DE19703448C2

DE19703448C2 - Chemisch herbeigeführte Anregung der Kohle-Rissausbildung

Info

Publication number: DE19703448C2
Application number: DE19703448A
Authority: DE
Inventors: Walter C Riese; Stephen V Bross
Original assignee: Vastar Resources Inc
Current assignee: Vastar Resources Inc
Priority date: 1996-01-31
Filing date: 1997-01-30
Publication date: 2000-02-17
Anticipated expiration: 2017-01-31
Also published as: US5669444A; IN191373B; GB2309719A; CN1082605C; PL185041B1; AU1241297A; PL318207A1; DE19703448A1; ZA97789B; CN1165236A; EA199700009A1; GB2309719B; CA2196369A1; EA000054B1; GB9701833D0; CA2196369C; UA45348C2

Description

Die Erfindung betrifft Verfahren zur Steigerung der Methan-Produktionsrate aus unterirdischen Kohleformationen durch chemische Anregung des Risssystems in der Kohleformation zur Steigerung der Produktionsrate von Methan aus der Kohleforma tion gemäß den Ansprüchen 1, 7 und 14.

In unterirdischen Kohleformationen sind beträchtliche Mengen an Methangas zu finden.

Bei Versuchen, das Methan wirksamer aus den Kohleformationen zu gewinnen, sind verschiedene Verfahren angewandt worden.

Das einfachste Verfahren ist das Druckreduktionsverfahren, bei dem ein Bohrloch von der Oberfläche aus in eine Kohleformation eingebohrt und das Methan durch das Reduzieren des Druckes aus dem Bohrloch abgezogen wird, damit das Methan von der Kohleformation desorbiert wird und in das Bohrloch und zur Oberfläche strömt. Dieses Verfahren ist nicht effizient, weil Kohleformationen im allgemeinen nicht hochgradig porös sind und das Methan im allgemeinen nicht in den Hohlräumen der Kohleformation zu finden ist, sondern auf der Kohle absorbiert. Während Methan durch dieses Verfahren aus Kohleformationen produziert werden kann, läuft die Methanproduktion doch relativ langsam ab.

In einigen Kohleformationen reicht die natürliche Permeabilität aus, um das Entfernen von Wasser an Ort und Stelle zu erlauben, und die verbesserte Gewinnung von Methan zu gestatten. In solchen Formationen stellen Risssysteme, die sich während der Diagenese des Kohlebetts entwickeln, Kanalbahnen zur Verfügung, durch welche Wasser und Methan zur Entfernung zu den Produktionsschächten wandern. Diese Entfernung des Wassers oder das "Entwässern" der Kohleformationen entfernt Wasser aus den Kanalbahnen und gestattet die Strömung des Methans durch die Kanalbahnen und zu einem Produktionsschacht bei einer größeren Rate.

Viele Kohleformationen haben keine extensiv entwickelten Risssysteme, oder sie haben Risssysteme, die nicht vollständig entwickelt sind. Diese Kohleformationen haben eine sehr geringe Wasserpermeabilität und bringen ihr Wasser nicht bei merk lichen Raten hervor. Als Resultat hiervon füllt das Wasser die Kanäle und die Gewin nung des Methans aus solchen Kohleformationen bei bedeutenden Raten ist schwierig oder unmöglich.

Demgemäß sind fortschreitende Anstrengungen auf die Entwicklung von Verfahren zur Methangewinnung aus solchen Kohleformationen bei gesteigerten Raten gerichtet worden.

Gemäß der vorliegenden Erfindung wird die Methan-Gewinnungsrate aus solchen Wasser enthaltenden unterirdischen Kohleformationen gesteigert durch das Positionie ren mindestens eines Schachtes von der Oberfläche in die Kohleformation; das Einspritzen einer wäßrigen Oxidationsmittellösung in die Kohleformation; das Halten der wäßrigen Oxidationsmittellösung in der Kohleformation für eine gewählte Zeit spanne, um die Ausbildung oder Vergrößerung eines Risssystems in der Kohlefor mation anzuregen; und das Produzieren von Methan aus der Kohleformation bei einer gesteigerten Rate.

