可以通過把這一時(shí)期的生產(chǎn)速度平均來計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)初始生產(chǎn)速度。如果使用該方法，優(yōu)選的是該井應(yīng)該已經(jīng)操作足夠長的時(shí)間，使生產(chǎn)速度的瞬時(shí)變化不超過平均生產(chǎn)速度的25％。優(yōu)選的是，通過保持固定的操作條件，例如在流動壓力很小或者沒有流量的固定的井底操作，來確定“標(biāo)準(zhǔn)初始生產(chǎn)速度”。
在不能得到實(shí)際生產(chǎn)速度數(shù)據(jù)時(shí)，可以根據(jù)各種儲層參數(shù)計(jì)算“標(biāo)準(zhǔn)初始生產(chǎn)速度”。這樣的計(jì)算是本領(lǐng)域公知的，可以根據(jù)例如井壓試驗(yàn)的結(jié)果或者巖心分析的結(jié)果這樣的參數(shù)來估算生產(chǎn)速度。在1959年版的“Handbook of NaturalGas Engineering”published by the McGraw-Hill Book Compa-ny，Inc.，of New York，New York中可以找到這樣的計(jì)算的例子。雖然這樣的估算證明是準(zhǔn)確在2倍左右，但優(yōu)選的是通過實(shí)際測量生產(chǎn)的氣體來確定“標(biāo)準(zhǔn)初始生產(chǎn)速度”。
提高的生產(chǎn)速度已經(jīng)達(dá)到之后，可以在任何的時(shí)間終止注入惰性解吸甲烷氣體。一般地，當(dāng)在生產(chǎn)的含甲烷的混合物中存在的惰性氣體的量超過特定的限度時(shí)，或者是因?yàn)檎J(rèn)為該注入設(shè)備在其它地方更有用時(shí)，應(yīng)該終止注入。
惰性氣體終止注入之后，至此已觀察到兩件意想不到的事情。第一，雖然總的生產(chǎn)速度下降，但是在相當(dāng)時(shí)間內(nèi)生產(chǎn)速度仍高于該井的標(biāo)準(zhǔn)初始生產(chǎn)速度。另外，當(dāng)在由生產(chǎn)井回收的含甲烷的氣體中已經(jīng)發(fā)現(xiàn)惰性氣體時(shí)，在混合物中惰性氣體的體積百分?jǐn)?shù)隨時(shí)間而降低。通過下面的實(shí)施例說明這些效果。
實(shí)施例1在有兩口生產(chǎn)井的煤層甲烷的區(qū)域進(jìn)行本發(fā)明的中型試驗(yàn)。試驗(yàn)前，每個(gè)生產(chǎn)井生產(chǎn)含甲烷氣體約4年，6.1米厚的煤層位于地面之下約8.23×102米。把一個(gè)生產(chǎn)井不用作生產(chǎn)井而用作注入井，在三個(gè)另外的位置鉆到同一煤層提供三個(gè)另外的注入井。目測在多米諾的3.24×105平方米的區(qū)域5口井像“5個(gè)圓點(diǎn)”，其中注入井圍著生產(chǎn)井(即注入井在“5個(gè)圓點(diǎn)”角上，彼此之間的距離約5.49×102米)。
用兩臺空氣壓縮機(jī)把入口空氣壓縮到約9.65×105Pa，并且通過一個(gè)安裝有3.05米×3.05米×6.1米的裝有空心纖維束的NIJECT膜分離裝置的滑架。纖維外面的壓縮空氣提供氧、CO2和水蒸汽的驅(qū)動能，使其透過空心纖維，而貧氧的富氮物流通過纖維的外面。該裝置每天提供1.53×104立方米的含約40％(體積)氧的富氧空氣。該膜分離裝置在約入口的壓力下提供含有約4-5％(體積)的氧的富氮?dú)怏w。該富氮?dú)怏w用往復(fù)電動壓縮機(jī)壓縮到約6.89×106Pa，并且把其注入到4口注入井中，注入速度為每口井每天8.50×103立方米，注入幾個(gè)月。
在注入開始后的一個(gè)星期內(nèi)，從生產(chǎn)井生產(chǎn)的氣體的體積從測定的標(biāo)準(zhǔn)初始生產(chǎn)速度5.66×103立方米氣體/天增加到充分提高的生產(chǎn)速度3.40×104--4.25×104立方米氣體/天。富氮?dú)怏w連續(xù)注入約一天，在一天的注入期間，充分提高的生產(chǎn)速度保持一相對常數(shù)。初始，該井生產(chǎn)很少的氮?dú)?，但是過了這一時(shí)間，氮的含量穩(wěn)定地增加到約35％(體積)。圖1說明在注入富氮?dú)怏w以前、期間和之后，生產(chǎn)的含甲烷的氣體混合物中發(fā)現(xiàn)平滑的平均總井生產(chǎn)速度和氮的百分?jǐn)?shù)。
