專利名稱：用于處理煤層中的二氧化碳，同時從煤層中回收甲烷的方法
技術領域：
本發明涉及用固體含碳地下巖層的性能，預先吸收氣體，以利分離地層中的混合氣體，并處理強烈吸收地層中的氣體的方法。
許多工業處理排放的氣流中含有各種混合氣體。人們愈來愈關心一些流出氣流的組分可能造成重大的環境問題，因此這些氣流將不能釋放到大氣中。二氧化碳是一種從工業處理中釋放出來的許多流出氣流中的一種組分化合物，并且進入大氣中的二氧化碳正引起人們愈來愈高的重視。
假定進入大氣中的二氧化碳作為一種溫室氣體，一旦大氣中的溫室氣體濃度太高將會使地球變暖。根據這種可能的跡象，各國政府已制定或計劃制定條例，以限制能釋放到大氣中的二氧化碳的量。這些條例能夠妨礙許多工業，這是因為任一烴類燃料與空氣的燃燒會產生一種含有二氧化碳、氮、和其它氣體燃燒物的廢氣。
引起烴類與氧氣或空氣燃燒的混合氣體在后面稱為“廢氣”。廢氣的化學成份由許多因素來決定，這些因素包括但不限于燃燒的烴類，燃燒過程中氧氣與燃料的比例和燃燒溫度。除二氧化碳和氮之外，廢氣中還可能含有象一氧化碳、氧化硫、氧化氮、和其它組分的化合物。這些釋放到大氣中的化合物不但受到更多的公眾檢查的影響，而且還是增加管理條例的對象。
除了是烴類燃燒產品，通過自然過程也能產生二氧化碳，并在非燃燒過程中釋放到環境中。例如，二氧化碳是由熱和生物過程所產生的，認為這些過程形成了烴類物質，如石油、天燃氣或煤。通常用這些烴類物質生產二氧化碳，并經過后面的加工步驟將其排放到大氣中。
有幾種市場上能得到的可以使用的用于除去氣流中的二氧化碳的設備。最常用方法之一是使用一種選擇性胺吸收液，將二氧化碳從氣流中除去。遺憾的是這種設備將不允許大顆粒或氧化硫。顆粒將引起阻塞、污染和腐蝕或處理過程中的腐蝕，同時氧化硫，如二氧化硫(SO2)與該方法中所使用的胺溶液發生不可逆反應，從而生成不可再生的副產品。因此，如果存在顆粒或氧化硫，那么在從氣流中除去二氧化碳之前，需要另外的工藝步驟將氧化硫和顆粒除去。這些額外的工藝步驟增加了該設備的復雜程度和成本。
對大氣中的釋放的二氧化碳和其它化合物越來越引起人們的重視，需要處理這些化合物的方法。由于這些廢棄的化合物常是部分體積較大的流出氣流的組分，因此最好的處理方法是設法利用較大的流出氣流來提高整個過程中的效率，并且或使用該方法，除了保證處理其中含有的二氧化碳之外，便于回收有價值的產品。
最好是該方法既能處理二氧化碳，也能處理其它的雜質，而不需要使用一道工序來處理二氧化碳，和另一道分離工序步驟來處理其它的雜質，如氧化硫和氧化氮。
正如這里所使用的，下列術語具有以下含義(a)“吸附物”是指部分混合氣態流體，該氣態流體優先被固體含碳地下巖層中的含碳礦脈所吸附，并且當巖層中的總壓力下降時，能從該巖層中回收該氣態流體；(b)“層理”或“層理體系”是固體含碳地下巖層中裂縫的自然體系；(c)“煤層”包括一個或多個彼此流體連通的煤層；(d)“解吸流體”是包括任何流體或混合流體，所述流體能夠使甲烷從固體含碳地下巖層中解吸；(e)“巖層斷裂壓力”和“斷裂壓力”意指打開巖層并在巖層中擴展誘導的裂縫的壓力；(f)“裂縫半長度”是沿裂縫測得的距離，即從鉆井到裂縫頂的距離；(g)“優先吸附”、“優先吸著”和“優先吸附作用”指的是固體含碳地下巖層內發生的過程，該巖層改變氣態流體組分的相對比例。此過程通過平衡分離、動力分離、立體分離，和/或任何其它物理或化學過程或這些過程的結合，可以改變氣態流體組分的相對比例，在固體含碳地下巖層內，這些過程將有選擇地改變流體混合物組分的相對比例。在巖層中，吸附在巖層中的含碳物質上的氣體將被富集在較強的吸附流體組分中；(h)“殘液”指的是注入到堅硬含碳地上巖層中的部分氣態流體混合物，它優先不是由巖層吸收的；(i)“回收”的意思是一種所控制的流體的收集和/或處理，如將流體儲存在罐中或將流體經管道進行分配。“回收”特別是要隔斷流體進入大氣中的通道；(j)“儲層壓力”意思是在封井過程中，在井附近的生產巖層的壓力。儲層壓力能夠通過巖層改變。另外，巖層中的儲層壓力在解吸流體被注入到巖層中，并從該巖中產生流體時，在整個過程中都可以改變。
(k)“固體含碳地下巖層”指的是任何基本上堅硬含碳、含甲烷的物質，它處在地表以下。相信這些含甲烷材料通過有機物質的熱解和生物降解可以獲得。固體含碳地下巖層包括，但不僅僅限于煤層和其它的象antrium、含碳的和泥盆系頁巖這樣的含碳的地層。本發明所采用的地層包括可回收的甲烷較少的地層。
(l)“吸附”指的是一個過程，通過該過程氣體由含碳物質如煤包含著，這些含碳物質有許多微孔。含在含碳物質微孔中的氣體呈冷凝相或類液相，或者該氣體可以通過化學方式結合到含碳物質上；和(m)“井距”或“間距”是指各生產井和注入井、單獨井之間的距離。該距離是在鉆井貫穿有價值的地層的地方所測得。
本發明的一個目的是提供一種用于在固體含碳地下巖層內分離氣態流體混合物的方法。
本發明的另一個目的是提供一種用于處理強吸附在固體含碳地下巖層中的流體的方法。
本發明還有一個目的是提供一種用于處理固體含碳地下巖層中的二氧化碳的方法。
本發明還有一個目的是提供一種用于處理固體含碳地下巖層中的二氧化碳，同時從該巖層中回收甲烷的方法。
本發明另一目的是提供一種用于分離固體含碳地下巖層內的含有較強吸附流體和較弱的吸附流體的混合氣體，并用于回收富集于來自巖層的較弱吸附流體上的氣態流體的方法。
本發明還有另一目的是利用所回收的富集在較弱吸附流體中的氣態流體，以提高從固體含碳地下巖層中回收甲烷的量。
本發明還有一個目的在于提供一種用于處理已至少部分貧化的可回收的甲烷的固體含碳地下巖層內的不良氣態流體的方法。
本發明還有一個目的在于提供一種用于處理固體含碳地下巖層內的廢氣的方法。
本發明的上述目的通過以下諸方面來實現。
本發明的第一個方面是一種分離煤層中的氣態流體混合物的方法，該方法包括下列步驟；a)將含有弱吸附流體成份和強吸附流體組分的氣態流體混合物導入煤層；和b)從煤層中回收富集在弱吸附流體組分中的殘液。
在本發明的第二個方面中，公開了一種用于從由一個注入井和一個生產井所穿透到的固體含碳地下巖層中回收甲烷的方法，該方法包括下列步驟a)將具有與A相同體積百分比的二氧化碳的解吸流體通過注入井注入到固體含碳地下巖層中；b)從生產井中回收包含甲烷的流體；c)檢測步驟(b)中所產生的流體的成分；和d)當步驟(b)中所回收的流體中的二氧化碳的體積比大于0.5A時，則停止回收步驟(b)中所產生的流體。
在本發明的第三個方面中，公開了一種用于從由一個注入井和一個生產井所穿透到的固體含碳地下巖層中回收甲烷的方法，該方法包括下列步驟a)通過注入井，將具有的二氧化碳與其它所注入的解吸流體組分的體積比等于B的解吸流體注入到固體含碳地下巖層中；b)從生產井中回收含有所注入的解吸流體和甲烷的流體；c)檢量二氧化碳與其它所注入的包含在生產井中所回收的流體中的解吸流體組分的體積百分比；和d)當在生產井中所回收的二氧化碳與其它所注入的解吸流體的組分的體積比大于0.5B和從生產井回收得到至少70％的甲烷時，停止從生產井中回收流體。