Die wäßrige Oxidationsmittellösung kann Wasserstoffperoxid, Ozon, Sauerstoff und deren Kombinationen aufweisen.

Die Methan-Produktionsrate aus Wasser enthaltenden unterirdischen Kohleformatio nen, die von mindestens einem Einspritzschacht und mindestens einem Produktions schacht durchdrungen sind, wird gesteigert durch

a) das Einspritzen einer wäßrigen Oxidationsmittellösung in die Kohle formation durch den Einspritzschacht und
b) die Produktion von Methan aus der Kohleformation durch den Produk tionsschacht bei einer gesteigerten Rate.

Die Erfindung wird im folgenden anhand von Ausführungsbeispielen unter Be zugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen näher erläutert.

Fig. 1 ist eine schematische Darstellung eines Schachtes, der eine unterirdische Kohleformation von der Oberfläche her durchdringt.

Fig. 2 ist eine schematische Darstellung eines Schachtes, der eine unterirdische Kohleformation von der Oberfläche her durchdringt, wobei die Kohleformation gerissen worden ist.

Fig. 3 ist eine schematische Darstellung eines Einspritzschachtes und eines Produktionsschachtes, die eine unterirdische Kohleformation von der Oberfläche her durchdringen.

Fig. 4 ist eine schematische Darstellung eines Einspritzschachtes und eines Produktionsschachtes, die eine unterirdische Kohleformation von der Oberfläche her durchdringen, wobei die Kohleformation von dem Einspritzschacht aus gerissen worden ist.

Fig. 5 ist ein schematischer Entwurf eines Musters eines 5-Stellen-Einspritz- und Produktionsschachtes.

Bei der Erörterung der Figuren werden dieselben Bezugszeichen immer dazu verwen det werden, dieselben oder ähnliche Bauteile zu benennen.

In Fig. 1 ist eine Kohleformation 10 gezeigt, die von einer Oberfläche 12 aus durch eine Schachtbohrung 14 durchdrungen wird. Die Schachtbohrung 14 umfaßt eine Umhüllung 16, die mittels Beton bzw. Zement 18 in der Schachtbohrung 14 positio niert ist. Alternativ könnte die Umhüllung 16 sich in die Kohleformation 10 oder durch diese hindurch mit Perforationen durch die Umhüllung in den Kohleflötz erstrecken, die eine Fluidverbindung mit der Kohleformation von der Umhüllung 16 her zur Verfügung stellen. Die Schachtbohrung 14 erstreckt sich in die Kohleforma tion 10 und umfaßt eine Röhre 20 und ein Dichtungsstück 22. Das Dichtungsstück 22 wird angeordnet, um eine Strömung zwischen dem Außendurchmesser der Röhre 20 und dem Innendurchmesser der Umhüllung 16 zu verhindern. Die Schachtbohrung 14 umfaßt ebenfalls ein Gerät 24, das dazu angepaßt ist, einen gasförmigen oder flüssigen Strom in die Kohleformation 10 einzuspritzen, oder dazu, einen gasförmigen oder flüssigen Strom aus der Kohleformation 10 rückzugewinnen.