惰性氣體的注入終止后，生產(chǎn)速度首先明顯地下降，然后開始較慢地下降。注入終止后40天“延續(xù)”期，奇怪的是井的生產(chǎn)速度決不會降低到低于約1.13×104標(biāo)準(zhǔn)立方米/天，比井的標(biāo)準(zhǔn)初始生產(chǎn)速度大約2倍。此外，在這40天期間，在生產(chǎn)的氣體中發(fā)現(xiàn)氮的體積百分比出乎意料地從初始值約35％(體積)降低到最終值約25％(體積)。
本發(fā)明的方法利用這些意外地發(fā)現(xiàn)。這些現(xiàn)象發(fā)現(xiàn)之前，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員可能斷定，當(dāng)在回收的含甲烷的混合物中存在的惰性氣體增加到不合乎要求的體積百分比時(shí)，應(yīng)該終止注入和生產(chǎn)。相反，我們的實(shí)施例1表明，惰性氣體的注入終止后，相當(dāng)長的時(shí)間內(nèi)可以得到連續(xù)降低惰性氣體百分比的提高生產(chǎn)量的氣體。因此，優(yōu)選的方法是，惰性氣體的注入終止后，繼續(xù)回收含甲烷的產(chǎn)物，而不是像另外可以作的那樣簡單地關(guān)井和移到其它的地方。
人們認(rèn)為，在剛剛描述的注入期間，對于任何給定的注入和生產(chǎn)井系統(tǒng)，回收速度方面下降的速度和惰性氣體濃度下降的速度都要變化。一般地，除了基本的地質(zhì)參數(shù)影響天然氣生產(chǎn)之外，認(rèn)為影響回收速度和惰性氣體濃度下降的因素包括惰性氣體注入的時(shí)間和數(shù)量、注入的惰性氣體的類型和地層甲烷衰減的量。在某些情況下，上述因素的變化也可以導(dǎo)致產(chǎn)生停止注入和在生產(chǎn)井觀察的結(jié)果之間的時(shí)間延遲。剛剛描述的方法可以以循環(huán)的方式操作，就像下面的實(shí)施例說明的那樣，提供另外的操作上的好處。
實(shí)施例2在該實(shí)施例中，單個(gè)設(shè)想的天然氣井的生產(chǎn)速度通過注入惰性解吸甲烷氣體例如含有約95％(體積)氮?dú)獾臍怏w混合物來增加。如圖2所示，該井在標(biāo)準(zhǔn)初始生產(chǎn)速度1體積/單位時(shí)間下操作，如曲線A所示，從時(shí)間T0到T1。在時(shí)間T1，把惰性解吸甲烷氣體注入到與生產(chǎn)井連通的地層位置，使得井的生產(chǎn)速度從時(shí)間T1到T3增加到充分增加的速度4體積/單位時(shí)間。在T2開始，惰性氣體開始在生產(chǎn)的氣體中出現(xiàn)，如曲線B所示，在時(shí)間T3達(dá)到約5％(體積)的值。在時(shí)間T3，惰性氣體注入設(shè)備變得不能使用，導(dǎo)致停止注入惰性氣體，直到T5。在時(shí)間T3到T5這一段時(shí)間期間，井的生產(chǎn)速度降低到3體積/單位時(shí)間，在生產(chǎn)的氣體中存在的惰性氣體的體積百分比降低到約2.5％(體積)。
在時(shí)間T5，恢復(fù)注入惰性氣體。該井的生產(chǎn)速度回到約4體積/單位時(shí)間，在生產(chǎn)的氣體中惰性氣體的體積百分比慢慢地增加，直到達(dá)到20％(體積)的操作上限。當(dāng)達(dá)到該極限，再一次停止注入惰性氣體，在生產(chǎn)的氣體中惰性氣體的體積百分比減少期間，使繼續(xù)生產(chǎn)從時(shí)間T7到T9。在時(shí)間T9，恢復(fù)注入惰性氣體以增加生產(chǎn)速度，直到在時(shí)間T10再達(dá)到20％(體積)的操作惰性氣體的體積百分比的限度，在該時(shí)間再停止注入。
