PL188964B1

PL188964B1 - Sposób zwiększania wielkości produkcji metanu z podziemnego pokładu węgla

Info

Publication number: PL188964B1
Application number: PL98328756A
Authority: PL
Inventors: Walter C. Riese; Stephen V. Bross
Original assignee: Vastar Resources
Priority date: 1997-09-22
Filing date: 1998-09-21
Publication date: 2005-05-31
Also published as: GB2329406B; PL328756A1; EA001524B1; GB2329406A; CA2247495C; GB9819229D0; CA2247495A1; ZA988639B; US5964290A; EA199800749A3; UA52647C2; EA199800749A2; CN1117207C; CN1221849A

Abstract

1. Sposób zwiekszania wielkosci produk- cji metanu z podziemnego pokladu wegla penetrowanego przez przynajmniej jedna studzienke, znamienny tym, ze polega na wstrzykiwaniu wodnego roztworu utleniacza do pokladu, utrzymywaniu wodnego roztwo- ru utleniacza w pokladzie przez wybrany okres czasu dla stymulowania formowania sie plaszczyzn lupliwosci w pokladzie, i pro- dukowaniu metanu z pokladu ze zwiekszona wydajnoscia, oraz ze roztwór utleniacza za- wiera przynajmniej jeden utleniacz wybrany z grupy skladajacej sie z dwutlenku chloru, rozpuszczalnych w wodzie metalowych soli nadchloranu, nadboranu, chloranu, nadsiar- czanu, nadweglanu, nadmanganianu i azota- nu, i ich kombinacji. Fig.1. PL PL PL PL PL PL PL

Description

Przedmiotem wynalazku jest sposób zwiększania wielkości produkcji metanu z podziemnych pokładów węgla przez chemiczne stymulowanie pokładu wodnym roztworem utleniającym dla zwiększania wielkości produkcji metanu z pokładu.

W podziemnych pokładach węgla znajdują się znaczne ilości gazowego metanu. Dotychczas stosowano rozmaite procesy powodujące zwiększanie wydajności odzyskiwania metanu z takich pokładów węgla.

Najprostszy proces stanowi proces redukcji ciśnienia, w którym wykonuje się odwiert w pokładzie węgla od powierzchni a metan odciąga się z tego odwiertu przez redukowanie ciśnienia dla spowodowania desorpcji metanu i jego przepływu z pokładu węgla do odwiertu i na powierzchnię. Sposób ten nie jest wydajny z tego względu, że pokłady węgla są ogólnie niezbyt porowate i większość metanu ogólnie nie znajduje się w porach pokładu węgla ale jest absorbowana lub adsorbowana do węgla. Jakkolwiek sposób ten umożliwia produkowanie metanu z pokładów węgla, to jednak produkcja ta metanu jest stosunkowo powolna.

W niektórych pokładach węgla naturalna przepuszczalność jest wystarczająca dla umożliwienia usunięcia wody na miejscu dla umożliwienia zwiększonego odzyskiwania metanu. W tego rodzaju pokładach, układy płaszczyzn łupliwości rozwijanych podczas diagenezy złoża węgla tworzą kanałowe tory przez które migruje woda i metan do studzienek produkcyj188 964 nych dla usunięcia. To usuwanie wody lub „odwadnianie” pokładów węgla powoduje usuwanie wody z torów kanałowych i umożliwia zwiększenie wydajności przepływu metanu przez tory kanałowe do studzienki produkcyjnej.