In der Praxis der vorliegenden Erfindung wird eine wäßrige Oxidationsmittellösung, wie durch den Pfeil 26 gezeigt, durch die Röhre 20 in die Kohleformation 10, wie durch die Pfeile 28 gezeigt, eingespritzt. Die behandelten Zonen werden durch die Kreise 30 angezeigt. Die wäßrige Oxidationsmittellösung wird für eine bestimmte Zeitspanne in die Kohleformation 10 eingespritzt, um die Ausbildung eines Riss systems in der Kohleformation 10 anzuregen oder dieses zu vergrößern. Die wäßrige Oxidationsmittellösung wird über eine Zeitspanne und mit einer Menge eingespritzt, die für ausreichend gehalten wird, um die Permeabilität der Kohleformation in den Zonen 30 zu steigern. Nach einer gewählten Zeitspanne oder nachdem eine gewählte Menge der wäßrigen Oxidationsmittellösung eingespritzt worden ist, wird der Schacht über eine Zeitspanne geschlossen, die länger sein kann als 24 h. Typischerweise wird der Schacht geschlossen, bis der Druck in der Schachtbohrung auf den Formations druck zurückkehrt und danach noch für mindestens 12 zusätzliche Stunden. Die Einschluß-Zeitspanne gestattet die Migration der oxidationsmittelhaltigen Lösung in die Kohleformation 10, um Bestandteile der Kohleformation 10 zu oxidieren, um das Risssystem in der Kohleformation 10 zu vergrößern. Nach der Einschluß-Zeitspanne wird Wasser aus der methanhaltigen Kohleformation gewonnen, um die Kohleformation in den Zonen 30 zu entwässern. Der Ausdruck "Entwässern", wie er hierin verwendet wird, betrifft nicht die vollständige Entfernung des Wassers aus der Kohleformation 10, sondern die Entfernung von ausreichend Wasser aus der Kohle formation 10, um Durchgangswege im Risssystem in der Kohleformation 10 so zu öffnen, daß Methan durch die Durchgangswege aus der Kohleformation 10 produziert werden kann.

Die wäßrige Lösung kann ein Oxidationsmittel enthalten, das aus der Gruppe ausge wählt wird, welche aus Wasserstoffperoxid, Ozon, Sauerstoff und deren Kombinatio nen besteht. Typischerweise wird das Oxidationsmittel in Konzentrationen verwendet, die kleiner oder gleich 10 Vol.-% der wäßrigen Oxidationsmittellösung sind. Wenn Wasserstoffperoxid verwendet wird, sind die Konzentrationen wünschenswerterweise bis zu etwa 10 Vol.-% der Lösung, wobei Konzentrationen von 5 bis 10% vor zuziehen sind. Wenn Hypochlorit verwendet wird, werden Konzentrationen bis zu 5 Vol.-% verwendet.

Bei der in Fig. 1 gezeigten Ausführungsform wird ein einzelner Schacht zur Ein spritzung der wäßrigen Oxidationsmittellösung zur chemischen Vergrößerung oder Anregung der Ausbildung eines Risssystems in den Zonen 30 verwendet, was in der Freisetzung von Formationswasser und in einem Anstieg bei der Methanproduktions rate aus der Kohlenformation 10 resultiert.

In Fig. 2 ist eine ähnliche Ausführungsform gezeigt, mit der Ausnahme, daß die Kohleformation 10 durch Risse 32 gerissen worden ist. Der Betrieb des Schachtes ist grundsätzlich derselbe, wie derjenige in Fig. 1, mit der Ausnahme, daß die Kohleformation 10 vorher gerissen worden ist oder durch ein Fluid gerissen wird, welches die wäßrige Oxidationsmittellösung aufweisen kann, und zwar während zumindest eines Teils der Risstätigkeit. Es könnte zum Beispiel wünschenswert sein, ein herkömmliches Rissverfahren als anfängliches Anregungssverfahren zu verwenden, gefolgt durch die wäßrige Oxidationsmittellösung als Nachriss-Spülung, wenn die Kohleformation 10 ausreichend undurchlässig ist. Die Nachriss-Spülung vergrößert die Risspermeabilität über den gesamten Bereich, der mit dem Riss in Kontakt ist. Bei solchen Fällen wird der Schacht wünschenswerterweise, so wie vorher erörtert, eingeschlossen und die Oxidationsmittel werden aus denselben Oxidationsmittelmaterialgruppen ausgewählt, wie sie vorher erörtert wurden. Die Risse werden vor der Einspritzung der Oxidationsmittellösung in der Kohleformation 10 ausgebildet. Die Oxidationsmittellösung könnte, wenn erwünscht, das Rissfluid enthalten.

