增强型二氧化碳基地热能生成系统和方法

增强型二氧化碳基地热能生成系统和方法
【专利说明】増强型二氧化碳基地热能生成系统和方法
[0001]相关申请的交叉参考
[0002]本国际申请要求提交于2012年11月12日的第61/725270号美国临时专利申请的优先权，并且通过引用将其全部内容并入本文。
[0003]发明背景
[0004]鉴于全球气候变化并且响应于减少对外国石油供应依赖的不断增长的愿望，人们正越来越多地研究和开发可再生能量系统如风能、太阳能和地热能基系统。然而，由于如成本高、整体工艺的低效率，对环境可能不利的影响等原因，许多这样的系统只有有限的潜力。
[0005]发明概述
[0006]本公开描述用于通过将非水基工作液，如二氧化碳(CO2)，注入油气藏以提取地热来有效地回收来自油气藏的地热的系统和方法。0)2然后可被开采回到地表，并且由0)2捕获的地热能的一部分可以通过能量回收设备来回收，如电力生产设备(例如，驱动发电机的膨胀装置)或热回收装置(例如，一个或多个热交换器，用于加热第二工作流体)。
[0007]具体地，本公开描述从包含原生流体的油气藏中回收地热，所述原生流体包括含有天然气、特别是甲烷(CH4)的溶液。CO2可引起CH4随着原生流体逸出，使得甲烷与CO2形成生产流体。该生产流体可通过地热被加热并开采到地表，其中至少一部分的014可以从生产流体分离并燃烧，以在将生产流体送入能量回收设备之前增加其整体温度。该系统和方法可以利用0)2的化学性质来从油气藏中提取CH4，并且然后可以使用存储在一部分的CH4中的化学能来补充由生产流体捕获的地热能。从油气藏回收甲烷以及为了提高生产流体的温度或压力或两者而进行的一部分甲烷一的后续燃烧，相对于单独的地热捕获，可以提高整个系统的效率以及所产生的总功率。本公开的甲烷捕获和使用的系统和方法可允许从低温油气藏(例如，低至约15°C，或在某些情况下，低至约10°C的)经济上可行地回收地热能。因此，本发明的系统和方法可以开启对迄今一直在经济上很难或不可能实现的油气藏的地热开采。
[0008]本公开描述了系统，包括用于获取一个或多个地下油气藏的一个或多个注入井，该一个或多个油气藏处于一个或多个第一温度并且含有至少一种原生流体，所述原生流体可包括含有甲烷的溶液，该一个或多个注入井中的每一个均具有与该一个或多个油气藏中的至少一个油气藏流体连通的注入井油气藏开口。该系统还包括一个或多个生产井，每一个均具有与该一个或多个油气藏中至少一个流体连通的生产井油气藏开口。工作流体供给系统向在低于第一温度的第二温度下的一个或多个注入井提供非水基工作流体。该非水基工作流体向原生流体的暴露导致至少一部分的甲烷随着原生流体从溶液中逸出，以形成至少一部分的非水基工作流体和该部分的甲烷的生产流体。该混合物向第一温度的暴露将该生产流体加热至高于第二温度的第三温度，其中该生产流体能够进入一个或多个生产井油气藏开口。该体统还包括与一个或多个生产井流体连通的能量回收设备，其中包含在生产流体中的能量可以在能量回收设备中转换为电、热，或其组合。
[0009]本公开还描述了方法，包括将在第一温度的非水基工作流体通过一个或多个注入井引入含有至少一种原生流体的一个或多个地下油气藏中，该原生流体包括含有甲烷的溶液，其中该一个或多个油气藏在高于所述第一温度的一个或多个第二温度下，使非水基工作流体暴露于原生流体以使至少一部分的甲烷随着原生流体从溶液中逸出，以形成至少一部分的非水基工作流体和该部分的甲烷的生产流体，使生产流体暴露于第二温度以将所述生产流体加热至高于所述第一温度的第三温度，通过一个或多个生产井生产所述生产流体，以及从所述生产流体提取能量。
[0010]本系统和方法的这些和其它实例和特征将在以下详述的部分中阐述。本概述旨在提供本主题的概览，并不旨在提供排他性或穷尽性的说明。以下的详述被引入以提供本系统和方法的进一步信息。
【附图说明】
[0011]图1是实例地热能回收系统的简化示意图。