Wiele pokładów węgla nie ma nadmiernie rozwiniętych systemów płaszczyzn łupliwości lub ma niecałkowicie rozwinięte systemy płaszczyzn łupliwości. Te pokłady węgla mają bardzo małą przepuszczalność dla wody i gazu i nie zapewniają uzyskiwania wystarczającej wydajności wypływu wody lub gazu. W rezultacie, woda wypełnia kanały, a odzyskiwanie metanu z tego rodzaju pokładów węgla ze znaczną wydajnością jest utrudnione lub niemożliwe. Tego rodzaju zawierające wodę pokłady węgla o małej przepuszczalności mogą być albo nasycone wodą lub mniej niż całkowicie nasycone wodą. Wydaje się, że pokłady węgla z lepiej rozwiniętymi systemami płaszczyzn łupliwości były poddane w przeszłości geologicznej oddziaływaniu pewnego rodzaju dyfuzyjnego płynu utleniającego, zaś pokłady węgla z mniej rozwiniętymi systemami płaszczyzn łupliwości nie wykazują wystawienia w przeszłości na oddziaływanie tego rodzaju płynu utleniającego.

Użyte tu określenia „absorbowany” i „adsorbowany” są stosowane wzajemnie wymiennie, odnosząc się do metanu lub innych lekkich węglowodorów zatrzymanych wewnątrz lub na powierzchni węgla lub innych materiałów.

Tak więc, prowadzono ciągłe wysiłki dotyczące udoskonalenia sposobów powtórzenia efektów takich warunków w pokładach węgla o lepiej rozwiniętym systemie płaszczyzn łupliwości i zwiększania wielkości produkcji metanu z tego rodzaju pokładów.

Z opisu GB-A-2309179 jest znany sposób zwiększania wielkości produkcji metanu z podziemnego pokładu węgla, który polega na wtryskiwaniu wodnego roztworu utleniacza do pokładu i utrzymywaniu tego roztworu w pokładzie przez czas wystarczający do stymulowania wytwarzania płaszczyzn łupliwości. Jako odpowiednie utleniacze wymieniono tam nadtlenek wodoru, ozon i tlen. Jednakże w kolejnych badaniach z zastosowaniem soli metalu i niektórych związków zawierających halogen jako utleniaczy stwierdzono, że obróbka taka powoduje czasami niespodziewane i niepożądane efekty uboczne, takie jak reakcje wtórne ze związkami zawartymi w układzie, prowadzące do zatykania płaszczyzn łupliwości i przez to do mniej niż optymalnego polepszenia odzyskiwania metanu. Ponadto, nie można przewidzieć które sole metanu lub związki zawierające halogen będą wywoływały te niepożądane efekty uboczne. Jednakże w rezultacie następnych intensywnych badań stwierdzono, że te efekty uboczne mogą być zminimalizowane lub wyeliminowane jeżeli utleniacz jest wybrany spośród grupy składającej się z dwutlenku chloru i rozpuszczalnych w wodzie metalowych soli nadchloranu, chloranu, nadsiarczanu, nadboranu, nadwęglanu, nadmanganianu i azotanu.

Według wynalazku, opracowano sposób zwiększania wielkości produkcji metanu z podziemnego pokładu węgla, penetrowanego przez przynajmniej jedną studzienkę, poprzez wstrzykiwanie do pokładu wodnego roztworu utleniacza, utrzymywanie wodnego roztworu utleniacza w pokładzie przez wybrany czas dla stymulowania wytwarzania płaszczyzn łupliwości w pokładzie, i produkowanie metanu z pokładu ze zwiększoną wydajnością, charakteryzujący się tym że wspomniany roztwór utleniacza zawiera przynajmniej jeden utleniacz wybrany z grupy na którą składa się dwutlenek chloru, rozpuszczalne w wodzie metalowe sole nadchloranu, nadboranu, chloranu, nadsiarczanu, nadwęglanu, nadmanganianu i azotanu, i ich kombinacje.

Według pierwszego rozwiązania wynalazku, wielkość produkcji metanu z podziemnego pokładu węgla penetrowanego przez przynajmniej jedną studzienkę wstrzykującą i przynajmniej jedną studzienkę produkcyjną jest zwiększona poprzez:

a) wstrzykiwanie wodnego roztworu utleniacza do pokładu przez studzienkę wstrzykującą, i

b) produkowanie metanu z pokładu przez studzienkę produkcyjną ze zwiększoną wydajnością.