在本發明的第四方面中，公開了一種用于處理固體含碳地下巖層內的二氧化碳的方法，該方法包括下列步驟a)將具有的二氧化碳與其它所注入的解吸流體組分的體積百分比等于B的吸附流體注入到固體含碳地下巖層中；b)將具有的二氧化碳與其它解吸流體的體積百分比小于B的氣態流體從巖層中抽出；和c)當步驟(b)所抽出的氣態流體中的二氧化碳與其它所注入的吸附流體組分的體積比大于0.5時，停止從巖層中抽吸氣態流體。
在本發明的第五方面中，所公開的是一種用于處理固體含碳地下巖層內的不良氣態流體組分的方法，該方法包括下列步驟a)將含有不良氣態流體組分的氣態流體導入巖層，以便將不良氣態流體組分吸附到巖層中；和b)在巖層中維持處理條件，以便確保吸附到巖層中的不良氣態流體組分的處理飽和度至少在10％。
在本發明的第六方面中，所公開的是一種用于處理煤層內的不良氣態流體組分的方法，該方法包括下列步驟a)將含有不良氣態流體組分的氣態流體導入煤層中；知b)當煤層內的不良氣態流體組分達到一定的飽和度時，就停止將氣態流體導入到煤層中。
在本發明的第七個方面中，所公開的是一種用于處理不良氣態流體組分的方法，該方法包括下列步驟將含有不良氣態流體組分的氣態流體導入煤層中，該煤層在處理條件下至少部分缺少甲烷，以便使不良氣態流體組分吸附到煤層中，并使釋放到大氣中的不良流體組分降至到最低。
在某些方面中，本發明提供一種用于處理固體含碳地下巖層內的大量的不良氣態流體組分的方法。某些方面允許象廢氣這樣的流體被導入到固體含碳地下巖層，以便提高從巖層中回收甲烷的量，這些廢氣可以包括氧化氮、氧化硫、一氧化碳和/或二氧化碳。本發明還提供了一種用于生產富含氮的流出氣流的有效方法，這種富含氮的流出氣流能被用來提高從固體含碳地下巖層回收甲烷的量。另一些方案允許象廢氣這樣的流體在固體含碳地下巖層中進行處理，而不需要將它與用于二氧化碳和氧化硫的處理體系分開。
本發明的許多其它的優點和特點將從下列本發明的詳細描述，其中所描述的實施方案，權利要求書、和附圖中變得更加清楚。


圖1是由甲烷完全飽和的煤層中氣體總產量與時間的關系曲線圖，該煤層中已導入了幾種不同的氣體成分；圖2是預測從圖1的煤層回收的累積甲烷曲線圖；圖3是預測從圖1的煤層回收的流體中存在的甲烷的體積百分比的曲線圖；圖4是預測從圖1的煤層回收的流體中存在的氮的體積百分比的曲線圖；圖5是預測從圖1的煤層回收的流體中存在的二氧化碳的體積百分比的曲線圖；圖6是預測用于圖1煤層的甲烷回收率的曲線圖；圖7是累積回收的甲烷與注入到圖1煤層中的累積的解吸流體的關系曲線圖8是從甲烷貧化的煤層中累積回收的氮的體積的曲線圖，氮被用來分離含有體積百分比為15％的二氧化碳和體積百分比為85％的氮的混合氣體；圖9是累積的氣態流體曲線圖，該氣態流體在整個過程中被注入到圖8的貧化的煤層中；圖10是從圖8的貧化的煤層中回收氮的速率曲線圖；圖11是從完全由甲烷飽和的煤層中總的氣體回收速率與時間的關系曲線圖，該圖將純二氧化碳注入到地層時的總的氣體回收速率與當含有70％的體積百分比的二氧化碳和30％的體積百分比的甲烷的混合氣體時的回收率進行比較；圖12是預測從圖11煤層中回收的甲烷的累積體積的曲線圖；圖13是預測從圖11的煤層回收的流體中存在的甲烷的體積百分比的曲線圖；圖14是預測從圖11的煤層回收的流體中存在的二氧化碳的體積百分比的曲線圖；圖15是預測用于圖11煤層的甲烷回收率的曲線圖；圖16是預測用于圖11煤層的二氧化碳回收率的曲線圖；圖17是用于圖11煤層的總的氣體生產率的曲線圖；圖18是預測從煤層中回收的累積的甲烷與用于圖11煤層的所注入的累積的解吸流體的關系曲線圖。
在本發明可以有許多不同形式的實施方案的同時，附圖中顯示出并將詳細描述本發明，特別要描述本發明的實施方案。當然，本說明被認為是本發明構思的一個實例，但它不能將本發明限制在特定說明的實施方案的范圍內。
固體含碳地下巖層，如煤層是由含碳物質構成的。含碳物質包括母巖，這種母巖具有微孔延伸系，和滲透到母巖中的斷裂系，這種斷裂系通常被稱作“層理”。微孔系具有較大的內表面，氣態流體能夠被吸附在內表面上。本發明利用各種氣體分子對地層中含碳物質的不同吸附強度，將大量的不良氣態流體吸附到含碳母巖的微孔中。
注入的氣態流體通常，具有吸附強度較強的氣態流體分子比吸附強度較弱的氣態流體分子能更好地吸附在地層中的含碳物質上。吸附到地層中的含碳物質上的氣態流體的量依賴于氣體對含碳母巖的相對吸附強度、含碳物質容納氣態流體的能力、氣態流體分子與含碳物質發生化學反應并因此化學吸附到該物質上的傾向、和巖層內的壓力和溫度。
在本發明操作中的一個重要因素是所注入的氣態流體混合物組分之間的相對吸附強度，以及氣態流體混合物與其它流體，如巖層中已存在的甲烷的吸附強度。
對于象煤層這樣的含碳物質來說，認為流體的大氣沸點表示出相對應的組成流體的分子或化合物的吸附強度。表1列出了幾種常見的流體的大氣沸點。
表1化合物/分子 沸點 較弱的吸附強度氫(H2) -269℃氦(He)-253℃氮(N2) -196℃一氧化碳(CO) -192℃氬(Ar)-186℃氧(O2) -183℃甲烷(CH4)-162℃氧化氮(NO)-151℃氙(Xe)-108℃乙烷(C2H6) -88℃二氧化碳(CO2)-78℃六氟化硫(SF6)-64℃硫化氫(H2S) -60℃丙烷(C3H8) -42℃二氧化硫(SO2)-10℃二氧化氮(NO2)21℃ 較強的吸附強度三氧化硫(SO3)44℃一般認為較強的吸附流體有較高的沸點，較弱的吸附流體有相對較低的沸點。因此，一種流體組分與氣體混合物內的另一種流體的相對吸附強度和與巖層中的其它氣態流體的相對吸附強度，是能夠通過比較對應的大氣沸點來測定。例如，二氧化碳，其大氣沸點為-78℃，它對于含碳物質的吸附強度比甲烷或二氧化硫更強些，甲烷和二氧化硫的大氣沸點分別為-162℃和-196℃。一種流體對應的大氣沸點將給普通技術人員提供涉及各種氣態流體的相對吸附強度一般信息。但是，對于特殊的含碳物質來說，各種氣態流體相對的吸附強度在有可能的地方憑經驗來測定。
另外，各種氣態流體相對的吸附強度將給普通技術人員提供涉及處理固體含碳巖層內的不良氣態流體的一般信息。但是，只要可能就可以憑經驗來測定吸附到特定含碳物質上的不良氣態流體的量。經驗數據將允許更準確地預測含碳地下巖層內能夠被處理的不良氣態流體的量。如果特別的氣態流體組分化學吸附到巖層中的含碳物質上被認為是重要因素的話，那么當測定被處理的巖層內的不良氣態流體的量時，也可以進行計算。
氣態流體在氣態或液態時可以導入到巖層中。本發明對用于注入氣態流體的合適的方法的詳細說明可以從涉及下面所討論的注入富集氮的殘液的討論中得知。將氣態流體注入到固體含碳地下巖層中的其它合適的方法，對于普通專業技術人員來說是已知的。如果注入液態的含有二氧化碳的氣態流體，那么通常在巖層內將變成氣態流體。另外，可以將氣態流體導入巖層作為一種超臨界流體。根據巖層中的壓力和溫度，氣態流體既可以保持一種超臨界的流體，也可以變成液體、氣態流體、或氣液混合體。
如果使用的氣態流體處于臨界溫度和壓力附近，那么就必須用使巖層內的固體和液體的沉積/或凝聚最少的方法來開采任何生產井。下面詳細地描述在這樣的條件下如何開采這些生產井。