[0012]图2是另一个实例地热能回收系统的简化示意图
[0013]图3是另一个实例地热能回收系统的简化示意图。
[0014]图4是另一个实例地热能回收系统的简化示意图。
[0015]图5是油气减内尚甲烧浓度区地层的简化不意图。
[0016]图6是用于从油气藏中提取工作流体和甲烷的各种注入井和生产井的布置的简化示意图。
[0017]图7A是仅CO2工作流体的实例动力循环的相图。
[0018]图7B是CO2-甲烷工作流体的实例动力循环的相图。
[0019]图8是另一个实例地热能回收系统的简化示意图。
[0020]图9是另一个实例地热能回收系统的简化示意图。
[0021 ] 图1O是另一个实例地热能回收系统的简化示意图。
[0022]图1lA示出了依赖于所产生的流体的井口温度，与非增强型0)2基地热能回收系统相比和与甲烷燃烧相比，由甲烷增强型地热能回收系统产生的电的曲线。
[0023]图1lB示出了依赖于所产生的流体的井底温度，与非增强型0)2基地热能回收系统相比和与甲烷燃烧相比，由甲烷增强型地热能回收系统产生的电的曲线。
[0024]图12A示出了依赖于所产生的流体的井口温度，与非增强型0)2基地热能回收系统相比和与甲烷燃烧相比，由甲烷增强型地热能回收系统产生的电的曲线。
[0025]图12B示出了依赖于所产生的流体的井底温度，与非增强型0)2基地热能回收系统相比和与甲烷燃烧相比，由甲烷增强型地热能回收系统产生的电的曲线。
[0026]图13示出了与非废热增强型CO2基地热能回收系统相比，以及与单独废热回收相比，废热增强型地热能回收系统产生的电的曲线。
[0027]图14示出了来自各种来源的可用能量值的曲线。
[0028]图15示出了来自各种来源产生的电的曲线。
[0029]发明详述
[0030]在以下详述中，参考构成其一部分的附图，并且其中通过图示的方式示出可以实现本发明的具体实例。对这些实例进行了足够详细的描述以使本领域的技术人员能够实现本发明，并且应当理解的是，其它实施方案也可以使用。也应理解的是，可以在不脱离本发明的精神和范围进行结构上的、程序性的、化学的和系统的变化。因此，以下详述不应被视为具有限制意义，并且本发明的范围应由所附的权利要求及其等效物来限定。
[0031]本公开描述了使用非水基工作流体如二氧化碳(CO2)来回收地热能的地热能回收系统和方法。地热能回收系统和方法可以包括在Saar等人的题为“CARBON D1XIDE-BASEDGEOTHERMAL ENERGY GENERAT1N SYSTEMS AND METHODS RELATED THERETO” 的美国第US2012-0001429号公开申请，以及在2012年7月20日提交的Saar等人的题为“CARBOND1XIDE-BASED GEOTHERMAL ENERGY GENERAT1N SYSTEMS AND METHODS RELATED THERETO”的第13/554868号美国专利申请中公开的实例系统和方法，在此通过引用将二者以整体形式并入本文。如在这些申请中所述，二氧化碳工作流体可以作为气羽流(gas plume)通过油气藏，因此本申请中该系统被称为二氧化碳(或CO2)羽流地热(“CPG”)系统。
[0032]本公开还描述了将非水基工作流体供给至包含原生流体的油气藏，所述原生流体包括含有甲烷的溶液。例如，该油气藏可以包括深的盐水含水层，其包含具有溶解在盐水溶液中的天然气(天然气通常包含约97%以上的甲烷)的盐水溶液。因为如本文所用的“天然气”，一般是至少约97wt %以上的甲烷，所以为简便起见，本公开的其余部分将称其为“甲烷”。应当为本领域普通技术人员所理解的是，“甲烷”可以指可包括在天然气中的其它气态烃，如乙烷、丙烷和更高级的烷烃。将二氧化碳工作流体注入至盐水含水层可导致一部分的CO2溶解到盐水溶液中，其可以迫使大部分所溶解的甲烷从溶液中逸出。所释放的甲烷可以与剩余的二氧化碳结合形成气态羽流形式的生产流体，类似于在CPG系统中CO2羽流。