Способ добычи водорода из подземных геотермальных пластов Российский патент 2022 года по МПК E21B43/00 E21B36/00 E21B43/38 E21B43/08 

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ

Область техники относится к добыче водорода из подземных геотермальных систем.

ПРЕДПОСЫЛКИ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Геотермальная энергия повсеместно распространена на планетах, подобных Земле, и используются многие технологии получения тепловой энергии путем добычи на поверхность горячей воды или горячего газа, или того и другого и побочных продуктов.

В некоторых областях водород и оксиды углерода добывают в количествах, которые могут быть потенциально коммерчески выгодными в качестве побочного продукта геотермальной добычи. Эти газы являются составляющими вулканического газа. Смесь водорода и оксидов углерода с паром можно считать природным синтез-газом, который можно использовать как топливо или как сырье для химического производства.

Реакция конверсии водяного газа происходит при температурах и давлениях во многих подземных геотермальных системах, которые доступны с помощью существующих технологий бурения и освоения скважин.

Реакция конверсии водяного газа может происходить при более низких температурах в присутствии оксидов углерода, пара, меди, никеля, железа или других каталитических материалов. Водород, добываемый из этих систем, может происходить из источников в глубинных породах, таких как природные гидриды, но также из воды в результате реакции конверсии водяного газа. Добыча водорода из подземных геотермальных систем имеет тенденцию запускать реакцию конверсии водяного газа, так что из системы добывается больше водорода.

Газификация в расплаве солей может происходить при температурах и давлениях во многих подземных геотермальных системах, которые доступны с помощью существующих технологий бурения и освоения скважин.

Реакция конверсии водяного газа, газификация в расплаве соли и другие процессы расщепления воды в замкнутой системе создают повышенные концентрации водорода и потенциально другие компоненты, например оксиды углерода и кислород, в жидкостях, содержащихся в геотермальной системе.

Свободный кислород может связываться в результате химических реакций окисления в пласте и секвестрироваться или добываться в виде оксидов.

В поверхностных процессах, таких как реакция конверсии метана водяным паром, используются водород-селективные мембраны, такие как мембраны из сплавов палладия или полимерные мембраны, для отделения очень чистых потоков водорода от смеси горячих текучих сред.

Графан, платина и сополимеры фторполимера на основе сульфированного тетрафторэтилена (например, нафион) являются примерами известных протонных носителей водородного топливного элемента, также известных как протон-селективные мембраны.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Водород часто встречается в глубоких подземных геотермальных системах. Водород, присутствующий в геотермальных пластах или высвобождаемый из воды в пределах геотермальных пластов в результате конверсии водяного газа, газификации в расплаве солей или других процессов, может избирательно улавливаться и добываться на поверхность с помощью водородных фильтров, таких как мембраны из сплавов палладия.

Во всем мире существует большая и растущая потребность в водороде, который можно использовать в качестве химического сырья или сжигать на поверхности для производства энергии, тепла или воды, или использовать в устройствах топливных элементов для производства энергии.

Водород может заменить нефть и газ в большинстве энергетических применений, при этом чистая вода является побочным продуктом сжигания водорода. Таким образом, использование водорода абсолютно свободно от углерода и углекислого газа и может рассматриваться как совершенно чистое топливо.

В общих аспектах способы и системы, описанные в данном документе, рассматривают достаточно горячие подземные слои внутри планет, где вода уже существует или может быть введена, в качестве значительных источников водорода.

Кислород, высвобожденный в пласте, может быть добыт отдельно для использования на поверхности или использован для создания оксидов из естественных существующих или инжектированных гидридов для создания энергии и/или оксидных продуктов, которые могут быть секвестрированы или добыты. Посредством реакции конверсии водяного газа кислород часто связывается с углеродом в форме оксидов углерода. В подземных геотермальных системах кислород также может быть связан в форме оксидов кремния или железа.