Przedmiot wynalazku jest uwidoczniony w przykładzie wykonania na rysunku, na którym fig. 1 przedstawia schemat studzienki penetrującej podziemny pokład węgla od strony powierzchni, fig. 2 - schemat studzienki penetrującej podziemny pokład węgla od powierzchni, przy czym pokład węgla uległ spękaniu, a fig. 3 - schemat studzienki wstrzykującej i studzienki produkcyjnej, penetrujących podziemny pokład węgla od powierzchni, fig. 4 - sche4

188 964 mat studzienki wstrzykującej i studzienki produkcyjnej, penetrujących podziemny pokład węgla od powierzchni, przy czym pokład węgla uległ spękaniu przy studzience wstrzykującej, a fig. 5 - schematyczny wykres pięciopunktowego układu studzienki wstrzykującej i studzienek produkcyjnych.

Na fig. 1 pokazano pokład węgla 10 penetrowany od powierzchni 12 przez otwór studzienki 14. Otwór studzienki 14 zawiera osłonę 16 osadzoną w otworze studzienki 14 za pośrednictwem cementu 18. Jakkolwiek otwór studzienki 14 jest pokazany jako osłonięty, to jednak można stosować zamiennie studzienki osłonięte lub nieosłonięte. Alternatywnie, osłona 16 może sięgać w głąb lub poprzez pokład węgla 10 z perforacjami poprzez osłonę w warstwie węgla, zapewniającymi połączenie hydrauliczne z pokładem węgla od strony studzienki 14. Otwór studzienki 14 sięga do pokładu węgla 10 i zawiera rurę 20 i uszczelkę 22. Uszczelka 22 ma za zadanie zapobiegać przepływowi pomiędzy zewnętrzną średnicą rury 20 a wewnętrzną średnicą osłony 16. Otwór studzienki 14 zawiera również wyposażenie 24 do wstrzykiwania strumienia gazowego lub ciekłego do pokładu węgla 10 lub do odzyskiwania strumienia gazowego lub ciekłego z pokładu węgla 10.

Przy praktykowaniu sposobu według wynalazku, przez rurę 20 wstrzykuje się wodny roztwór utleniacza jak pokazano strzałką 26 do pokładu węgla 10 jak pokazano strzałkami 28. Obrabiane strefy są pokazane okręgami 30. Wodny roztwór utleniacza jest wstrzykiwany do pokładu węgla 10 przez wybrany czas dla wzmożenia lub stymulowania formowania się przewodnego, spójnego systemu płaszczyzn łupliwości w pokładzie węgla 10. Wodny roztwór utleniacza jest wstrzykiwany przez okres czasu i w ilości wystarczającej do zwiększenia przepuszczalności pokładu węgla 10 w strefach 30. Po wybranym czasie lub po wstrzyknięciu wybranej ilości wodnego roztworu utleniacza, studzienka zostaje zamknięta przez okres czasu który może wynosić do lub więcej niż 24 godziny. Zwykle studzienka jest zamykana aż ciśnienie w otworze studzienki powróci do ciśnienia pokładu a następnie przez przynajmniej 12 dodatkowych godzin. Alternatywnie, może upłynąć wystarczający okres obecności roztworu utleniacza w pokładzie węgla podczas wstrzykiwania wodnego roztworu utleniacza. Okres zamknięcia umożliwia migrację roztworu utleniacza do pokładu węgla 10 dla utlenienia związków zawartych w pokładzie węgla 10 dla rozbudowania systemu płaszczyzn łupliwości w pokładzie węgla 10. W następstwie okresu zamknięcia, można odzyskiwać wodę, metan lub zarówno wodę jak i metan z pokładu węgla 10 dla odwodnienia pokładu węgla w strefach 30 i produkcji metanu. Stosowane tu określenie „odwodnienie” nie oznacza całkowitego usunięcia wody z pokładu węgla 10, jednakże usunięcie ilości wody z pokładu węgla 10 wystarczającej dla otworzenia torów kanałowych systemu płaszczyzn łupliwości w pokładzie węgla 10 tak, że przez te tory kanałowe może być pobierany metan z pokładu węgla 10.