該實(shí)施例說明，在時(shí)間T7到T9期間，停止注入惰性氣體，容許從生產(chǎn)井回收產(chǎn)物，繼續(xù)及時(shí)超過這一點(diǎn)，在該點(diǎn)惰性氣體含量首先達(dá)到操作極限。這種結(jié)果僅是可能的，因?yàn)槲覀兊囊庀氩坏降陌l(fā)現(xiàn)，當(dāng)井按照本發(fā)明操作時(shí)，在停止注入期間，生產(chǎn)的混合物的惰性氣體體積百分比平穩(wěn)的降低。也應(yīng)該注意到，即使在時(shí)間T3和T5之間及時(shí)間T7和T9之間停止注入惰性氣體，該井的生產(chǎn)速度仍保持高于標(biāo)準(zhǔn)初始生產(chǎn)速度1體積/單位時(shí)間。
當(dāng)按照本發(fā)明以循環(huán)、“異相”(out of phase)模式操作多口井時(shí)，會出現(xiàn)另外的優(yōu)點(diǎn)。這種類型的操作在下面的實(shí)施例3加以說明。
實(shí)施例3在該實(shí)施例中，通過注入惰性解吸甲烷氣體例如大氣來增加兩個(gè)設(shè)想的天然氣井的生產(chǎn)速度。如圖3的曲線A和B所示，第一口井生產(chǎn)含甲烷的氣體混合物。曲線A和B與在實(shí)施例2中已存在的及圖2所示的情況相同。
第二口井的生產(chǎn)史與第一口井相同，但是配置其比第一口井晚兩個(gè)時(shí)間單元操作，其生產(chǎn)第二含甲烷的氣體混合物，生產(chǎn)速度和惰性氣體體積百分比分別如圖3的曲線C和D所示。
第一口井和第二口井一起生產(chǎn)，并輸?shù)讲荒芙邮芎写笥?8％(體)的惰性解吸甲烷氣體的含甲烷的混合物的管道系統(tǒng)。第一口井和第二口井一起生產(chǎn)及一起生產(chǎn)的氣體的惰性氣體體積百分比，分別如曲線E和F所示。
正如由比較曲線B、D和E所看到的那樣，即使第一和第二兩口井生產(chǎn)有多達(dá)20％(體)的惰性氣體的含甲烷的混合物，用其中惰性氣體的最大值在不同時(shí)間出現(xiàn)的循環(huán)方法即‘異相’方法來操作兩口井，仍允許組合單獨(dú)的生產(chǎn)，以便在低于單井所呈現(xiàn)的最大值的惰性氣體的體積百分比下連續(xù)生產(chǎn)。在這個(gè)具體的實(shí)施例中，單井可以充分增產(chǎn)模式操作，直到從單井生產(chǎn)的惰性氣體體積百分比達(dá)到20％(體積)，不超過約15％的組合的體積百分比。這樣不需要處理組合井生產(chǎn)，以使惰性氣體體積百分比減少至低于特定的上限18％(體積)。
也應(yīng)注意到，總生產(chǎn)量仍然相當(dāng)高，因?yàn)闀r(shí)間T5到T10的累加的生產(chǎn)速度總是包括在充分增加的生產(chǎn)速度下操作的至少一口井，該充分增加的生產(chǎn)速度是由于將惰性氣體注入該地層而造成的。
如剛才所介紹的‘異相’方法那樣的多口井方法，可以包括任意數(shù)量的井，只要從兩口或三口井中回收的氣體混合物中所呈現(xiàn)的惰性氣體的體積百分比最大值及時(shí)在不同點(diǎn)出現(xiàn)。當(dāng)然，在一對井呈現(xiàn)生產(chǎn)隨時(shí)間的關(guān)系類似于相差為180度的正弦波處，應(yīng)得到最大的好處。換句話說，在生產(chǎn)的氣體中惰性氣體的體積百分比最少是最重要的，一對井應(yīng)該這樣操作以便由其中的一口井所生產(chǎn)的氣體達(dá)到惰性氣體的體積百分比最大值，同時(shí)，其中的另一口井所生產(chǎn)的氣體達(dá)到惰性氣體的體積百分比最小值。
盡管有些違反直觀，但上述的實(shí)施例說明在一些情況下，通過延遲將惰性氣體注入系統(tǒng)的一口井中，可以得到總的生產(chǎn)好處。當(dāng)延遲注入到井中時(shí)引起回收期間的井相對于要混合其產(chǎn)物的一口或者多口井會使井“異相”，其就是這種情況。在投產(chǎn)期間，在該狀態(tài)下雖然總的回收速度可能是較小的，但是，如果“異相”井的平均產(chǎn)量在操作的上限以下可能降低累積的惰性氣體的體積百分比的話，這樣的延遲可以使得其可能避免需要在回收后除去惰性氣體。
