專利名稱：在深地下儲集地中儲存隔離的溫室氣體的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及隔離的溫室氣體("GHG")的儲存，并且更加具體 地，而不以限制的方式，涉及結(jié)晶巖石中利用以顆粒噴射鉆進方法的 鉆孔(borehole)生成(鉆進)來開發(fā)深地下儲集地。
相關(guān)技術(shù)史
目前，世界能源需求的大部分主要由例如煤、石油以及天然氣等 化石燃料提供。 一個原因是目前沒有可用的經(jīng)濟上可行的替代能源。 遺憾地是，由于某些GHG以及其他有害劑的產(chǎn)生，化石燃料的使用 似乎導(dǎo)致嚴(yán)重的環(huán)境問題。大氣可因為"溫室效應(yīng)"變暖，其可能是 由于燃燒化石燃料而使得大量二氧化碳被釋放到大氣中造成的。溫室 效應(yīng)的長期后果目前是在爭議的問題；它們可包括極地冰蓋的融化， 其中因而發(fā)生的海平面上升和水淹沿海城市，以及地^求日益加劇的沙 漠化。指出溫室效應(yīng)變暖的證據(jù)包括在過去一個世紀(jì)期間大氣中二氧 化碳含量的增加以及似乎表明大氣溫度的上升趨勢的天氣記錄。這些事實指出在我們被我們自己的排放物征服前，現(xiàn)在考慮緩解行動的需 要。
這些論點中的一些在2006年8月的或約2006年8月的2006年9 月刊中發(fā)表的題為"保持碳化物在控制中的計劃"的科學(xué)的美國文章 中闡述并且更加詳盡地說明。在Robert H. Socolow和Stephen W.Pacala 的那篇文章中，列出了溫室氣體的效應(yīng)并且說明獲得對如在1956年 和2006年間繪制出的溫室氣體穩(wěn)定增加的解決方案的重要性。這些 研究和"i侖文在2006年間廣泛傳4番。確實，美國前任副總統(tǒng)Al Gore 的題為"不舒服的真相...全球變暖的星球緊急情況以及對于它我們能 做什么"的關(guān)于溫室效應(yīng)的書，也表達這樣的關(guān)注并且提供其他關(guān)于
地球大氣中上升的C02水平的嚴(yán)重性的數(shù)據(jù)。
緩解溫室效應(yīng)的 一種想法是在如廢棄的石油或天然氣田這樣的 位置的地下永久儲存C02。美國專利號7,043,920說明這樣的方法，其 說明從燃燒氣體收集C02以及壓縮C02以將氣體輸送到陸相地層的方 法；這樣的地層包括海洋、深地下蓄水層以及多孔的地質(zhì)組成 (geological formation),例如用于儲存的廢棄或部分廢棄的石油和天 然氣地層、鹽洞、疏洞以及硫丘等。
也說明在地下儲集地中儲存C02的想法的是美國專利 No.6,668,554 (，554) 。 ，554公開了 C02可在深的巖層中儲存來對付 全球變暖的問題。
另一個例子在美國專利No.6，609,895 (，895 )中看到，其公開了 抽運密相氣體特別是C02到石油或天然氣儲集地中的方法。，895也公 開了為儲存將GHG抽送到儲集地或水下。
另一個例子在美國專利No.6,598,407中看到，其公開了將032轉(zhuǎn) 換成液體C02流、C02水合物以及比在至少700 - 1500米范圍內(nèi)的深 度的海水具有更高密度的水的方法。當(dāng)在700 - 1500米范圍內(nèi)的海洋 深度釋放時，混合物下沉到底部并且變得更加穩(wěn)定，并減少自由C02 氣體在海水中的有害影響。該方法允許C02的有效以及永久儲存。相關(guān)的想法在美國專利號5，685，362 (，362)中公開，其公開了涉 及抽運水進入熱干巖儲集地的發(fā)電的方法。在電力使用的非高峰 期，，362公開了水可以儲存在儲集地中以后續(xù)使用，利用儲集地的彈 性的優(yōu)勢由該可接著再次使用的水來發(fā)電。