Wodny roztwór utleniacza zawiera utleniacz wybrany z grupy zawierającej przynajmniej jeden ze związków, na które składa się dwutlenek chloru i rozpuszczalne w wodzie metalowe sole nadchloranu, chloranu, nadsiarczanu, nadboranu, nadwęglanu, nadmanganianu, azotanu, i ich kombinacje. Zalecane są rozpuszczalne w wodzie sole metalowe nadchloranu, nadsiarczanu, nadboranu, chloranu, nadwęglanu, nadmanganianu, azotanu i ich kombinacje, z których szczególnie zalecane są sodowe i potasowe sole nadchloranu, chloranu, nadsiarczanu, nadboranu, nadwęglanu, nadmanganianu, azotanu i ich kombinacje. Zwykle utleniacz jest stosowany w stężeniach do poziomu granicy rozpuszczalności utleniacza w wodnym roztworze utleniacza.

Zalecane sole metalowe stanowią sole sodowe i potasowe. Utleniacze takie zostały użyte jako powodujący spękanie środek kruszący w postaci płynnego żelu do powodowania spękania pokładów zawierających węglowodór i są one dostępne przemysłowo.

W rozwiązaniu pokazanym na fig. 1 jest zastosowana pojedyncza studzienka do wstrzykiwania wodnego roztworu utleniacza dla chemicznego zwiększenia lub stymulowania powstawania systemu płaszczyzn łupliwości w strefach 30 dla spowodowania uwolnienia z pokładu wody i zwiększenia wielkości produkcji metanu z pokładu węgla 10. Określenie „zwiększenie” dotyczy zmiany w stosunku do nieobrabianego pokładu węgla.

Na fig. 2 pokazano podobne rozwiązanie z tym wyjątkiem, że pokład węgla 10 ma wytworzone spękania 32. Działanie studzienki jest zasadniczo takie same jak działanie pokazane na fig. 1 z tym wyjątkiem, że pokład węgla 10 miał uprzednio wywołane spękania lub uległ

188 964 spękaniu w wyniku oddziaływania płynu, który może zawierać wodny roztwór utleniacza przez przynajmniej część oddziaływania powodującego spękanie. Przykładowo, może być pożądane stosowanie konwencjonalnego rozbijania, jeżeli pokład węgla 10 jest wystarczająco nieprzepuszczalny, jako początkowego sposobu stymulacji, po którym stosuje się wodny roztwór utleniacza jako strumień przemywający po spękaniu. Strumień przemywający po spękaniu zwiększa przepuszczalność płaszczyzn łupliwości na obszarach kontaktujących się ze spękaniem. W takich przypadkach studzienka korzystnie jest zamknięta jak omówiono powyżej a utleniacze są wybrane spośród tych samych materiałów utleniających. Spękania są wytwarzane w pokładzie węgla 10 przed wstrzykiwaniem roztworu utleniacza. Roztwór utleniacza może w razie potrzeby zawierać płyn powodujący spękanie. Wodny roztwór utleniacza może również być w razie potrzeby wstrzykiwany powyżej lub poniżej gradientu (ciśnienia) spękania.