從巖層中回收甲烷在本實施方案中，通過與巖層流體連通的注入井，將含有強吸附流體的解吸流體導入到固體含碳地下巖層中，并且從一個或多個生產井中回收含有甲烷的流體。注入井最好穿過巖層。
解吸流體一般由二氧化碳和其它流體組分，如氮和/或甲烷組成。由于二氧化碳為強吸附流體，所以它比起其它的弱吸附流體，如氮或甲烷來說，更容易吸附到巖層中的含碳物質上。
在有機物轉變成煤和其它的固體含碳物質的過程中產生了甲烷。巖層內的甲烷既作為游離在巖層的層理和裂隙中的氣體，也作為巖層母巖內的吸附氣體。
含有二氧化碳的解吸流體使巖層內游離的甲烷和吸附的甲烷流動。由于層理內的分壓的下降和因為二氧化碳和其它注入的解吸流體爭相吸附在巖層的含碳母巖上，從而使吸附在含碳母巖上的甲烷流動。
裂隙內甲烷的分壓下降是由于裂隙內注入的解吸流體接近甲烷吸附位置。當裂隙內甲烷的分壓下降時，吸附在含碳母巖上的甲烷將從裂隙中解吸，并且分散到層理中。
二氧化碳和其它注入的解吸流體爭相吸附在含碳母巖上，將引起甲烷從含碳母巖上解吸進入到層理中。一旦甲烷處在層理內，那么巖層和生產井和/或井之間所提高的壓力梯度將使甲烷運動到生產井或能夠回收的井中。
由于甲烷不象二氧化碳那樣強烈地吸附在含碳母巖上，所以甲烷穿過固體地下巖層的速度比更強的吸附氣體流動的快些。
巖層中的含碳母巖內的較強吸附流體，如二氧化碳的優先吸附作用，使注入的解吸流體在巖層內分餾。較強的吸附流體將被優先吸附到注入井周圍的含碳母巖的區域，該注入井中注入了解吸流體。較強的吸附流體將繼續吸附在該區域內的母巖上，直到母巖上較強的吸附流體飽和為止。相對較弱的吸附流體將不那樣強地吸附到母巖上，從而它穿過巖層的速度比較強吸附流體要快。
通常解吸流體注入到巖層中時，巖層內較強吸附流體達到飽和的區域將繼續向著生產井或井的方向發展。因此，可以說較強吸附流體將形成接近在巖層內發展的聚集面。當解吸流體注入到巖層中時，聚集面將繼續從注入井向巖層內較低壓力區域，如生產井的方向延伸。
在面的前頭，吸附在母巖上的較強吸附流體的濃度比面的內部或面的后面的較強吸附流體的濃度要小。在面的后面，吸附在母巖上的較強吸附流體，如二氧化碳的濃度接近一個穩定值，這是由于解吸流體通過注入井被連續地注入到巖層中。
穩定值取決于幾個因素，這些因素包括較強吸附流體對含碳母巖的相對的吸附強度，與巖層內的其它流體的吸附強度的比較；和注入到巖層中的解吸流體內的所含的較強吸附流體的相對濃度。
由于較強吸附流體組分將被巖層優先地吸附，所以含有二氧化碳的解吸流體能被注入到固體含碳地下巖層，同時從生產井回收具有較低的二氧化碳體積百分比的流體。有時氣態流體混合物內的二氧化碳的體積百分比在后面被稱為體積百分比A。
另外，由于較強吸附流體組分穿過巖層的速度比較弱吸附強度流體組分慢，能夠從生產井中回收流體，其內的二氧化碳與其它注入的解吸流體組分的體積之比，小于二氧化碳與注入到巖層中的解吸流體內的其它注入的流體組分的體積之比。二氧化碳與其它注入的解吸流體組分體積之比在后面有時被稱為比值B。
含有在本發明中可以使用的氣態流體的一種二氧化碳是廢氣。通常二氧化碳與廢氣中注入的其它解吸流體組分的體積之比為1/11到2/8。含有在本發明中可以使用的含二氧化碳的氣態流體的另一實例是氣態流體的混合物，該氣態流體的混合物由氮注射裝置或薄膜分離器注射，所述分離器將二氧化碳從天然氣產品流中分離出去。注射的氣流中通常含有二氧化碳與甲烷和其它氣體的比值B從1/1到95/5。
認為從生產井中所回收的流體中，二氧化碳的體積百分比將低于在輸入到巖層中的注入的解吸流體中的二氧化碳的體積百分比，直到注入井和生產井之間的巖層用較強吸附流體組分飽和為止。另外，認為二氧化碳與從生產井中回收的流體中所含其它注入的解吸流體組分的體積百分比將低于二氧化碳與輸入到巖層中的解吸流體內的其它注入的解吸流體組分的體積百分比，直到注入生產井之間的巖層用較強吸附流體組分飽和。
在理想的情況下，固體含碳地下巖層是均勻的，而且二氧化碳富集面將迅速地從注入井向巖層內部移動。但是，很少存在這樣均勻的固體含碳地下巖層。大多數的巖層是注入解吸流體能迅速穿過的區域。這些所謂的“礦脈”包括與主要含碳物質相比具有相對高的滲透性的區域。礦脈也包括由解吸流體組分不能被迅速吸附的物質所構成的區域。例如不能迅速吸附流體的礦脈區域包括砂石、含碳頁巖、和普通專業技術人員所知的其它類似物質。
所注入的穿過礦脈的解吸流體至少將部分地通過巖層中的含碳物質，并被說成是巖層內朝向生產井的“礦層”。該礦層將提高從生產井中所回收的流體中所存在的解吸流體的相對量。
此外，穿過礦脈到達生產井的所注入的解吸流體，不能象沒有穿過礦脈的所注入的解吸流體那樣與巖層中的含碳物質接觸。所以，穿過礦脈到達生產井的所注入的解吸流體組分將不能那樣有效地被分成它們各自的組分。因此，二氧化碳與從生產井中回收的流體中的其它注入的解吸流體組分的體積百分比將提高到在理想的巖層中所期望的比值以上，但該比值將相對注入的解吸流體中所含有原始比值仍下降了。
巖層內的較強吸附流體組分的優先吸附作用是允許較強吸附流體，如二氧化碳在巖層內進行處理，所述較強的吸附作用使較強吸附流體組分比較弱吸附流體組分更緩慢地穿過巖層。下面詳細討論用于處理固體含碳地下巖層內的二氧化碳和其它較強吸附流體的方法。
固體含碳地下巖層分離注入解吸流體的能力，即大部分二氧化碳到達生產井和/或井的時間要遲于較弱吸附能力的甲烷和/或其它流體，將提供一種用于從固體含碳地下巖層回收大部分的甲烷，同時處理巖層內二氧化碳的方法。
當實施該方法時，在生產井和/或井用普通專業人員所知的方法，如氣體色譜法來測定二氧化碳與所回收的流體中的其它注入的解吸流體的比值。這種測定將說明所注入的解吸流體怎樣在巖層中運動，和巖層是否已處于強吸附流體的飽和狀態。
正如前面所述，二氧化碳與從生產井所回收的流體中的其它注入的解吸流體組分的比值，相對于二氧化碳與輸入到固體含碳地下巖層中的注入的解吸流體內的其它注入的解吸流體組分的比值將會下降。
一旦二氧化碳面到達生產井的井口時，二氧化碳與從生產井所回收的其它注入的解吸流體組分的比值將迅速地提高。參見圖4、5、13和14所示的例子。一旦二氧化碳富集面已從注入井穿到生產井(即注入井和生產井之間巖層內的沿著解吸流體的流動通道的含碳母巖，已席卷了所含甲烷)，那么通常吸附在位于注入井和生產井之間注入解吸流體流動通道的含碳母巖內的多數甲烷將從巖層中解吸。
仍如前所述，實際固體含碳地下巖層含有能夠提高從生產井所回收的流體中的解吸流體體積百分比的礦脈。另外，由于礦脈就能夠增加掃過巖層所需要的注入解吸流體的量。
發明人認為能夠有效地降低巖層內產生的礦脈量的一種方法，該方法使用間歇注入作用將流體，如水注入到注入井中。注入的水將有選擇地進入較高的滲透性區域。一旦流體進入較高的滲透性區域，那么它將降低解吸流體流過這些區域的速度。這將使得注入的解吸流體改道進入較低滲透性區域，從而提高巖層內的垂直的和表面的掃過。由于注入的解吸流體改道進入低滲透區域，所以解吸流體從注入井移動到生產井的時間延長了。又由于所改道的注入解吸流體可以與巖層中的較多含碳物質接觸，所以可降低從生產井中回收的流體中的二氧化碳的體積百分比和二氧化碳與從生產井所回收的流體中其它注入的解吸流體組分的比值。