Если выбранная мембрана является протон-селективной, а не водород-селективной, то всю систему можно рассматривать как большой природный топливный элемент, который можно использовать для производства электроэнергии (энергии) и воды на поверхности. Избыточный отрицательный заряд, создаваемый внутри Земли, можно собирать для получения дополнительной энергии через изолированные провода или рассеивать с помощью встречающихся в природе электропроводящих текучих сред и/или сверхкритических жидкостей.

Нагнетательные и эксплуатационные скважины могут иметь любую возможную конфигурацию, включая, кроме прочего, горизонтальную, вертикальную, наклонную, многоствольную, J-образную, спиралевидную или червеобразную конфигурации. Одна скважина может использоваться для всех функций, или одна или несколько скважин в пласте могут использоваться для специализированных функций. Например, одна скважина может использоваться в качестве инжектора, тогда как другая может использоваться для добычи водорода или энергии.

Углерод, оксиды углерода, гидриды углерода, медь или другие катализаторы могут естественным образом присутствовать или быть инжектированы в пласт. Секвестрация оксида углерода может происходить в этих пластах. Гидриды и другие химические реагенты могут быть разорваны и/или гидрогенизированы в этих геотермальных системах с использованием водорода, полученного в результате этого процесса. Могут быть введены химические реагенты, удаляющие кислород, и образующиеся оксиды могут быть либо добыты на поверхность, либо секвестрированы в пласте.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ГРАФИЧЕСКИХ МАТЕРИАЛОВ

Особенности и преимущества вариантов осуществления согласно настоящей заявке станут очевидными из следующего подробного описания и прилагаемых графических материалов, на которых:

На фиг. 1А представлен простой схематический вид первого варианта осуществления настоящего изобретения;

На фиг. 1В представлен простой схематический вид второго варианта осуществления настоящего изобретения;

На фиг. 1С представлен простой схематический вид примера варианта осуществления настоящего изобретения;

На фиг. 2 представлен простой схематический вид другого примера варианта осуществления настоящего изобретения; и

На фиг. 3 представлен простой схематический вид дополнительного примера варианта осуществления настоящего изобретения.

ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ

Во всем нижеследующем описании изложены конкретные подробности, чтобы обеспечить специалистам в данной области более полное понимание. Однако общеизвестные элементы, возможно, не были показаны или описаны подробно, чтобы избежать нежелательного затруднения понимания настоящего изобретения. Последующее описание примеров технологии не следует рассматривать как исчерпывающее или ограничивающее настоящее изобретение точной формой любого примера варианта осуществления. Соответственно, описание и графические материалы следует рассматривать в иллюстративном, а не в ограничительном смысле.

Существующие процессы, связанные с геотермальной энергией, позволяют добывать на поверхность естественные вулканические газы, текучие среды и твердые вещества, а также часть инжектируемых веществ, таких как вода. Земля нагревает эти текучие среды внутри посредством передачи тепла от внутреннего или вулканического тепла Земли или экзотермических химических реакций или термогенного радиоактивного распада.

В данном описании многочисленные термины и выражения используются в соответствии с их обычными значениями. Ниже приведены определения некоторых дополнительных терминов и выражений, которые используются в последующем описании.

Используемый здесь термин «пласт» относится к подземной формации, которая содержит пористую матрицу, содержащую текучие среды. Текучие среды могут состоять из воды, пара (водяного пара), газов (например, кислорода, водорода, оксидов углерода, метана, азота и т.д.).

Термин «in situ» относится к окружающей среде подземного пласта.

Подробности предоставлены с целью иллюстрации, и способы могут быть осуществлены на практике без некоторых или всех признаков, обсуждаемых в данном документе. Для ясности технические материалы, которые известны в областях, относящихся к настоящим способам, не обсуждаются подробно.

На фиг.1А, 1В, и 1С показаны схемы, иллюстрирующие примеры реализации способов и систем, описанных в настоящем документе, для добычи водорода из достаточно горячего пласта. В этих способах водород выделяется из воды формации и добывается через водород-селективную мембрану для добычи на поверхность. Колонна всплывающего водорода обеспечивает непрерывный градиент концентрации от одной стороны мембраны к другой. Конструкция, показанная на фиг. 1С, может быть расширена до циклической скважины, в которой текучий теплоноситель инжектируют в скважину на поверхности и текучие среды добывают на поверхность с использованием той же скважины.