Na fig. 3 pokazano studzienkę wstrzykującą 34 i studzienkę produkcyjną 36, penetrujące pokład węgla 10 od strony powierzchni 12. Studzienka wstrzykująca 34 jest odsunięta od studzienki produkcyjnej 36 o odległość bazującą na właściwościach konkretnego pokładu węgla itp. Według wynalazku, opisany powyżej wodny roztwór utleniacza jest wstrzykiwany do pokładu węgla 10 przez studzienkę wstrzykującą 34 jak pokazano strzałka 26 i strzałkami 28 dla obróbki stref 30, które mogą rozciągać się od studzienki wstrzykującej 34 w kierunku zasadniczo obwodowym, lecz ogólnie przebiegają korzystnie w stronę sąsiedniej studzienki produkcyjnej 36 lub studzienek produkcyjnych. Studzienka produkcyjna 36 jest umieszczona tak, aby odciągać wodę i metal z pokładu węgla 10. Produkcja wody i metalu przez studzienkę produkcyjną 36 powoduje migrację wodnego roztworu utleniacza w stronę studzienki produkcyjnej 36. Korzystnie, wstrzykiwanie wodnego roztworu utleniacza jest kontynuowane aż w studzience produkcyjnej 36 zostanie stwierdzona zwiększona objętość wody lub aż zostanie uzyskany pożądany wzrost przepuszczalności lub wzrost objętości produkowanych płynów. Wzrost przepuszczalności lub objętości płynów produkowanych ze studzienki produkcyjnej 36 jest wskaźnikiem formowania się lub rozbudowywania płaszczyzn łupliwości w pokładzie węgla 10, z wynikowym wzrostem przepuszczalności tak, że z pokładu węgla 10 uwalniane są dodatkowe ilości płynów jak pokazano strzałkami 38 przez studzienkę produkcyjną 36 i przewód 40. Strzałki 38 są pokazane jako skierowane w stronę studzienki produkcyjnej 36 z obydwu kierunków z uwzględnieniem, że odzyskiwanie wody będzie kontynuowane z mniejszą szybkością z nieobrobionych części pokładu węgla 10.

Rozwiązanie pokazane na fig. 4 jest podobne do pokazanego na fig. 3 z tym wyjątkiem, że pokład węgla 10 uległ spękaniu tworząc pęknięcia 32. Pęknięcia 32 pokazane na fig. 2 mogą mieć zasadniczo dowolny zasięg. W przeciwieństwie do tego, w rozwiązaniu pokazanym na fig. 4, pęknięcia 32 korzystnie rozciągają się na nie więcej niż połowę odległości do studzienki produkcyjnej 36. Jeżeli pęknięcia 32 sięgają całkowicie do studzienki produkcyjnej 36, wówczas trudne będzie stosowanie dowolnego rodzaju napędu płynu lub gazu pomiędzy studzienką wstrzykującą 34 a studzienką produkcyjną 36. Korzystnie pęknięcia rozciągają się na nie więcej niż połowie odległości pomiędzy studzienką wstrzykującą 34 i studzienką produkcyjną 36. Zastosowanie wodnego roztworu utleniacza z pęknięciami 32 jest takie jak omówiono powyżej.

Na fig. 5 pokazano pięciopunktowy układ studzienek. Układy licznych studzienek, takie jak pięciopunktowe układy studzienek są przydatne w praktykowaniu sposobu według wynalazku i mogą być stosowane według powtarzającego się wzoru na dużym obszarze. Tego rodzaju układy są dobrze znane fachowcom z tej dziedziny i z tego względu będą omówione jedynie skrótowo. W układzie pokazanym na fig. 5, wodny roztwór utleniacza jest wstrzykiwany przez studzienkę wstrzykującą 34 dla obrabiania stref 30 dla zwiększenia odzyskiwania wody i metanu ze studzienek produkcyjnych 36. Gdy zostanie uzyskane pożądane uformowanie płaszczyzn łupliwości lub wzrost przepuszczalności, wykazany przez produkcję płynów ze zwiększoną wydajnością ze studzienki produkcyjnej 36, wówczas wstrzykiwanie wodnego roztworu utleniacza zostaje zatrzymane a studzienka wstrzykującą 34 może być przekształcona w studzienkę produkcyjną. Obszar produkcji będzie wówczas objęty przez początkowe studzienki produkcyjne i przekształconą studzienkę wstrzykującą. Obszary zwiększonego formowania płaszczyzn łupliwości będą powodowały zwiększanie wielkości produkcji metanu i jednocześnie odzysku metanu.