是否停止從生產井中回收流體，部分取決于從巖層中回收、由生產井中排出的甲烷的百分比。這樣得到的甲烷是可以從生產井中回收的甲烷。值得注意的是，經過強化富集回收的巖層里的甲烷不可能發生貧化，而從特殊的生產井中得到的甲烷可能發生貧化。固體含碳地下巖層內的甲烷量能夠用普通專業技術人員所知的方法來測定。計算巖層中甲烷含量的方法在由美國石油地質學家協會1993年出版的，煤中的烴類化合物，第九章，203-207頁，Yee等人“煤的氣體吸附作用和氣體含量的測定”中所闡述的，它是作為參考而被引入的。知道巖層中所含有的甲烷量和注入解吸流體組成的普通專業技術人員，能夠計算出從巖層中回收甲烷的含量。
是否繼續從生產井中回收流體將考慮到流體值。測定該流體值時，重要的是要考慮進一步利用流體流所需要的工藝成本。例如，如果將流體送到天然氣管道，流體將必須進行處理，以便使其內部的惰性氣體的百分比降低到可接收的水平。天然氣中所含惰性氣體的接收水平是由天然氣管路規定來控制。如果流體量不是多得足以認為進一步回收是合算的，那么流體的回收將要停止或者修改方法以將流體組成變成認為進一步回收是合算的地步。
固體含碳地下巖層的甲烷在開發過程中，可以有幾個注入井和幾個生產井。由于多數固體含碳地下巖層的不均勻性，來自一個注入井的二氧化碳富集面可以在來自第二個注入井的二氧化碳富集面達到同一個生產井中以前達到生產井。這將引起二氧化碳與從生產井所回收的流體中其它注入的解吸流體組分的比值的增加，在注入井和生產井之間的巖層可得到的甲烷掃除之前，接近或超過原有比值B。
正如能從圖2、3、5-7和11-15所看到的那樣，在二氧化碳與從生產井所回收的流體中其它注入的解吸流體組分的比值達到原有比值B之前，可以從巖層中回收得到甲烷的實際百分比。當比值B為原有比值B的0.5到0.9時，認為在某些情況下最好停止從生產井中回收廢氣。例如，當二氧化碳與所回收的流體中其它注入的解吸流體組分的比值低于B，但已經從生產井中回收了可得到的甲烷的實際百分比時，最好將停止從生產井中回收流體。
如果二氧化碳與從生產井所回收的流體中其它注入的解吸流體組分的比值大于原有比值B，并且已從該井中產出了可得到的甲烷的實際比值的話，最好停止從生產井中回收流體。
如果二氧化碳與從生產井所回收的流體中其它注入的解吸流體組分的比值大于原有比值B，但存在從生產井中仍可產出甲烷的實際百分比的情況下，最好將不停止從生產井中回收流體。而來自生產井中的流體流將受到限制。
來自生產井中的流動受到限制將會增加井中的壓力。生產井周圍的壓力的增加將會引起注入的解吸流體改道進入壓力較低的巖層中。這種限制將有利于提高巖層的排氣，和減少了朝向受到流動限制的生產井的注入解吸流體。另外，通過增加生產井周圍的巖層壓力，就可以增強二氧化碳優先于甲烷對含碳母巖的有效吸附作用。認為這將降低從生產井中回收的流體中所含二氧化碳的體積百分比。
可以使用幾種方法來限制從生產井中流出的流體。一種方法是使用將抑制流動物質注入到靠近生產井附近的含碳巖層，生產井中物流可望受到抑制。例如用來抑制從生產井流出的流體的材料包括如二氧化碳、丙酮、pyridene柴油、聚合物、環氧樹脂、表面活化劑、泡沫、水泥和它們的混合物。上述材料由于堵塞或凝固巖層中的裂系，因而降低了巖層內的抑制流體的流動，從而減少了巖層受到影響的區域的滲透性。除上述材料以外，使含碳物質膨脹而使其滲透性降低、或將裂縫系統塞住或凝固的任何材料都要以使用。
另一種用于限制流體從生產井流出的方法包括用一種限制廢氣從生產井流出的方法來控制一個與生產井流體連通的閥。由于采用了上述的技術，限制從生產井流出的流體將使巖層附近的井內壓力上升，并且達到了上述的優點，這些優點被認為是導致生產井附近井內壓力上升的因素。
上述方法將有助于保持可回收生產井中可得到的甲烷。
與流體一同回收的任何二氧化碳能迅速地與流體中的甲烷和其它流體，如氮分離。一種將二氧化碳與流體流分離的方法包括用薄膜分離器將二氧化碳與氣體混合物分離；用吸附式分離器，如壓力旋轉吸附分離器將二氧化碳與氣體混合物分離；和用氮注射裝置將二氧化碳與氣體混合物冷凍分離。
包括上述方法所產生的流體二氧化碳一般也含有甲烷和/或氮。如果需要，含二氧化碳氣流能夠被注入到固體含碳地下巖層中。
本發明人已經發現，在某些情況下，可繼續從生產井中回收流體，并將大部分的流體流返回注到巖層中。例如有利環境是從生產井回收大量可獲得的甲烷的地方，但氣流中的二氧化碳的百分比較高。在這種情況下，用傳統分離裝置將惰性氣體，如二氧化碳和氮與甲烷分離的成本可能是過高的。
在這些情況下，本發明人公開了可能更有利于使用流體氣流來提高從另一個固體含碳地下巖層或同一固體含碳地下巖層的不同區域中所回收的甲烷。優選地，注入了流體的巖層仍然能夠吸附大量的二氧化碳。
通過巖層將再次注入的氣流分開。再次注入的氣流中所含的二氧化碳將更緩慢地穿過巖層運動到生產井。正如前面所述，二氧化碳將替換巖層中的甲烷。再次注入的氣流中所含的甲烷將快速地穿過巖層達到生產井。認為將再次注入的流中所含的甲烷將有助于維持巖層內的儲藏壓力，從而有助于從巖層中回收甲烷。圖11到18表示了在這些情況下，含有甲烷和二氧化碳的混合氣體怎樣被用來回收固體含碳地下巖層中的甲烷。
氣態流體的處理在這個實施方案中，將含有不良氣態流體組分的氣態流體注入到固體含碳地下巖層中。通過一個與巖層流體連通的注入井，最好是穿過巖層的注入井，將氣態流體注入到固體含碳地下巖層中。在高于巖層內的儲藏壓力下，將氣態流體注入到巖層中，而且可以在氣態或液態狀態下將氣態流體注入到巖層中。優選地，是在低于巖層內的巖層分壓下注入氣態流體。如果注入的壓力太高和巖層破裂，那么注入的氣態流體就可能從固體含碳地下巖層泄漏到周圍的巖層中。
所述氣態流體中一般含有二氧化碳和/或其它氣態流體組分，它們吸附到含碳物質上的能力要比甲烷要強。例如一般含在注入氣態流體中的其它氣態流體組分包括氧化硫、氧化氮、和硫化氫。這些相對較強吸附氣體比巖層內的任何甲烷優先地吸附到巖層內的含碳物質上。
廢氣是本發明所處理的氣態流體中的一種。廢氣一般含有10-25％體積百分比的二氧化碳、約75-90％體積百分比的氮、和少量體積百分比的氧化氮和氧化硫。本發明可以使用的另一種氣態流體是氣態流體的混合物，該用使二氧化碳與天然氣生產流分離的分離裝置注入。注入流中含有約50-95％體積百分比的二氧化碳，其余的氣態流體主要由甲烷構成。注入流中也可能含有硫化氫、氧化氮、和氧化硫。
根據這個實施方案，處理不良氣態流體組分所用的固體含碳地下巖層含可回收的甲烷愈少愈好。使用含可回收甲烷少的巖層，是因為巖層內吸附到含碳母巖上的流體，如二氧化碳的較好的吸附作用被提高，所述巖層內吸附在含碳母巖上的甲烷濃度較低。另外，如果巖層內的壓力下降，巖層內可回收的甲烷較少，那么在巖層內可以有效地處理大量的比甲烷吸附弱的氣態流體。
在其它的情況下，優選使用從來沒有生產甲烷的固體含碳地下巖層。從這樣的巖層中生產甲烷是沒有吸引力的。這樣的巖層包括原有的甲烷含量較低的巖層和低滲透性的巖層。