На фиг. 2 представлена конструкция, иллюстрирующая пример одного воплощения, в котором протоны удаляют посредством протон-селективной мембраны и пропускают к поверхности в графановом, платиновом или нафионном композите.

На фиг. 3 показан пример композитных водород-селективных мембран, рассматриваемых в поперечном сечении внутри ствола скважины. Другие газообразные компоненты (СО, СО₂, H₂S) могут быть отвергнуты мембраной.

A. Нахождение или создание горячего пласта

Пласт может иметь естественную температуру окружающей среды, достаточную для осуществления реакций газификации и конверсии водяного газа внутри пласта. Альтернативно пласт может быть нагрет другими способами, включая, кроме прочего, экзотермические реакции посредством инжекции, электромагнитное излучение, фононную или акустическую стимуляцию, инжекцию пара, ядерные реакции, электрическое сопротивление или магматическое перемещение.

B. Газификация и конверсия водяного газа

Когда пласт имеет достаточную температуру, происходят реакции газификации и конверсии водяного газа с последующим образованием водорода. Газообразные компоненты накапливаются в пласте.

С. Добыча водорода

Водород добывают из пласта через проницаемые только для водорода мембраны в добывающей скважине. Таким образом, в пласте остаются сероводород, окись углерода, двуокись углерода, пар и другие газообразные компоненты. Поскольку водород удаляют из пласта, это способствует реакциям с образованием большего количества водорода.

Протоны можно добывать из пласта через проницаемые только для протонов мембраны в добывающей скважине. Таким образом, все остальные вещества могут оставаться в пласте, в то время как протоны проходят на поверхность с использованием среды протонного переноса, такой как, среди прочего, графановые композиты.

Для размещения мембраны переноса, предназначенной только для водорода, в добывающей скважине металлические мембраны, например, изготовленные из палладия (Pd), ванадия (V), тантала (Та) или ниобия (Nb), являются механически прочными, но с ограниченными диапазонами оптимальной работы относительно температуры. Эти мембраны работают согласно механизму растворимости-диффузии, при этом водород растворяется в материале мембраны и диффундирует на другую сторону, где он выделяется; этот механизм дает поток водорода (скорость переноса молей на единицу площади), пропорциональный квадратному корню из давления. К примеру, проницаемость ванадия и титана для водорода падает при высоких температурах, а также образует слои оксида металла, которые препятствуют эффективному отделению водорода, что делает их идеальными для бескислородных низкотемпературных установок. Мембраны на основе Pd имеют преимущество, поскольку их проницаемость для водорода возрастает с повышением температуры. Однако Pd мембраны загрязняются сероводородом (H₂S) и окисью углерода (СО), которые часто присутствуют внутри Земли. Этому можно противостоять, используя сплавы Pd с медью. Для снижения стоимости могут быть сконструированы многослойные мембраны, состоящие из сплава Pd-Cu и V, Та и Nb.

Керамические мембраны, мембраны из нержавеющей стали, мембраны из инконеля являются инертными по отношению к H₂S и СО и могут использоваться при очень высоких температурах.

В некоторых вариантах осуществления мембрана для водорода сконфигурирована так, чтобы быть высокоселективной по отношению к водороду (особенно если газообразный водород предполагается использовать для выработки энергии из топливного элемента на поверхности), высоко проницаемой для водорода, способной выдерживать нагревание вплоть до 800 градусов Цельсия или более, способной выдерживать воздействие газа H₂S и СО, механически устойчивой в условиях трудностей размещения мембран в скважине и/или позволяющей изготовление с геометрическими свойствами, подходящими для установки в скважины соответствующей конфигурации, такие как длинные горизонтальные скважины. В некоторых вариантах осуществления мембраны также могут выдерживать стадию частичного окисления, на которой будет удаляться углерод и другие твердые отложения на внешней поверхности композитной мембраны.