In Fig. 3 durchdringen ein Einspritzschacht 34 und ein Produktionsschacht 36 die Kohleformation 10 von der Oberfläche 12 her. Der Einspritzschacht 34 ist vom Produktionsschacht 36 mit einer Distanz beabstandet, die auf den Eigenschaften der einzelnen Kohleformation und auf ähnlichem basiert. Gemäß der vorliegenden Erfindung wird die oben beschriebene wäßrige Oxidationsmittellösung in die Kohle formation 10 durch den Injektionsschacht 34 so, wie durch den Pfeil 26 und die Pfeile 28 gezeigt, eingespritzt, um die Zonen 30 zu behandeln, welche sich von dem Injektionsschacht 34 in einer im allgemeinen kreisumrißförmigen Richtung erstrecken, sich aber vorzugsweise in Richtung eines nahen Produktionsschachtes oder naher Produktionsschächte erstrecken. Der Produktionsschacht 36 wird positioniert, um Wasser und Methan aus der Kohleformation 10 zu ziehen. Die Produktion von Wasser und Methan durch den Produktionsschacht 36 bewirkt, daß die wäßrige Oxidationsmittellösung in Richtung des Produktionsschachtes 36 wandert. Wün schenswerterweise wird die Einspritzung der wäßrigen Oxidationsmittellösung fortge setzt, bis ein gesteigertes Wasservolumen im Produktionsschacht 36 erfaßt wird, oder bis zur Erfassung einer Einspritzungs-"Kennzeichnungs"-Substanz, die das Vorhan densein einer Menge der wäßrigen Oxidationsmittellösung im Produktionsschacht 36 anzeigt. Der Anstieg der Wassermenge, die aus dem Produktionsschacht 36 gefördert wird, zeigt die Ausbildung oder Vergrößerung der Risse in der Kohleformation 10 mit einer resultierenden Steigerung der Permeabilität an, so daß zusätzliche Mengen an Wasser aus der Kohleformation 10 zur Produktion freigesetzt werden, wie durch die Pfeile 38 durch den Produktionsschacht 36 und eine Linie 40 gezeigt ist. Die Pfeile 38 werden aus beiden Richtungen auf den Produktionsschacht 36 hin gerichtet gezeigt, und zwar unter der Annahme, daß Wasser weiterhin mit einer geringeren Rate aus unbehandelten Abschnitten der Kohleformation 10 herausgeholt wird.

Die in Fig. 4 gezeigte Ausführungsform ähnelt derjenigen, die in Fig. 3 gezeigt ist, mit der Ausnahme, daß die Kohleformation 10 durch Risse 32 gerissen worden ist. Die Risse 32 in der in Fig. 2 gezeigten Ausführungsform können von im wesentlichen jedweder Ausdehnung sein. Im Gegensatz hierzu erstrecken sich, bei der in Fig. 4 gezeigten Ausführungsform, die Risse 32 wünschenswerterweise nicht weiter als bis zur Hälfte der Strecke zum Produktionsschacht 36. Es ist klar, daß, wenn die Risse 32 sich vollständig in den Produktionsschacht 36 hineinstrecken, es schwierig sein wird, irgendeine Art von Fluid- oder Gastrieb zwischen dem Injektionsschacht 34 und dem Produktionsschacht 36 zu verwenden. Wünschens werterweise erstrecken sich die Risse nicht weiter als über die halbe Distanz zwischen dem Injektionsschacht 34 und dem Produktionsschacht 36. Die Verwendung der wäßrigen Oxidationsmittellösung bei den Rissen 32 ist diejenige, die vorher erörtert wurde.