188 964

Sposób według wynalazku jest również przydatny jako wstępna obróbka przed wstrzykiwaniem gazu dla zwiększenia odzyskiwania metanu z pokładu węgla 10. Zastosowanie dwutlenku węgla, samodzielnie lub z innymi gazami, dla zwiększenia produkcji metanu z pokładu węgla, jest dobrze znane. Podobnie, dobrze znane fachowcom z tej dziedziny jest stosowanie gazów obojętnych, takich jak azot, argon i tym podobne, dla usuwania dodatkowych ilości metanu z pokładów węgla przez zwiększanie ciśnienia w pokładzie i tym samym usuwanie dodatkowego metanu, gdy maleje ciśnienie cząstkowe metanu w atmosferze w warstwie węgla. Zastosowanie takich procesów wymaga aby pokład był przepuszczalny dla przepływu gazu do lub poprzez pokład, aby można było odzyskiwać metan. Sposób według wynalazku zwiększa przepuszczalność pokładu węgla i może być stosowany przed zastosowaniem obróbki pokładu poprzez pełzanie gazu lub desorpcję gazu dla zwiększenia odzysku metanu.

Po opisaniu wynalazku w odniesieniu do niektórych zalecanych rozwiązań należy zauważyć, że omówione rozwiązania stanowią jedynie ilustrację a nie ograniczenie i że w obrębie obecnego wynalazku możliwe są rozmaite zmiany i modyfikacje. Wiele z tych zmian i modyfikacji może być traktowane jako oczywiste i pożądane przez fachowców z tej dziedziny w oparciu o powyższy opis zalecanych rozwiązań.

188 964

Fig.2.

G²⁶

C

n %

1L>

188 964

Fig.5.

188 964

Fig.1.

Ε???®

Departament Wydawnictw UP RP. Nakład 50 egz.

Cena 4,00 zł.

Claims

Zastrzeżenia patentowe

1. Sposób zwiększania wielkości produkcji metanu z podziemnego pokładu węgla penetrowanego przez przynajmniej jedną studzienkę, znamienny tym, że polega na wstrzykiwaniu wodnego roztworu utleniacza do pokładu, utrzymywaniu wodnego roztworu utleniacza w pokładzie przez wybrany okres czasu dla stymulowania formowania się płaszczyzn łupliwości w pokładzie, i produkowaniu metanu z pokładu ze zwiększoną wydajnością, oraz że roztwór utleniacza zawiera przynajmniej jeden utleniacz wybrany z grupy składającej się z dwutlenku chloru, rozpuszczalnych w wodzie metalowych soli nadchloranu, nadboranu, chloranu, nadsiarczanu, nadwęglanu, nadmanganianu i azotanu, i ich kombinacji.
2. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że rozpuszczalne w wodzie sole metalu stanowią sole sodu lub potasu.
3. Sposób według zastrz. 2, znamienny tym, że wodny roztwór utleniacza zawiera wodny roztwór przynajmniej jednej soli wybranej z nadchloranów, nadsiarczanów, nadboranów, nadwęglanów, nadmanganianów i azotanów sodu i potasu.
4. Sposób według zastrz. 1 albo 2, albo 3, znamienny tym, że wodny roztwór utleniacza wstrzykuje się do pokładu przez pierwszą studzienkę, następnie pierwszą studzienkę zamyka się na wybrany okres czasu, po czym metan produkuje się z pierwszej studzienki ze zwiększoną wydajnością.
5. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że pokład poddaje się spękaniu rozchodzącemu się od studzienki przed wstrzyknięciem wodnego roztworu utleniacza.
6. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że wodny roztwór utleniacza zawiera płyn powodujący spękanie, przy czym wstrzykuje się go w warunkach sprzyjających spękaniu.
7. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że wodny roztwór utleniacza utrzymuje się w pokładzie przez przynajmniej 24 godziny.
8. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że utleniacz stosuje się w ilości granicy rozpuszczalności utleniacza w wodzie.
9. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że wstrzykuje się wodny roztwór utleniacza do pokładu przez studzienkę wstrzykującą i produkuje się metan z pokładu przez studzienkę produkcyjną.