В некоторых вариантах осуществления водород, добываемый с помощью систем и способов, описанных в данном документе, можно использовать в топливных элементах для генерирования энергии, сжигать с получением пара, который можно использовать для генерирования энергии, или использовать в качестве химического сырья.

Хотя в настоящем описании описаны конкретные варианты осуществления и примеры способов и вариантов обработки, обсуждаемых в данном документе, специалистам в данной области техники будет очевидно, что в варианты осуществления могут быть внесены изменения, не выходящие за пределы объема прилагаемой формулы изобретения.

Если контекст явно не требует иного, во всем описании и формуле изобретения:

• слова «содержать», «содержащий» и подобные необходимо толковать во включающем смысле, а не в исключающем или исчерпывающем смысле; то есть в смысле «содержащий, кроме прочего».

• слова «соединенный», «связанный» или любой их вариант означает любые соединение или связь, прямые или косвенные, между двумя или более элементами; связь или соединение между элементами могут быть физическими, логическими или их комбинацией.

• слова «здесь», «выше», «ниже» и слова подобного значения, когда они используются в целях настоящего описания, должны относиться к данному описанию в целом, а не к каким-либо конкретным частям данного описания.

• слово «или» в отношении списка из двух или более элементов охватывает все следующие интерпретации слова: любой из элементов в списке, все элементы в списке и любую комбинацию элементов в списке.

• формы единственного числа также включают значение любых соответствующих форм множественного числа.

Слова, обозначающие направления, такие как «вертикальный», «поперечный», «горизонтальный», «вверх», «вниз», «вперед», «назад», «внутрь», «наружу», «вертикально», «поперечно», «левый», «правый», «передний», «задний», «верхний», «нижний», «ниже», «выше», «под» и тому подобные, используемые в данном описании и любых прилагаемых пунктах формулы изобретения (где присутствуют), зависят от конкретной ориентации описанного и проиллюстрированного устройства. Описанный в данной заявке объект изобретения может принимать различные альтернативные ориентации. Соответственно, эти термины, относящиеся к направлению, не являются строго определенными и не должны толковаться в узком смысле.

В тех случаях, когда компонент (например, схема, модуль, сборка, устройство и т.д.) упоминается в данном документе, если не указано иное, ссылку на этот компонент (включая ссылку на «средство») следует интерпретировать как включающую в качестве эквивалентов этого компонента любой компонент, который выполняет функцию описанного компонента (то есть, который является функционально эквивалентным), включая компоненты, которые не являются структурно эквивалентными раскрытой структуре, которая выполняет эту функцию в проиллюстрированных примерах вариантах осуществления настоящего изобретения.

Конкретные примеры способов и устройств были описаны здесь в целях иллюстрации. Они являются только примерами. Технология, представленная в данном документе, может применяться к контекстам, отличным от контекстов примеров, описанных выше. В рамках практического применения этого изобретения возможны многие изменения, модификации, дополнения, исключения и перестановки. Это изобретение включает в себя вариации описанных вариантов осуществления, которые будут очевидны для специалиста в данной области, в том числе вариации, полученные посредством: замены признаков, элементов и/или действий эквивалентными признаками, элементами и/или действиями; смешивания и сочетания признаков, элементов и/или действий из разных вариантов осуществления; комбинирования признаков, элементов и/или действий из вариантов осуществления, описанных в настоящем документе, с признаками, элементами и/или действиями других технологий; и/или исключения комбинирования признаков, элементов и/или действий из описанных вариантов осуществления.

Вышеизложенное рассматривается только в качестве иллюстрации принципов настоящего изобретения. Объем формулы изобретения не следует ограничивать примерами вариантов осуществления, изложенными выше, а ему следует давать самую широкую интерпретацию, согласующуюся с описанием в целом.