Die flüssige Oxidationsmittellösung umfaßt eine Lösung aus Wasserstoffperoxid (H₂O₂), Ozon-(O₃)Lösungen oder mit Sauerstoff (O₂) gesättigtes Wasser. Von diesen Materialien werden Lösungen aus Peroxid und Ozon bevorzugt, weil sie eher in den relativ hohen Volumina hergestellt werden, die auf diesem Gebiet erforderlich sind. Von diesen werden Wasserstoffperoxid und Ozon bevorzugt, weil sie nur Wasserstoff und Sauerstoffkomponenten in die Kohleformation 10 einbringen. Konzentrationen des Wasserstoffperoxids und des Ozons von bis zu 10 Vol.-% sind geeignet, obwohl Lösungen bevorzugt werden, die weniger als ungefähr 5 Vol.-% enthalten.

In Fig. 5 wird eine Schachtanordnung mit 5 Stellen (5-spot well arrangement) gezeigt. Solche Schachtanordnungen sind in der Praxis der vorliegenden Erfindung nützlich und können in einem immer wieder auftretenden Muster über eine weite Fläche verwendet werden. Solche Anordnungen sind Fachleuten wohlbekannt und werden nur kurz erörtert werden. Bei der Anordnung, die in Fig. 5 gezeigt ist, wird die wäßrige Oxidationsmittellösung durch den Einspritzschacht 34 eingespritzt, um die Zonen 30 zu behandeln, um die Förderung von Wasser und Methan aus den Produktionsschächten 36 zu verbessern. Wenn ein Durchbruch der wäßrigen Oxida tionsmittellösung stattfindet, was durch das Fördern von Wasser und Methan mit einer gesteigerten Rate aus den Produktionsschächten 36 nachgewiesen wird, wird die Einspritzung der wäßrigen Oxidationsmittellösung gestoppt, und der Einspritzschacht 34 kann zu einem Produktionsschacht umgewandelt werden. Der Bereich würde dann durch die ursprünglichen Produktionsschächte und den umgewandelten Einspritz schacht entwässert. Die Bereiche erhöhter Rissausbildung werden den Entwässe rungprozeß beschleunigen und die Methanproduktionsraten und die letztendliche Methangewinnung steigern.

Das Verfahren der vorliegenden Erfindung ist ebenfalls als Vorbehandlung für Gaseinspritzbehandlungen zur Steigerung der Gewinnung von Methan aus der Kohle formation 10 nützlich. Die Verwendung von Kohlendioxid, entweder alleine oder mit anderen Gasen, zur Steigerung der Produktion von Methan aus Kohleformationen ist wohlbekannt. Gleichermaßen ist die Verwendung von Inertgasen, wie zum Beispiel Stickstoff, Argon und ähnlichen, zur Entfernung zusätzlicher Mengen an Methan aus Kohleformationen durch Steigerung des Drucks in der Formation und dadurch das Entnehmen zusätzlichen Methans, wenn der Methan-Partialdruck in der Atmosphäre im Kohleflöz verringert wird, Fachleuten wohlbekannt. Die Verwendung solcher Verfahren erfordert, daß die Formation für Gasströme in die Formation hinein oder durch sie hindurch permeabel ist, so daß das Methan gewonnen werden kann. Das Verfahren der vorliegenden Erfindung steigert die Permeabilität von Kohlenformatio nen und kann vor dem Einsatz einer Gasspülung oder vor Gasdesorptionsbehandlungen verwendet werden, um die Methangewinnung zu verbessern.

Während damit die vorliegende Erfindung mit Bezug auf bestimmte ihrer bevorzugten Ausführungsformen beschrieben worden ist, ist zu bemerken, daß die erörterten Ausführungsformen von illustrierender, nicht beschränkender Natur sind, und daß viele Variationen und Modifikationen innerhalb des Umfangs der vorliegenden Erfindung möglich sind. Viele dieser Variationen und Modifikationen mögen von Fachleuten, basierend auf einer Durchsicht der vorhergehenden Beschreibung bevor zugter Ausführungsformen, für offensichtlich und wünschenswert gehalten werden.