含可回收的甲烷枯竭的巖層仍含一些甲烷，但是該甲烷的濃度不具有回收它的經濟價值。含可回收的甲烷較少的巖層已有至少25％體積百分比的原始甲烷已從巖層中除去。含可回收的甲烷基本枯竭的巖層有至少50％體積百分比的原始甲烷已從巖層中除去。含可回收的甲烷完全枯竭的巖層有至少70％體積百分比的原始甲烷已從巖層中除去的。
從巖層中回收甲烷的一種方法是利用巖層內的壓力下降。巖層內的壓力的降低將使甲烷從含碳物質中解吸出來，并流到能回收的生產井中。當回收的原有甲烷為25％-約70％時，利用主要降低，從生產井中生產甲烷的煤層通常被放棄。對于這種基本耗盡的井的放棄的壓力一般在689,476帕斯卡(Pa)至約2,068,427帕斯卡(Pa)。
利用提高回收技術也能夠從煤層中回收甲烷。一個能夠有效地將甲烷從煤層中回收的提高回收技術的例子，是利用氮富集流將甲烷從煤層中解吸出來。對于煤層使用氮提高回收技術，從煤層中回收甲烷的百分比主要取決于從煤層中回收的產品流中含有氮的體積百分比。通常一旦氮的百分比變得太高和/或甲烷的百分比變得太低無法進一步回收的時候，所述生產井一般將被放棄。根據目前的氮/甲烷分離技術，當從巖層中回收的流體中的甲烷體積百分比為25％-約50％時，生產井一般將被放棄。這是與從巖層內回收45％-約70％原有甲烷相對應。應當注意當甲烷與氮分離技術得到發展時，從巖層中回收甲烷的量將會增加。當巖層已用氮來提高從巖層中回收甲烷時，優選在處理煤層內的不良氣態流體之前，降低巖層內的壓力。
另一個能夠有效地提高從固體含碳地下巖層回收甲烷的回收技術是二氧化碳提高的回收，該技術在上面已詳細描述過。
正如前面所述，較強吸附流體比相對較弱的吸附流體，對注入井周圍含碳母巖區域的吸附能力更強。較強吸附流體將繼續吸附在該區域內的母巖上，直到該母巖由較強吸附流體飽和為止。巖層內相對較弱的吸附流體不會那樣強地吸附在母巖上，并且朝向低壓力區域的巖層中流動。總之，當氣體被注入到巖層中時，充滿了較強吸附流體的巖層中的區域繼續擴大遠離注入井。
巖層內含碳物質上，任何氣態流體組分的飽和度取決于幾個因素，它包括較強吸附流體對含碳母巖的相對吸附強度與巖層內其它流體的吸附強度的比較，輸入到巖層中的所注入氣態流體內含較強吸附流體的相對濃度，用于吸附特定氣態流體組分的含物質的能力，和巖層內普通的壓力和溫度。
例如，一種普通的San Juan Fruitland巖層煤中含甲烷極少，當該煤達到含85％體積百分比的二氧化碳和15％體積百分比的氮的氣體飽和度時，在壓力為10,342帕斯卡和溫度為46.1℃下，每千克煤將吸附大約0.0246標準立方米(SCM)的氣體。煤上所吸附相將包括大約99％體積百分比的二氧化碳和大約1％體積百分比的氮。當該煤達到含50％體積百分比的二氧化碳和50％體積百分比的氮的氣體飽和度時，在相同溫度和壓力下，每千克煤將吸附大約0.0219標準立方米(SCM)的氣體。吸附相將包括大約93％體積百分比的二氧化碳和大約7％體積百分比的氮。在相同溫度和壓力下，對于含15％體積百分比的二氧化碳和85％體積百分比的氮的氣體，每千克煤將吸附大約0.0153標準立方米(SCM)的氣體，吸附相由大約70％體積百分比的二氧化碳和大約30％體積百分比的氮。在相同溫度和壓力下，對于含有70％體積百分比的二氧化碳和30％體積百分比的甲烷來說，每千克煤將吸附大約0.0233標準立方米(SCM)的氣體，吸附相包括大約86％體積百分比的二氧化碳和大約14％體積百分比的甲烷。吸附相由大約70％體積百分比的二氧化碳和大約30％體積百分比的氮組成。得出上述計算飽和度是在假定煤可以得到不受限制的大量氣態流體，和通過連續選擇，弱吸附流體組分繼續流動并被新鮮氣態流體所代替。以致另外的較強吸附氣態流體組分能優先地吸附在煤上。吸附相中富集的較強吸附流體是發生在固體含碳地下巖層中優先的吸附作用的結果。甲烷幾乎耗盡的煤與有在煤層內仍保持低于約10％體積百分比的原始甲烷的煤層有關。
上面列出的特殊的不良氣態流體組分在以后被稱為“處理飽和度”。根據給出的溫度和壓力，算出用于特殊的不良氣態流體組分的處理的飽和度。溫度和壓力、以及用來處理巖層內的不良氣態流體組分所使用的其它的工作參數被稱為處理條件。控制這些條件能夠使大量的不良氣態流體組分吸附到巖層上。一般處理條件是這樣的以致在巖層中能處理10％到90％體積百分比所輸入的不良氣態流體組分。在一些例子中，認為在巖層中能處理高于99％體積百分比的不良氣態流體組分。通過在巖層中處理不良氣態流體組分，從而防止了不良氣態流體組分被釋放到大氣中。保持這些處理條件一般僅僅需要關閉和/或控制來自巖層的流體通道，以防止不良氣態流體組分從巖層釋放到大氣中，同時保持巖層內的壓力低于巖層的分壓。在一些例子中，定期地給巖層脫水以保持或增強巖層吸附不良氣態流體組分的能力。在一些例子中，提高巖層內的相關溫度是有益的。例如如果提高了巖層內的溫度則不良氣態流體組分與巖層發生化學反應，且該反應在巖層內的溫度上升時將變得更有利。
對于給定的固體含碳地下巖層，用于特殊的不良氣態流體組分的處理飽和度能夠通過加長Langmuir等溫吸附線模型和所給巖層所必須的數據來計算。加長Langmuir等溫吸附線模型的說明和如何利用它來生產一個本發明人所使用的模型類似的模型，被公開在L.E.Arri等人的，由石油工程師協會出版(1992)“建立具有二元氣體吸附的煤層甲烷產量”SPE 24363，第459-472頁中；在這里被引入以作為參考。
認為如果有一個將相對較弱的吸附流體從巖層中除去的方法，那么固體含碳地下巖層內就能夠接近處理的飽和度，以致能夠向巖層中輸入更多的較強吸附組分。這附加的較強吸附組分將繼續吸附在巖層上，直到母巖吸附相內接近處理飽和度為止。一種將較弱吸附組分從巖層中除去的方法，是間隙或繼續地將較弱吸附流體從巖層中排出。另一種將較弱吸附組分從巖層中除去的方法將是從通過生產井回收這些較弱吸附流體的。認為在本發明的使用過程中，巖層充滿了不良氣態流體組分達10％-99％處理飽和度；優選達50％-95％處理飽和度；更優選達70％-90％處理飽和度。
總之，本發明使用的壓力是這樣選擇的，以致使不良氣態流體組分對巖層內的含碳母巖的吸附作用最好。通常使用的壓力愈高，被含碳母巖吸附的氣體就愈多。
當氣態流體被輸入到固體含碳地下巖層時，巖層內的不良氣態流體組分的位置、巖層內的不良氣態流體組分的相對濃度、和不良氣態流體組分與其它的注入的氣態流體的比值最好能夠測量。測量該巖層的一種方法是從測量井中獲取流體樣品。用普通專業人員知道的方法，如氣體色譜儀來分析這個樣品。這個測量將相對說明怎樣在巖層內移動被注入的氣態流體和巖層被不良氣體組分所飽和的程度。
如果不良氣態流體組分是一種比其它的注入的氣態流體組分相對較強的吸附流體，那么測量儀中所抽取的廢氣中不良氣態流體組分與其它的注入的氣態流體組分的體積百分比，相對于輸入到固體含碳地下巖層的注入的氣態流體內不良氣態流體組分與其它的注入的氣態流體組分的體積百分比降低了。