在從2001年2月1日Paul Preuss的科學(xué)脈動的文章中報道美國 能源部已經(jīng)開始一項稱為GEO-SEQ的計劃，其致力于在廢棄天然氣 田、不可開采的煤床以及深的卣水填充的地層中隔離C02。
在從2001年6月5日AnnaSalleh發(fā)表的題為"迫使0)2進入地 下'不可持續(xù)，"的科學(xué)文章中的新聞中，才艮道在澳大利亞綠色和平 組織正在調(diào)查溫室氣體地下儲存的可能性，其具有在全球溫室氣體排 放中產(chǎn)生明顯差異的潛力。然而，他也指出這是帶有不確定的長期利 益的高代價選擇。
2002年9月17日M2通訊發(fā)表的在C02e.com上可以獲得一篇文 章報道英國對減少溫室氣體的新的調(diào)查包括二氧化碳捕獲和儲存的 研究。該方法涉及在北海廢棄的石油或天然氣井中儲存氣體。該研究 致力于開發(fā)執(zhí)行這種操作的技術(shù)，這種操作的法律問題，以及經(jīng)濟成 本。能源部部長Brain Wilson也表示抽運C02進入石油田實際上可以 增加可開采的石油量。
由工程物理和科學(xué)研究委員會給予倫敦帝國學(xué)院的題為"JEFI: 英國碳捕獲和儲存一體化"的撥款說明關(guān)于在lkm或更深的深度鉆進 特殊鉆孔以在多孔儲集層巖中儲存C02的研究，例如頂部帶有較少透 水巖的密封層的砂巖等?；蛘?，也討論在包含卣水的近海蓄水層中儲 存C02。被授予者打算研究在這些蓄水層中儲存C02的可行性，泄漏 發(fā)生的可能性，以及對海洋生態(tài)系統(tǒng)的影響。
另 一項由工程物理和科學(xué)研究委員會給予諾丁漢大學(xué)的題為"開 發(fā)用于C02的捕獲的有效吸附技術(shù)"的撥款說明以找到從發(fā)電廠生成 物中捕獲C02氣體的更加經(jīng)濟的方法為目的的研究。該大學(xué)目前正在 探究使用由多孔結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定聚合物制成的固體來困住C02氣體以便它們可被捕獲和之后儲存的想法。該聚合物使用稱作'納米制造，技術(shù) 形成以使聚合物形成特制的孔結(jié)構(gòu)。
目前，廣泛研究沉積層作為GHG儲存的可能位置，因為已知它 們天然地展現(xiàn)出多孔性以及滲透性其是儲存儲集地的必要條件。然而 已知很多關(guān)于沉積層，其中大部分知識關(guān)于可包含在該地層內(nèi)的石 油、天然氣以及水的生產(chǎn)和捕獲。GHG的永久性儲存不僅要求多孔性 和滲透性，而且也要求該地層可有效密封從而阻止(302或GHG從該 地層的任何泄漏。這個密封是必要的；任何泄漏都將使實行這樣的努 力的益處無效。
一般認(rèn)為巖層M性的，意味著當(dāng)受到機械或液壓的壓力時以脆 性斷裂方式作出反應(yīng)。沉積層也不例外并且被看作脆性地層，因此它 們易受到構(gòu)造壓力的影響，其機械地產(chǎn)生斷層和斷裂的(既在過去也 在將來)。沉積層的這些脆性破壞方面提供產(chǎn)生泄漏以及GHG從沉 積層系統(tǒng)中滲出的可能性。這意味著找到具有必要的多孔性、滲透性 以及不漏的密封系統(tǒng)的沉積層是很困難的；很少的地點具有認(rèn)為作為 用于永久C02和GHG儲存的可行儲集地的所有必需的方面。此外， 由于這些沉積層的脆性，由石油和天然氣的移除導(dǎo)致的任何將來的構(gòu) 造作用力、下沉力，或者由流體注入導(dǎo)致的斷裂可對儲集地的條件以 及特別地儲集地的密封機制造成不利影響。
本發(fā)明的 一個目的是提供可以儲存大量C02而沒有沉積巖層潛在 缺點的地下儲存儲集地。該儲集地應(yīng)該位于獲得足以確保儲集地被液 壓密封的溫度和壓力組合所必須的最淺深度。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明涉及在能夠長期儲存而沒有泄漏的風(fēng)險的地下人工形成 的儲集地(reservoir)中儲存GHG的系統(tǒng)和方法。更加具體地，本發(fā) 明的一個實施例涉及非旋轉(zhuǎn)機械鉆進方法的使用，例如顆粒噴射鉆進