Claims

1. Verfahren zur Steigerung der Methan-Permeabilität einer Wasser enthaltenden unterirdischen Kohleformation mit einer geringen Methan-Permeabilität, in die mindestens ein Schacht eindringt, wobei das Verfahren im wesentlichen folgende Schritte umfaßt:

a) das Einspritzen einer wäßrigen Oxidationsmittellösung in die Kohleformation;
b) das Halten der wäßrigen Oxidationsmittellösung in der Kohleformation für eine bestimmte Zeitspanne, um die Ausbildung von Rissen in der Kohleformation zu verbessern oder anzuregen; und
c) das Fördern bzw. Entnehmen von Methan aus der Kohleformation bei einer gesteigerten Rate.

2. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem die wäßrige Oxidationsmittellösung durch einen ersten Schacht in die Kohleformation eingespritzt wird; der erste Schacht für eine gewählte Zeitspanne geschlossen wird; und danach Methan aus dem ersten Schacht bei einer gesteigerten Rate gefördert wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, bei dem die Kohleformation vor der Einspritzung der wäßrigen Oxidationsmittellösung durch Risse gerissen worden ist, die sich von dem Schacht aus erstrecken.

4. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, bei dem die wäßrige Oxidationsmittellösung ein Rissfluid umfaßt.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, bei dem die wäßrige Oxidations mittellösung mindestens 24 h lang in der Kohleformation gehalten wird.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, bei dem ausreichend Wasser aus der Kohleformation entfernt wird, um Durchgangswege im Risssystem in der Kohlefor mation zu öffnen.

7. Verfahren zur Steigerung der Methan-Permeabilität aus einer Wasser enthaltenden unterirdischen Kohleformation mit geringer Methan-Permeabilität, in die mindestens ein Einspritzschacht und mindestens ein Produktionsschacht eindringt, wobei das Verfahren im wesentlichen umfaßt:

a) Einspritzen einer wäßrigen Oxidatonsmittellösung in die Kohleformation durch den Einspritzschacht;
b) Halten der wäßrigen Oxidationsmittellösung in der Kohleformation für eine bestimmte Zeitspanne, um die Ausbildung von Rissen in der Kohleformation anzuregen; und
c) Fördern bzw. Entnehmen von Methan aus der Kohleformation durch den Produktionsschacht bei einer gesteigerten Rate.

8. Verfahren nach Anspruch 7, bei dem die wäßrige Oxidationsmittellösung solange in die Kohleformation eingespritzt wird, bis Wasser aus dem Produktionsschacht bei einer gesteigerten Rate gewonnen wird.

9. Verfahren nach Anspruch 7 oder 8, bei dem ausreichend Wasser durch den Pro duktionsschacht gefördert wird, um Durchgangswege im Risssystem in der Kohle formation zu öffnen.

10. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die wäßrige Oxidationsmittellösung eine wäßrige Lösung eines Oxidationsmittels umfaßt, das ausgewählt wird aus Wasserstoffperoxid, Ozon, Sauerstoff und deren Kombinationen.

11. Verfahren nach Anspruch 10, bei dem das Oxidationsmittel ausgewählt wird aus Wasserstoffperoxid und Ozon.

12. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die wäßrige Oxidationsmittellösung bis zu ungefähr 10 Vol.-% des Oxidationsmittels enthält.

13. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 12, bei dem die wäßrige Oxidations mittellösung bis zu ungefähr 5 Vol.-% des Oxidationsmittels enthält.

14. Verfahren zur Steigerung der Methanproduktion aus einer Wasser enthaltenden unterirdischen Kohleformation, in die mindestens ein Einspritzschacht und mindestens ein Produktionsschacht eindringt, wobei das Verfahren umfaßt:

a) Einspritzen einer wäßrigen Oxidationsmittellösung in die Kohleformation durch den Einspritzschacht, um die Ausbildung von Rissen in der Kohleformation zu verbessern oder anzuregen, bis Wasser bei einer gesteigerten Rate aus dem Produktionsschacht gefördert wird, und
b) Fördern bzw. Entnehmen von Methan aus der Kohleformation bei einer gesteigerten Rate.