認為不良氣態流體組分與其它的注入的氣態流體組分的比值的下降，是巖層中含碳母巖內的較強吸附流體組分，如二氧化具有較好的吸附作用所造成的。認為這種吸附作用將引起相對較強吸附流體組分在巖層內移動的速度比較弱吸附流體組分要慢。正如前面所述，當氣態流體輸入到巖層中時，巖層中充滿較強吸附流體的區域向遠離注入井的方向上向外擴大。較強吸附流體凝固，接近在巖層內升高的富集面。當氣態流體輸入到巖層中時，富集面從注入井到巖層內低壓區連續地流動。所抽取的具有其它注入流體的流體的濃縮作用將繼續，直到富集面到達測量井為止。
一旦富集面到達測量儀井排出的巖層區域時，不良氣態流體組分與測量井中收集的其它的注入的氣態流體組分的比值將迅速增加。由于多數堅硬含地下巖層的復雜性，能夠使巖層內不良氣態流體組分不均勻運動。這樣可使不良氣態流體組分在巖層內的分配不均勻。因此有利于使用一個以上的井來測量巖層。
在本發明的一個方面，連續輸入氣態流體直到巖層內的不良氣態流體組分飽和到一定的程度。普通專業技術人員通過從穿到巖層區域的測量井中獲取的廢氣樣品，可測定巖層內個別區域的飽和度。
所獲得樣品的化學成分與涉及靠近測量井附近巖層內的壓力信息，使普通專業技術人員能夠測定所獲得樣品的巖層區域內吸附在含碳母巖內的每一種氣態組分。這樣使普通專業技術人員能夠測定注入的氣態流體中不良氣態流體組分是否到達了所獲得樣品的區域。也能夠使普通專業技術人員能夠測定不良氣態流體組分充滿巖層區域的飽和度。巖層內所需的飽和度在上面涉及處理飽和度的說明中已作了全面介紹。
正如前面所述，如果不良氣態流體組分為一種相對較強吸附流體，排除巖層將使大量的不良氣態流體組分吸附到任何所給定處理壓力的巖層中。這種排除發生在穿過任何一個與巖層連通的井中。如果使用的話，排除可以間歇地或連續地進行，并且它發生在與氣態流體的注入同步進行，或在停止注入氣態流體之后進行。
如果氣態流體組分，如硫化氫、氧化硫、和氧化氮被除掉的話，可以有助于降低巖層內的壓力，以便充分地從巖層中將二氧化碳解吸出來。但不足以使硫化氫、氧化氮、和氧化硫從含碳母巖中解吸出來。巖層中的這種排除將使大量的較強吸附組合物，如硫化氫和一些氧化氮和硫在巖層內中被除掉。
能夠將氣態流體間歇地或連續地注入到巖層中。氣態流體一般連續地注入直到達到所需的壓力為止。在將所需氣態流體的量輸入到巖層中之后，或巖層達到了所需的壓力之后，注入井為封井，并且巖層最好保持在充分的處理條件下，以便將吸附在巖層上的不良氣態流體組分的體積百分比維持在40％-80％；最好在氣態流體注入到固體含碳地下巖層之后，將吸附在巖層上的不良氣態流體組分至少保持一年。
另外，在巖層內的不良氣態流體達到一定的飽和度之后，就停止本發明的方法。在使用本發明的過程中，一般允許注入到巖層中體積百分比低于50％的不良氣態流體組分進入大氣；較好是低于10％；最好是低于1％。不良氣態流體組分一般保持在巖層內至少一年；較好是保持5年；最好是保持10年。
氣態流體混合物的分離在本發明的另一實施方案中，含有相對較強吸附流體組分和相對較弱吸附流體組分的氣態流體混合物，通過與巖層流體連通的注入井注入到固體含碳地下巖層中。混合氣體中的較強吸附流體組分將優先吸附在巖層中的含碳母巖上。本發明利用較強吸附流體對巖層的優先的吸附作用，提供了一種將混合氣體分成富集在較弱吸附流體上的第一部分和富集在較強吸附流體上的第二部分。可以分離的氣態流體混合物的例子包括，但不限于空氣、廢氣、從各種工業生產中產生的混合氣體、和從將不易燃的氣態流體和可壓縮的液體與天然氣產品流分離的分離裝置中排除的混合氣體。
在本發明的這個實施方案中，氣態流體混合物通常經過穿透到巖層中的注入井被注入到固體含碳地下巖層中。最好是該巖層已不具有可回收的甲烷。使用貧化的巖層將能較好分離所注入的氣態流體。作用在巖層上的壓力將提高將氣態流體混合物分離成富集在較弱吸附流體上的部分和富集在較強吸附流體上的部分。總之，作用在巖層上的壓力愈高，吸附在巖層中的含碳母巖上的氣態流體就愈多。
一般通過生產井將富集在較弱吸附流體部分(后面有時稱為殘液)從巖層中抽出。殘液富集在相對較弱的吸附流體上，這是由于被含碳母巖吸附的較弱吸附流體象前面所述的那樣緩慢地穿過巖層。
從巖層中回收殘液直到殘液中較強吸附流體增加到可接收的程度以上。對于含有二氧化碳的混合流體，殘液中的二氧化碳體積百分比優選保持在低于50％，較優選低于20％，最優選低于5％。在某些情況下，將殘液中的二氧化碳體積百分比保持在低于1％是可能。
另外，氣態流體混合物的連續注入直到達到巖層所需的飽和度為止。巖層內所需吸附飽和度能夠通過常規試驗來測定。例如，混合氣體能夠注入，直到殘液中較強吸附流體的體積百分比提高到上述可接收的程度以上。一旦達到巖層中所需吸附的飽和度，通過降低巖層上的壓力，可進一步恢復含碳母巖的吸附能力。在巖層中的總壓力降低時，將富集在相對較強的吸附流體上的被解吸的被吸附物從巖層中的含碳母巖中釋放出來。通過注入和生產井，能夠從巖層中回收這種被解吸的被吸附物。
如果氣態流體混合物在含有二氧化碳的巖層內被分離，例如，廢氣，那么被解吸的被吸附物將富集在二氧化碳中。如果混合氣體包括氧氣，例如，空氣，那么被解吸的被吸附物將富集在氧氣上。回收的被解吸的被吸附物能夠再次注入到固體含碳地下巖層中。例如，如果含有二氧化碳的氣態流體混合物在固體含碳地下巖層中分離，那么回收的被解吸的被吸附物將富集在二氧化碳中。富集在二氧化碳中的回收的被解吸的被吸附物將被用來提高從固體含碳地下巖層中回收甲烷。
希望將較強流體保持在巖層中。在這種情況下，作用在巖層上的壓力不會下降，而且固體含碳地下巖層中的含碳母巖的吸附能力不再恢復。另外，在總壓力沒有降到使不希望的組分，如二氧化碳、硫化氫、或一氧化碳，如果存在的話，被解吸出來，并從母巖中釋放出來的地步，巖層中的含碳母巖的吸附能力就有部分不再恢復。
總之，在流體的氣態混合物分離的過程中所使用的壓力是這樣選擇，以便確定分離流體的最佳條件。一般來說，使用的壓力愈高，被巖層內的含碳母巖吸附的氣態流體就愈多。對于所給的體系，殘液從該體系中排除愈快，殘液中含有相對較強吸附流體的百分比就愈高。
如果所分離的混合流體中包括較高比例的氮，那么最后的殘液將富集在氮上。例如，含有較大比例的氮的混合氣體包括空氣和廢氣。使用從這些混合氣體中產生的富集氮的殘液，有助于從固體含碳地下巖層中回收甲烷。認為脫水將降低潛在的腐蝕問題，能導致用來將廢氣注入到巖層中的注入裝置和井口的腐蝕。
在高于巖層內的儲層壓力時，將富集氮的殘液注入到固體含碳地下巖層中。優選地，壓力約在3,447,378-10,342,136帕斯卡、高于巖層內的油層壓力時，注入富集氮的殘液。如果注入壓力低于或等于儲層壓力，那么將不能注入富集氮的殘液，這是因為它不能克服儲層壓力。富集氮最好在低于固體含碳地下巖層的分壓下注入。如果注入的壓力太高且巖層徹底破裂的話，富集氮的殘液就有可能損失，并且生產的甲烷少。
然而，根據對其它儲層的研究，認為在壓力高于巖層分壓力時，只要所引起的裂縫不從注入井到生產井延伸，就可以將富集氮的殘液注入到巖層中。實際上，在壓力處在巖層分壓以上時，為了達到充分的注入和/或回收率，需要進行注入，從而使工藝經濟，或者在其它的情況下，為了達到改進投資結果也可以需要注入，當能夠做而不放棄全部的操作。巖層內引起的裂縫長度的一半約小于注入井和生產井之間的距離的20％-30％。另外所引發的裂縫最好保持在巖層內。