此夕卜，具有溶解的甲烷或自由相甲烷加上CO2的盐水溶液的混合物的区域，可以在天然盐水溶液与CO2结合甲烷的区域之间形成。除了与在CPG系统中形成的CO 2羽流类似的生产流体夕卜，包括盐水、甲烷和/或0)2的流体也可以形成生产流体。如下面更详述的，从盐水含水层回收的甲烷的一部分可以被燃烧以在从生产流体中回收能量(如通过使生产流体通过膨胀装置提供发电机的动力来产生电能)之前，增加生产流体的温度或压力或两者。在生产流体中存在的甲烷的剩余部分可以被分离出并出售，或者可以将其回注入油气藏中以用于在能量回收系统中进一步生产和使用。使用回收的甲烷以提高该系统的经济效率，可以在本文中称为甲烷增强型0)2羽流地热(“ΜΕ-CPG”)系统。
[0033]可替代地，油气藏可包括油田或天然气田，其中所述石油或天然气的烃已经使用常规回收方法部分回收。石油或天然气的烃可以通过注入油田的二氧化碳或其它回收流体来回收，从而从油气藏释放一部分烃。这个过程可以称为“增强型石油采收”(E0R)(在下面更详述)。来自EOR油田的生产流体可包括CO2工作流体、甲烷和其它天然气组分、其它较高级烃和盐水。作为上述盐水含水层油气藏，在进行进一步能量回收之前，可以使用从EOR油田中回收一部分甲烷以提高生产流体的温度、压力或两者。EOR烃可从生产流体中分离和出售。分离的烃的一部分也可以燃烧以在能量回收之前加热工作流体或增加工作流体的压力。
[0034]本公开的系统可以包括，其中产生大量热量的部件或方面，该热量通常损失到大气中。例如，EOR和CPG系统可以包括用于CO2的一个或多个压缩机，使得CO2可以回注入油气藏，用于进一步石油或天然气回收、地热的热回收，或CO2隔离。压缩机可以产生大量热量，根据所用压缩机系统的类型，在压缩的各个阶段以压缩400-450千焦耳(kj)/千克(kg)的量级压缩二氧化碳。EOR系统还可以在从生产流体分离石油和天然气的烃的期间产生大量的热，例如，在一部分甲烷或其它所产生的流体被燃烧以加热生产流体从而提高分离效率时。
[0035]在一些实例中，地热能回收系统和EOR系统(如果存在)可以与另一个设施类型共址，例如，发电厂或乙醇或生物燃料生产厂。例如，共址设施可以是被压缩并注入油气藏并用于回收地热、甲烷和/或其它烃的0)2初始源。共址设施通常还可以产生大量废热。此外，对于共址生物燃料生产工厂，如乙醇工厂，该工厂生产的一部分的生物燃料可以被燃烧，以在从工作流体或生产流体能量回收之前增加工作流体或生产流体的温度或增加工作流体的压力或两者。同样地，可获得来自场外第三方的生物燃料等并且输送到热回收系统并燃烧，以增加工作流体或生产流体的温度或者增加工作流体的压力，或这两者。
[0036]在一些实例中，本公开内容的系统和方法可包括用于回收由该系统或方法的一些其它方面产生的废热的热回收系统，如来自0)2压缩机、EOR分离系统或者共址设施的废热。由热回收系统中回收的废热，也可在其被送入能量回收系统(例如，膨胀装置和发电机)之前用于增加生产流体的温度、压力或两者。采用热回收系统的废热捕获可以增加地热能回收系统和方法的效率，这与在ME-CPG系统中通过回收的甲烷燃烧所提供的强化类似。为了提高该系统的经济效率而进行的废热捕获，在本文中可以称为废热增强型0)2羽流地热(“WHE-CPG”)系统。应当理解，ME-CPG和WHE-CPG可以在同一系统中共同使用。
[0037]常规的地热能技术
[0038]地热能是在地球(或任何其它行星)内部产生并储藏的热能，它可以被“开采”以用于各种用途，包括产生电、供直接使用，或者用于地源热栗。在被“开采”之后，相对于在人体时间尺度上补给的热能，地热能可以是相对恒定的。除了地球之外，地热能也可以不需要存储。
