[发明专利]回收煤层甲烷的方法

说明书

本发明一般涉及从固体碳质地下层生产含甲烷的气体混合物的方法。更具体地说，本发明涉及把含氧气体例如空气分离成贫氧物流和富氧物流，利用贫氧物流从地层生产含甲烷气体，及富氧气体与可以氧化的反应物例如甲烷或者此处定义的由甲烷得到的反应物反应的方法。

甲烷是由使有机物质转化成象煤和页岩这样的多种固体碳质地下物质的热过程和生物过程产生的。碳质固体和甲烷分子之间的相互吸引，常常使大量甲烷仍然与水和少量其它气体一起，被截留在该碳质固体中，所述其它气体可以包括氮气、二氧化碳、各种轻质烃、氩和氧。当截留的固体是煤时，可以从煤中得到含甲烷的气体混合物，其一般至少含约95％(体积)甲烷并且被称做‘煤层甲烷’。全世界煤层甲烷的储量是巨大的。

煤层甲烷已经成为天然气组成中的甲烷的重要来源。一般，通过在有生成煤层的一层或多层含甲烷煤层的地下煤层中钻井来回收煤层甲烷。周围的煤层压力(‘储藏压力’)和井筒之间的压差提供使煤层甲烷流进井筒的驱动力。因为周围的煤层压力降低，甲烷就从煤上解吸。遗憾地是，这个压力减少也减少使甲烷流进井筒所需的驱动力。从而，随着时间的推移，煤层压力消耗使效力变小，一般认为只能够回收其中所含甲烷的约35-50％。

在Puri等人的U.S.P 5,014,785中公开了一种生产煤层甲烷的改进方法。在这个方法中，解吸甲烷的气体例如惰性气体通过注入井注入象煤层这样的固体碳质地下层中。同时，从生产井中回收含甲烷气体。解吸气，优选的是氮气，减少煤层压力的消耗，认为其通过减少该层中甲烷的分压而使甲烷从煤层中解吸出来。近来的试验证明，这个方法使煤层甲烷的生产率增加，认为可回收的甲烷的总量可高达80％以上。

在上述的U.S.P 5,014,785中，Puri等人也公开了可以把空气注入到固体碳质地下层中来增加甲烷的产量。但是把含氧的气体例如空气注入到煤层中可能存在几个操作问题。例如，氧的存在可能导致或者增加过程设备例如泵、压缩机和井套管的有关腐蚀问题。另外，把含氧的流体加到注入井中可能在注入井形成爆炸或者可燃气体混合物，如果氮气这样的气体注入到井中就不会产生这样的问题。在把空气注入到地层例如煤层之前，把空气的氧含量降低，可以把这些潜在的问题减少到最少。在Puri等人的U.S.P 5,133,406中公开了一个这样的用减少氧含量的物流操作的例子。该U.S.P5,133,406专利公开了在把空气注入到煤层之前通过把空气和燃料源例如生产的甲烷输入到燃料电池动力系统产生电并且形成含有贫氧的空气的燃料电池废气来减少空气的氧含量。

虽然上述的方法提供改进的从固体碳质地下层回收含甲烷的过程物流的方法，但是该需要的贫氧物流的生产是昂贵的，并且在某些情况下可能使该方法不经济。

在某些情况下，上述的方法可能也是不经济的，因为甲烷可能在通过天然气管道输送或者作其它用途前，注入的气体的气体组分例如氮气必须与回收的甲烷分离。

所需要的是从固体碳质地下层中回收甲烷的改进的方法，该方法要把生产贫氧注入剂的经济影响减少到最小。优选的是，该方法也应该减轻对从煤层除去的含甲烷的混合物中除去注入的贫氧气体的需要。

本发明的第一个方面涉及生产含甲烷气体的方法和利用该方法得到的富氧气体物流的方法，该方法包括把含至少10％(体积)氧的气体混合物用物理分离方法分离成贫氧物流和富氧物流的步骤；通过与固体碳质地下层连通的注入井把贫氧物流注入到地层；从与固体碳质地下层流体连通的生产井回收含甲烷的气体组合物；和至少部分富氧物流与含有至少一种可以氧化的反应物的反应物物流反应。

此处所用的术语“固体碳质地下层”指的是位于地表面以下通过有机物的热解和生物降解产生的任何基本上固体的含有甲烷的物质。固体碳质地下层包括煤层和页岩层，但是不限于此。

此处所用的术语“反应的”指的是富氧物流和第二过程物流的任何反应。这些反应的例子包括(但是不限于此)燃烧以及其它的化学反应，该其它的化学反应包括重整过程例如甲烷转化成合成气的蒸汽重整、氧化化学过程例如乙烯转化成环氧乙烷和此处所述的氧化偶合过程。

此处所用的术语“可氧化的反应物”意思是任何可以与氧进行化学反应的有机或者无机反应物。例如，可氧化的反应物包括可以与氧化学结合的物质，其通过氧的作用可以脱氢，或者是其它含有在与氧相互作用的正向反应中价态增加的元素的物质。

此处所用的术语“有机反应物”意思是任何的含碳和氢的化合物，不管其存在杂原子例如氮、氧和硫与否。其例包括(但不限于此)甲烷和其它用作燃料或者转化成其它有机产品的原料的烃类。