回收甲烷的重要參數，如裂縫半長、裂縫方位、和高度生長，能夠通過已知的巖層模擬技術來測定。這些技術被公開在石油工程師協會專題論文輯、1989年、第12冊、第25-29頁和第76-77頁中由John L.等人著的水力碎裂煤層最新動態中；和1978年的石油工程師協會技術年會和德克薩斯州休斯敦10月1-3日舉辦的展覽會上所介紹的、由Schus-ter，C.L.撰寫的“探測井口由水力碎裂煤層所產生的地震信號”論文SPE7448。另外，通過壓力瞬變狀態分析儀和天然氣層流動模型的結合，能夠確定裂縫半長和沖擊的方向，所述模型被公開在石油工程師協會第69次技術年會、由N.Ali等人撰寫的論文SPE“挪威Valhal礦區的裂縫分壓以上注入作用方向”和1991年10月6-9日德克薩斯州達拉斯舉辦的石油工程師協會的展覽會。同時認為以上的參考文獻描述了一種用于通過在裂縫分壓以上注入水來提高油的回收的方法，同時認為在SPE22893中所述方法和技術適用于從固體含碳地下巖層中增加回收甲烷。
總之，固體含碳地下巖層愈深，將富集氮殘液注入到巖層中所需要的壓力就愈高。通常注入的壓力在2,757,903-13,789,514帕斯卡，就足以將富集氮殘液注入到希望回收甲烷的大部分的巖層中。
通過與巖層流體連通的注入井，將富集氮殘液注入到固體含碳地下巖層。注入井優選滲透到含甲烷的巖層中，但只要在巖層與注入井之間流體連通，注入井就不需要滲透到含甲烷的巖層中。富集氮殘液的注入可以采用連續方式或間歇方式進行。注入的壓力可保持在穩定的壓力或變化的壓力。
從與巖層流體連通的生產井中回采含甲烷的流體。正如注入井一樣，生產井最好滲透到含甲烷的巖層中去，但只要在巖層與生產井之間流體連通，生產井就不需要滲透到巖層中去。用與傳統的煤層甲烷回收井一樣的方法來使用所述生產井或井。在通過那個生產井回收含有甲烷的流體的過程中，希望使生產井中的背壓處于最低。生產井中背壓的降低將有助于含甲烷的流體從巖層運動到井口。
生產井優選這樣使用，以便靠近甲烷生產巖層附近的井口位置的生產井中的壓力低于巖層中原始儲存壓力。靠近甲烷生產巖層附近的井口位置處在井口范圍內，而不在巖層中。原始儲存壓力是一個在富集氮殘液注入到巖層中之前的那段時間生產井附近的儲存壓力。在注入富集氮殘液的過程中，儲存壓力有可能提高，但認為生產井中靠近巖層的壓力最好保持在低于原始儲存壓力。這樣將增強流體從巖層運動到井口。生產井中靠近甲烷生產巖層井口處的壓力最好低于約2,757,903帕斯卡。
在一些實施例中，生產井井口中的背壓是優選的，例如，當最理想的是保持較高的儲存壓力，以便使周圍的含水層流入到巖層中的水的流入量最少。流入巖層中的水的流入量將能夠降低甲烷的回收率，并使生產井的施工變得復雜。
另一種能夠更好的保持生產井的井口背壓的情況是在有關井孔附近或井孔內的巖層內固體和/或液體的沉積和/或冷凝的時候。井孔附近或井孔內的巖層內固體和/或液體的沉積和/或冷凝，將使生產井中甲烷回收率降低。可能沉積或冷凝在井孔附近之外并存在一個問題的材料是含吸著油的蠟，所述吸著油可在母巖層中流通并流向生產井。認為生產井的井孔內的高壓將使這種井孔附近或井孔內的固體或氣體的沉積和/冷凝降到最低。因此，如果井孔內的沉積和冷凝成為一個問題的話，那么將生產井的井孔內的壓力提高到象實際使用的那樣高的壓力可能更好。
生產井中的甲烷回收率增長的時間和增長量將取決于許多因素，這些因素包括，如井間距、固體含碳地下巖層的厚度、層理孔隙、注入壓力和注入速度、注入的流體組分、所吸附的氣態流體組分、儲存壓力、巖層的滲透性、和注入富集氮殘液之前的甲烷總量。
當使前述的參數保持不變時，生產井和注入井之間的距離較小將導致可探測到的生產井的反應(甲烷回收率的提高和富集氮殘液注入到巖層中之前的較短的時間)，比注入井和生產井之間距離較大的反應要快。當將井分開時，甲烷回收率迅速提高的要求與其它的因素相平衡，這些因素如當使用縮短的井間距時的早期氮臨界點，和從所給定間距的巖層中將甲烷解吸出來所使用的富集氮殘液的量。
如果需要，本發明所生產出來的甲烷能夠與同時產生的氣態流體相分離，如氮或氮和任一氣體的混合物或被注入的或從固體含碳地下巖層中產生的氣態流體。當然，這種同時產生的氣態流體將包括與甲烷一起的任何自然發生在固體含碳地下巖層中的氣態流體。這些與甲烷一起自然發生的氣態流體通常被稱作煤層甲烷。這些自然產生的氣態流體包括、如硫化氫、二氧化碳、乙烷、丙烷、丁烷和少量的重烴。如果需要，本發明所生產的甲烷能夠與來自含有少量雜質中的甲烷相混合。
實施例1本實施例表示各種解吸流體注入到煤層中以便有助于從煤層中回收甲烷時的預測的煤層曲線。在本實施例中，注入是在年點開始的。該實施例中所有的解吸流體在13,789,514帕斯卡的注入壓力下，被注入到煤層中。注入到巖層中的解吸流體包括純氮；含有體積百分比為85％的氮和體積百分比為15％的二氧化碳的廢氣；等摩爾二氧化碳和氮的混合物；含有體積百分比為85％的二氧化碳和體積百分比為15％的氮的解吸流體；和純二氧化碳。
圖1-7所表示的數據，是通過所設計的模型產生的。所設計的模型是為了描述一個3.05米厚且在垂直和水平方向上均勻的假定煤層。用曲線表示的數據被校正為溫度15.6℃、壓力101,353帕斯卡。假定的煤層具有下列性能滲透性＝10毫達西；孔隙度＝0.5％；在注入解吸流體之前，儲層壓力為10,342,136帕斯卡；和儲層溫度＝46.1℃。
所述煤層被甲烷飽和，且由生產井所消耗的區域為186,155平方公里的巖層。在該模型中，假定生產井由四個注入井圍繞著，這些注入井布置在五處巖層中。假定每個注入用相同的方法作用于生產井且生產井中的四分之一的反應歸因于給每個注入井。被注入到巖層且由生產井排出的累積的解吸流體來自四個注入井。每個注入井貢獻四分之一總的所注入的解吸流體。圖1-7表示了預測的氣態流體回收率(每天一千標準立方米(MSCM/Day))和表示累積的氣態流體回收(百萬標準立方米(MMSCM))。
所使用的模型是通過二維Virial狀態方程式來設計。對Virial狀態方程式的說明和怎樣使用它們來制造與本發明人所使用的模型類似的模型，該模型公開在DeGance，“碳物質上的多組分高壓吸附平衡理論和數據”流體相平衡，78年第99-137，(1992)Elsevier科技出版社B.V.，阿姆斯特丹；這里引入以作為參考。
從圖1和5中能夠看到，在解吸流體開始注入之后的一段延續的時間，生產井中的所回收的流體中的二氧化碳保持在低于注入的解吸流體所含二氧化碳的體積百分比。所回收的流體中的二氧化碳體積百分比開始增長的時間大約與所回收的流體中的甲烷體積百分比開始下降的時間相同。從圖2和5中能夠看到，巖層中所含甲烷的實際百分比到所回收的流體中的二氧化碳體積百分比增加到所注入的解吸流體中的二氧化碳體積百分比以上時候已經回收。另外，由于甲烷可以用來將二氧化碳與甲烷、氮和其它流體經濟地分離，能夠將二氣化碳與從生產井中回收的流體分離，并將其反向注入到煤層和/或附近的其它煤層。