[0039]常规的地热能的潜在用途一般是温度依赖性的，其中级联系统将单一地热资源用于多种用途。使用水作为工作流体的水基地热系统(例如，常规的水基增强型地热系统(EGS)和常规的非EGS水基)可能需要非常高的温度。例如，在水基地热发电厂，发电通常需要超过165°C的温度。当水是地下的地热工作流体时，来自该系统的直接的使用如水产养殖、温室、工业和农业过程、度假村、空间和区域供热(井至建筑物)可以利用约38-165Γ的更适中的温度。来自水基地热系统的住宅和商业建筑的地源热栗，其可使用次级热交换流体(如异丁烯)以便从地面传输地热能来供使用，一般可以需要介于约4-38°C之间的温度。
[0040]定义
[0041 ]本文所用的术语“地下(subterranean/subsurface/underground) ”，可以是指地球表面之下位置和/或地质层。
[0042]如本文所用的术语“原位”，可以指地质特征的原生的或原始位置或地方，其可以是在地面上或地下，使得其位于在它最初形成或自然沉积的地方，并且随着时间的推移基本上保持未受干扰，从而使得其处于基本相同的原始状态中。地质特征可以是岩石、矿物、沉积物、油气藏、盖层等，或其任意组合。而在该地质特征的内部、周围或附近进行最小人为干扰以用于创建和/或放置组件(例如，诸如注入井和/或生产井的通道)之后，地质特征还进一步被看做保持“原位”。在最小人为干扰之后，如造成岩石、矿物、沉积物和土壤由于最小人为或自然干扰造成的可控或有限数量的脱落，特征也被看作保持“原位”。与此相反，在任何类型的大型人为干扰之后，包括大规模水力压裂(如创建人工油气藏)，或者如永久变形地质特征、在大型压裂之后地震和/或震颤的人为干扰，所有这些都可能对地下水的流动路径、栖息地和人造建筑物造成进一步的负面影响，特征不被认为保持“原位”。
[0043]术语“大规模水力压裂”，如本文使用的，可以指已知的方法，用于创建或诱导在特征(诸如岩石或部分固结沉淀物)中的人工裂缝和/或断层，通常是在增强型地热系统的操作期间(EGS)。参见，例如，Potter (波特)的第3786858号美国专利，其采用水用于岩石的水力压裂来创建从其中将流体输送到地表的热地质油气藏。已知大规模水力压裂造成意想不到的流体流动通路，其可能导致流体损失或“短路”，这反过来又降低了工作流体的地热加热效率。大规模水力压裂也可以引起天然和/或人工建筑物的(微)地震和损害。
[0044]在本文中使用的术语“岩石”，可以指较硬的自然形成的矿物、矿物的集合，或石化物质。岩石的集合通常被称为“岩层”。地球上各种类型的岩石已被确定，包括，例如，火成岩、变质岩、沉积岩等。岩石可以侵蚀或受质量损耗，成为接近或距离其原始位置许多英里的沉淀物和/或土壤。
[0045]在本文中使用的术语“沉积物”可以指由自然力侵蚀的颗粒材料，但尚未到成为“土壤”的程度。沉积物可能在地壳上或在地壳内找到。沉积物的集合通常被称为“沉积物层”。虽然沉积物通常是松散的，但是“部分固结的沉积物”往往简称为“沉积物”，因此被视为被包括在沉积物的定义范围内。
[0046]在本文中使用的术语“土壤”，可以指含有生物活性的多孔介质的颗粒材料。土壤出现在(或作为)地壳的最上层部分，并通过固体材料，如固结的岩石、沉积物、冰磧物火山灰和有机物质的风化演变而来。虽然经常与术语“泥土”互换使用，但是泥土在技术上是无生物活性的。
[0047]在本文中使用的术语“流体”可以指液体、气体或其组合，或存在在临界点以上的流体，例如，超临界流体。流体能够流动、扩大和适应其物理环境的形状。流体可以包括原生流体、工作流体或其组合。流体的实例包括，例如，空气、水、盐水溶液(即盐水)、烃、二氧化碳、岩浆、稀有气体或其任意组合。
[0048]在本文中使用术语“原生流体”可以指在本发明的系统或方法实施之前流体驻留在岩层或沉积物层中。原生流体包括，但不限于，水、盐水、石油、天然气、烃(例如，甲烷、天然气、石油)及其组合。二氧化碳也可以是预先存在于岩层或沉积物层中的，从而构成本例中的原生流体。