最終，人們認(rèn)為，如上述的實(shí)施例所示，通過停止注入惰性氣體得到的惰性氣體的體積百分比降低的很多優(yōu)點(diǎn)可以只通過降低注入的惰性氣體的流量就可以得到。如果惰性氣體的注入速度降低，預(yù)期的生產(chǎn)井的效果的大小與注入速度降低的大小成比例，雖然預(yù)計(jì)結(jié)果要隨氣藏枯竭和其它的操作過程以及隨注入的氣體的類型和儲層的可注入性而變化。為了達(dá)到實(shí)用的效果，在很多情況下可能需要減少注入速度至少2倍。
應(yīng)該了解，對本領(lǐng)域的技術(shù)人員來說，很顯然，通過改進(jìn)和替換，本發(fā)明的各種其它實(shí)施方案都沒有離開后面的權(quán)利要求所定義的本發(fā)明的精神和范圍。
權(quán)利要求
1.一種減少由固體碳質(zhì)地下層生產(chǎn)的含甲烷氣體混合物中存在的惰性解吸甲烷氣體量的方法，所說方法包括以下步驟把惰性解吸甲烷氣體注入到地層；停止注入解吸甲烷氣體；在至少部分注入步驟期間從地層回收第一含甲烷的氣體混合物，所說混合物的解吸甲烷氣體體積百分比為Y％；和停止步驟完成以后，從地層回收第二含甲烷的氣體混合物，所說的第二氣體混合物的解吸甲烷氣體體積百分比小于Y％。
2.權(quán)利要求1的方法，其中，在不存在惰性氣體注入的情況下回收第二含甲烷的氣體混合物。
3.權(quán)利要求1的方法，其中，惰性解吸甲烷氣體是空氣或者由大氣得到的并且含有大于80％(體積)氮?dú)獾呢氀鯕怏w。
4.權(quán)利要求1的方法，其中，從具有含甲烷的氣體混合物的標(biāo)準(zhǔn)初始生產(chǎn)速度為X標(biāo)準(zhǔn)立方米/單位時(shí)間的生產(chǎn)井回收含甲烷的氣體混合物，并且，在至少部分注入步驟期間以大于1.1X標(biāo)準(zhǔn)立方米/單位時(shí)間的速度得到第一含甲烷的氣體。
5.權(quán)利要求1的方法，其中，固體碳質(zhì)地下層是煤層。
6.權(quán)利要求1的方法還包括在停止步驟完成以后恢復(fù)注入惰性解吸甲烷氣體的步驟。
7.權(quán)利要求6的方法還包括在至少部分恢復(fù)步驟期間從地層回收第三含甲烷的氣體混合物的步驟。
8.一種減少由固體碳質(zhì)地下層生產(chǎn)的含甲烷氣體混合物中存在的惰性解吸甲烷氣體量的方法，所說方法包括以下步驟以第一速度把惰性解吸甲烷氣體注入到地層；減少解吸甲烷的氣體的注入速度到第二速度；從地層回收第一含甲烷的氣體混合物，同時(shí)以第一速度注入惰性氣體，所說的混合物的解吸甲烷氣體體積百分比為Y％；和從地層回收第二含甲烷的氣體混合物，同時(shí)以第二速度注入惰性氣體，所說的第二氣體混合物的解吸甲烷氣體體積百分比小于Y％。
9.權(quán)利要求8的方法，其中，第二速度小于第一速度的一半。
10.權(quán)利要求8的方法，其中，惰性解吸甲烷氣體選自大氣和貧氧的大氣。
11.一種減少由一個(gè)或者多個(gè)固體碳質(zhì)地下層生產(chǎn)的含甲烷氣體混合物中存在的惰性解吸甲烷氣體量的方法，所說的方法包括以下步驟以第一速度把第一惰性解吸甲烷氣體注入到第一地層位置；減少惰性解吸甲烷氣體的注入速度到第二速度；在至少部分減少步驟期間從第一生產(chǎn)井回收第一含甲烷的氣體混合物，在剛完成減少步驟之前，所說的混合物的解吸甲烷氣體體積百分比為Y％；和把第一含甲烷的氣體混合物與第二含甲烷的氣體混合物混合，得到惰性解吸甲烷氣體體積百分比小于Y％的第三含甲烷的氣體混合物。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種減少在通過把惰性氣體注入到固體碳質(zhì)地下層生產(chǎn)的含甲烷的混合物中存在的惰性氣體餾分體積百分比的方法。該方法通過停止注入惰性氣體或者通過減少惰性氣體的注入速度來減少惰性氣體餾分。本發(fā)明也公開了另外的方法，其中從一個(gè)以上的井生產(chǎn)的氣體混合物的惰性氣體體積百分比可以保持在低于從至少一口井得到的氣體中存在的惰性氣體體積百分比。
文檔編號E21B43/18GK1137816SQ94193972
公開日1996年12月11日 申請日期1994年10月3日 優(yōu)先權(quán)日1993年11月3日
發(fā)明者丹·葉, 約翰·P·塞德爾, 拉金·普瑞 申請人:阿莫科公司