圖1-7也顯示了在二氧化碳與從生產井中回收的流體中的其它注入的解吸流體組分的比值，達到二氧化碳與所注入的解吸流體內所含的其它注入的解吸流體組分的比值之前，從生產井被排放的區域能夠回收到的甲烷的實際百分比。
應該注意，由于在上述的例子中的模型和下面實施例是理想化的，沒有考慮到實際的固體含碳地下巖層中存在的不均勻性。因此，這個模型和實施例2和3中描述的模型不能預測巖層內所可能發生的條痕。然而，與前述的巖層內的條痕的減少一起公開的實施例，能夠使普通專業技術人員實現本發明。
實施例2本實施例表示含有二氧化碳的解吸流體注入到煤層中以便提高從煤層中回收甲烷時的預測的煤層曲線。在本實施例中，解吸流體的注入是在四年取盡之后開始的。本實施例中所有的解吸流體在13,789,514帕斯卡的注入壓力下，穿過具有表層-3的注入井，被注入到煤層中。該生產井的井下生產壓力為689,476帕斯卡，和表層-3。表層是井孔巖層附近的滲透性的范圍。正表層表示井孔附近的損耗，負表層表示井孔附近的促進作用。注入到巖層中的解吸流體包括純二氧化碳；和含有體積百分比為70％的二氧化碳和體積百分比為30％的甲烷的解吸流體。
圖11-18所表示的數據，是通過所設計的模型產生的。所設計的模型是為了描述一個15.24米厚且在垂直和水平方向上均勻的假定煤層。用曲線表示的數據被校正為溫度15.6℃、壓力101,353帕斯卡。假定的煤層具有下列性能滲透性＝5毫達西；在注入解吸流體之前，儲層壓力為10,342,136帕斯卡；和儲層溫度＝46.1℃。
所述煤層被甲烷飽和，且由生產井所消耗的區域為647,497平方公里的巖層。在該模型中，假定生產井由四個注入井圍繞著，這些注入井布置在五處巖層中。假定每個注入用相同的方法來影響生產井和生產井中的四分之一的反應歸因于每個注入中。被注入到巖層且由生產井排出的累積的解吸流體來自四個注入井。每個注入井貢獻四分之一總的所注入的解吸流體。
所使用的模型是通過延伸的Langmuir等溫吸附線模型來設計。對延伸的Langmuir等溫吸附線模型的說明和怎樣使用它來制造與本發明人所使用的模型類似的模型，該模型公開在石油工程師協會1992年公布的SPE24363，第459-472頁上、由L.E.Arri等人撰寫的“二元氣體吸附作用的模型化的煤層甲烷生產”論文；這里引入以作為參考。本實施例表明在一些普通專業技術人員所知道的情況下，包括二氧化碳和甲烷的解吸流體有助于從固體含碳地下巖層中回收甲烷，特別是在將甲烷從所回收的廢氣流中分離的成本太高的情況下。在這種情況下，將流體重新注入到吸附二氧化碳組分流并允許甲烷穿過回收用的生產井的巖層。
實施例3本實施例所使用的模擬技術和參數與實施例2中使用的相同。但是在本實施例中，使用了沒有飽和的煤層，并將具有15％體積百分比的二氧化碳和85％體積百分比的氮的混合氣體注入到煤層中。氣態流體的注入在零點開始。圖8-10所示例子表明在含有二氧化碳和氮的氣態流體注入到巖層中時，固體含碳地下巖層能有效地提供富含氮的流體。該模型預計在圖8-10所示的全部過程中，所回收的流體中的含氮體積百分比將是100％；在圖8-10所示的全部過程中，所回收的流體中的含二氧化碳體積百分比將增加到0.01％以上。
認為在空氣通過注入井被注入到巖層中，并通過生產井排出時，固體含碳地下巖層也將提供一種富含氮的流體。
根據以上所述，將看到許多變化、改進和修改對于普通專業技術人員來說是顯而易見的。因此，這種描述僅僅是根據圖示來進行，并用于指導普通技術人員實施本發明的方法。對于本申請中所述的可以進行變化，材料可以替換。例如，認為化學吸附到巖層中的含碳物質的氣態流體可以在巖層中，利用處理巖層內的較強吸附流體相類似的處理方法進行處理。
這樣，在不脫離由權利要求書所限定的本發明的范圍內可以做出各種修改、替換和改變等。當然所有這些修改都落入所附加的權利要求書中。
權利要求
1.一種從由注入井和生產井穿過的固體含碳地下巖層中回收甲烷的方法，該方法包括下列步驟a)將具有二氧化碳與其它注入的解吸流體組分的體積比等于B的解吸流體，通過注入井注入到巖層中；b)通過生產井從巖層中將包括甲烷和二氧化碳且二氧化碳與其它注入的解吸流體組分的體積比低于B的廢氣抽出；和c)在步驟b)中，所抽出的氣態流體內的二氧化碳與其它注入的解吸流體組分的體積比大于0.5B時，就停止從巖層中抽氣態流體。
2.根據權利要求1所述的方法，其特征在于固體含碳地下巖層包括至少一個煤層。
3.根據權利要求1所述的方法，其特征在于所注入的解吸流體包括廢氣。
4.根據權利要求1所述的方法，其特征在于所注入的解吸流體包括49％體積百分比以上的二氧化碳。
5.根據權利要求4所述的方法，其特征在于所注入的解吸流體包括甲烷和二氧化碳。
6.一種用于將煤層中的氣態流體混合物分離的方法，該方法包括下列步驟a)將含有較弱吸附流體組分和較強流體組分的氣態流體混合物注入到煤層中；和b)從巖層中回收富集在較弱吸附流體組分上的殘液。
7.根據權利要求6所述的方法，其特征在于在步驟b)的過程中確定的總壓力，該方法還包括c)降低煤層上的總壓力，以便使富集在較強吸附流體組分上的吸附物從煤層上解吸出來；和d)至少將一部分被解吸的吸附物從煤層中取出。
8.根據權利要求6所述的方法，進一步包括c)通過注入井，將殘液注入到第二個煤層中；和d)從第二個煤層中回收甲烷。
9.根據權利要求6所述的方法，其特征在于輸入到步驟a)煤層中的氣態流體混合物包含廢氣，從煤層中回收的殘液富含氮。
10.根據權利要求6所述的方法，其特征在于步驟b)中回收的殘液中包括甲烷。
11.根據權利要求6所述的方法，其特征在于輸入到步驟a)煤層中的氣態流體混合物包括甲烷和二氧化碳。
12.一種用于處理固體含碳地下巖層內的不良氣態流體組分的方法，該方法包括下列步驟a)將包括不良氣態流體組分的氣態流體注入到巖層中，以便將不良氣態流體吸附到巖層中；和b)保持巖層處理條件，以確保吸附在巖層上的不良氣態流體組分的處理飽和度保持在至少10％。
13.根據權利要求12所述的方法，其特征在于吸附在巖層上的大約40-80％體積百分比的不良氣態流體組分，在一年之后仍吸附在巖層上。
14.根據權利要求12所述的方法，其特征在于固體含碳地下巖層是可回收甲烷貧化的。
15.根據權利要求14所述的方法，其特征在于不良氣態流體組分包括二氧化碳。
16.根據權利要求14所述的方法，其特征在于步驟b)中所注入的氣態流體包括廢氣，而且吸附在巖層上的不良氣態流體組分選自氧化氮、氧化硫、和它們的混合物。
全文摘要
一種用于處理固體含碳地下巖層內的混合氣體的方法。在一些實施方案中，本發明提供了處理巖層內的較強吸附氣體的方法。在另外一些實施方案中，本發明提供了一種用于分離巖層內的氣態流體混合物的方法。還有些實施方案中，本發明提供了從富集相對較弱吸附氣體的巖層中回收殘液的方法。另外還有一些實施方案中，本發明提供了從巖層中回收甲烷的方法。
文檔編號E21B43/00GK1135782SQ95190877
公開日1996年11月13日 申請日期1995年3月24日 優先權日1994年4月1日
發明者約瑟夫·J·切班克, 丹李, 小理查德·F·伏爾茲, 瓊·P·塞德爾, 理杰恩·普瑞 申請人:阿莫科公司