[0049]在本文中使用的术语“工作流体”，可以指不是天然的岩层或沉积物层原生的流体，并且由于一些目的其被用于本发明的系统或方法中。工作流体可经历从气体到液体(能量源)、从液体到气体(制冷剂)的相变，或可以成为溶液的一部分(例如，通过溶解到原生流体)。在机器中或在封闭循环系统中的“工作流体”可以是致动机器的加压气体或液体。在常规的(例如，水基)热力发动机系统中使用水作为工作流体。非水基工作流体可以包括，但不限于，氨、二氧化硫、二氧化碳以及非卤化的烃如甲烷。工作流体可以包括在超临界状态下的流体。不同的工作流体可以有不同的热力学和流体动力特性，从而导致不同的功率转换效率。
[0050]在本文中使用的术语“孔隙”，可以指不被固体(岩石或矿物)占用的任何空隙。孔隙可以是在颗粒之间形成的空隙，或由断裂、断层、裂缝、管道、洞穴形成的空隙，或任何其它类型的非固体空隙形式。孔隙可以连接或不连接，并且由于固体体积或大小(其可以来自化学反应，变形等)的改变，它可以随着时间的推移而变化。空隙可填充有流体，并仍然被认为是“孔隙”。
[0051]在本文中使用的术语“C02羽流”，可以指在地下孔隙内存在的大规模(例如，几米到几千米到几十公里的跨度)的co2。在CO2羽流中，在孔隙中高百分比的流体可以是C02。CO2羽流可包括可以在其行进通过油气藏的时候被CO2羽流收集并携带的其它流体，如原生甲烷或其它烃。例如，CO2羽流可以包括已从盐水含水层解吸(如在下面更详述)的相当高百分比(例如，多达20wt%)的甲烷。CO2羽流也可包括很大部分的天然烃(例如，多达90wt %以上的烃)，并且仍然可以被认为是在本发明的含义范围内的“0)2羽流”。CO 2羽流可以含有很大部分(例如，高达70V/V%S更多的)原生流体，如从油气藏中提取的盐水溶液或碳氢化合物。盐水溶液或其它原生流体可以是静止的或仅最低限度地移动的，因此，在本领域中一般认为是被剩余捕获的。
[0052]在本文中使用的术语“油气藏”或“存储岩层”或“存储沉积物层”，可以指包含一个或多个岩石、泥沙和土壤的地层，其可以能够基本上“永远”(如该术语为在地质领域中所理解的)接收和存储的一定量流体。
[0053]在本文中使用的术语“地热流量”，可以指在地下的任何种类的热传递，并且可以包括一个或多个热传递、对流热传递(也称为对流换热)和辐射热传递(虽然在地下辐射热传递通常可以忽略不计)。“低的”热流通常可以被认为是低于约50毫瓦/平方米。“中等的”热流通常可以被认为是至少约50至约80毫瓦/平方米。“高的”热流通常可以被认为是大于80毫瓦/平方米。
[0054]如本文中使用的术语“注入井”，可以指井或井眼，其可以为加盖的(例如，有内衬的)或不加盖的，并且其可以包含一个或多个管道，通过其流体可以以释放出流体到地下某一深度为目的流动(通常方向是向下)。
[0055]如本文中使用的术语“生产井”，可以指井或井眼，其可以为加盖的(例如，有内衬的)或不加盖的，并且其可以包含一个或多个管道，通过其流体可以以将流体从地下输送至地表或接近地表为目的的流动(通常方向是向上)。生产井可以在同一钻孔作为注入井存在。
[0056]如本文中使用的术语“增强型地热系统”(EGS)，可以指通常通过地下的大规模水力压裂在其中创建了人工(例如，人造)油气藏的系统，如通过引入裂缝来创造可容纳显著量的流体的空隙。这样的人工油气藏通常可以比天然油气藏要小得多。
[0057]如本文中使用的术语“增强型石油采收”(EOR)(也被称为“改善的石油回收”，“三次采油”或“四次采油”)，可以指从油气藏中回收烃(包括但不限于，液体烃如原油以及在大气压力和温度下是气态的烃如天然气)的系统或方法。EOR可包括将流体(如二氧化碳)或其它组分注入到油气藏中，以提高烃的提取，如通过至少降低流体粘度、减少烃的表面张力或增加油气藏的压力中的至少一种，以更方便地将其从油气藏中去除。
[0058]如本文中使用的“常规的水基地热系统”，可以指使用水作为工作流体的地热系统。常规的水基地热方法可以在原生油气藏系统或水力压裂的(例如，EGS)系统中使用。
[0059]如本