Изобретение относится к добыче водорода из подземного пласта. Технический результат – добыча водорода с одновременным использованием в качестве источника тепла или источника энергии при добыче на поверхность текучей среды, циркулирующей в скважине. Способ добычи водорода из содержащего воду геотермального пласта включаюет стадии: обеспечение возможности протекания в воде внутри геотермального пласта по меньшей мере одной из реакций газификации или конверсии водяного газа с образованием потока газа, содержащего водород; обеспечение скважины от поверхности к геотермальному пласту; размещение в скважине по меньшей мере одной проницаемой для водорода мембраны, состоящей из сплава палладия; обеспечение возможности контакта потока газа с по меньшей мере одной проницаемой для водорода мембраной. По меньшей мере одна проницаемая для водорода мембрана осуществляет возможность прохождения на поверхность в потоке газа только водорода. Стадия добычи водорода на поверхность включает перенос водорода в рабочей текучей среде, циркулирующей в скважине. Рабочую текучую среду нагревают при пропускании через скважину вблизи геотермального пласта с получением нагретой рабочей текучей среды. Способ дополнительно включает стадию использования нагретой текучей среды в качестве источника тепла или источника энергии при добыче на поверхность. 9 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Способ добычи водорода из содержащего воду геотермального пласта, включающий стадии:

обеспечение возможности протекания в воде внутри геотермального пласта по меньшей мере одной из реакций газификации или конверсии водяного газа с образованием потока газа, содержащего водород;

обеспечение скважины от поверхности к геотермальному пласту;

размещение в скважине по меньшей мере одной проницаемой для водорода мембраны, состоящей из сплава палладия,

обеспечение возможности контакта потока газа с по меньшей мере одной проницаемой для водорода мембраной, так что по меньшей мере одна проницаемая для водорода мембрана осуществляет возможность прохождения на поверхность в потоке газа только водорода,

отличающийся тем, что

стадия добычи водорода на поверхность включает перенос водорода в рабочей текучей среде, циркулирующей в скважине, и при этом рабочую текучую среду нагревают при пропускании через скважину вблизи геотермального пласта с получением нагретой рабочей текучей среды, и способ дополнительно включает стадию использования нагретой текучей среды в качестве источника тепла или источника энергии при добыче на поверхность.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что кислород удаляют внутри пласта химическими реакциями образования оксидов с кислородом.

3. Способ по п. 1, отличающийся тем, что стадия обеспечения протекания по меньшей мере одной из реакций газификации или конверсии водяного газа включает доведение геотермального пласта до достаточной температуры посредством экзотермических реакций, ядерных процессов, термогенного радиоактивного распада, фононной или акустической стимуляции, инжекции пара, электромагнитного излучения или электрического сопротивления.

4. Способ по п. 1, отличающийся тем, что по меньшей мере одна проницаемая для водорода мембрана дополнительно содержит по меньшей мере один из ванадия, тантала и ниобия.

5. Способ по п. 1, отличающийся тем, что по меньшей мере одна проницаемая для водорода мембрана состоит из сплавов палладия и меди.

6. Способ по п. 1, отличающийся тем, что по меньшей мере одна проницаемая для водорода мембрана содержит керамический слой, и/или проницаемый или непроницаемый структурный слой из металла или металлического сплава, и/или полимерную мембрану.

7. Способ по п. 1, отличающийся тем, что реакции конверсии водяного газа протекают в воде с образованием потока газа, так что добыча водорода на поверхность способствует образованию дополнительного водорода благодаря реакциям конверсии водяного газа, и способ дополнительно включает добычу дополнительного водорода на поверхность.

8. Способ по п. 1, отличающийся тем, что стадия размещения в скважине по меньшей мере одной проницаемой для водорода мембраны включает по меньшей мере одну проницаемую для водорода мембрану, расположенную в части скважины.

9. Способ по п. 1, отличающийся тем, что скважина представляет собой циклическую скважину, где циркулирует рабочая текучая среда.

10. Способ по п. 1, отличающийся тем, что скважина включает устройство кольцевой скважины, где циркулирует рабочая текучая среда.