等，以形成深的鉆孔，其提供為了形成能夠儲存大量C02的人工儲集地而能夠液壓斷裂的結(jié)晶巖層的改良通路。優(yōu)選地，巖層位于獲得足 以確保足夠的巖石塑性的溫度和壓力組合所必須的最淺深度，從而能 夠在密封的液壓儲集地中包含儲集地流體。此外，這樣的儲集地條件
將為如C02等的GHG提供超臨界的流體條件，導(dǎo)致能夠注入、擴散 以及儲存大量GHG。
在全球周圍許多地點特定的位置發(fā)現(xiàn)可滲透的地質(zhì)層，并且其是
在其中儲存C02氣體的位置的一種可能。已經(jīng)確定用于C02隔離的地
下儲集地規(guī)格，并且一般存在非常少的滿足永久性儲存規(guī)格的可滲透 地質(zhì)位置。這是因為不僅必須有一定的多孔性和滲透性特征，而且必 須在儲集地周圍有永久的密封性以確保GHG不再泄漏到表面并且逃 逸進入大氣中。目前正在評估各種地層和位置。最可能的適合的地下 層、沉積層最樂觀地看會具有區(qū)域特征，其使得預(yù)測它們用于儲存的 具體適合性非常困難。在這些地層中儲存GHG的結(jié)果在注入GHG的 花費后的多年內(nèi)可能不可知，并且這提出重大的風(fēng)險，其不僅來自儲 集地密封泄漏，還來自即使一旦適合的地層已經(jīng)定位和測試過，它與 GHG捕獲的源的接近度可使得運送GHG到儲存地點是不經(jīng)濟的事 實。
本發(fā)明的 一個實施例提供在世界大部分所有區(qū)域、在深的結(jié)晶巖 層中可獲得的用于C02儲存的位置，其中可以生成防漏人工儲集地。 這樣的地層是典型前寒武紀(jì)巖，其在全球幾乎所有地方可以找到，并 且一般位于比沉積地質(zhì)層更深的位置。這些在結(jié)晶巖層的深人工儲集 地由于幾個原因是有益的。首先，這些位于深處的結(jié)晶巖層由于熱效 應(yīng)以及地層節(jié)理的存在是相對塑性的，其可被擴張以接收大量的C02 而不用擔(dān)心C02泄漏到地球表面。通過在結(jié)晶巖層中施加人工液壓的 儲集地已經(jīng)在各種熱干巖實驗操作中證實。非常深的井的另 一個益處 包括GHG的超臨界流體條件的存在，從而有效地給予對所形成的儲 集地的低粘度擴散性。


對本發(fā)明的方法以及裝置的更加全面的理解可通過當(dāng)與附圖結(jié)
合采用時參考下列詳細(xì)說明獲得，附圖其中
圖1是用于在結(jié)晶巖層中地下儲存C02的例子系統(tǒng)的圖解視圖； 圖2是用于在具有橋塞(bridge plug)以及橋墩帽(bridge cap)
的結(jié)晶巖層中在適當(dāng)位置地下儲存C02的例子系統(tǒng)的圖解視圖。
圖3是在多個土制地層中井孔(wellbore)的鉆進的圖解示意以及
圖4是本發(fā)明的原理的一個實施例的流程圖。
圖5a是顆粒噴射鉆頭組件的等比例圖。
圖5b是圖6a的顆粒噴射鉆頭組件的分解圖。
圖5c是圖5a的顆粒噴射鉆頭組件的軸向剖視圖。
圖5d是圖6a的顆粒噴射鉆頭組件的頂視圖。
圖5e是圖6a的顆粒噴射鉆頭組件的正視圖。
圖5f是圖6a的顆粒噴射鉆頭組件的端視圖。
圖6a是井孔的下端和顆粒噴射鉆頭組件的橫截面圖，提供漿體流 通過鉆桿(drill pipe)和頭部并且通過近頭部井孔環(huán)形區(qū)域的部分圖 示。
圖6b示出當(dāng)在井孔中鉆進時使用側(cè)噴嘴的動作的期望結(jié)果。
圖6c示出使用側(cè)噴嘴以用于調(diào)節(jié)井孔的動作。
圖6d示出從顆粒噴射鉆頭涌出的錐形切割噴射流的部分切割動作。
具體實施例方式
本發(fā)明的各種實施例現(xiàn)在將參考附圖更加詳盡地說明。然而本發(fā) 明可用許多不同的形式實施，并且不應(yīng)解釋為限制于這里闡述的實施例。
當(dāng)使用旋轉(zhuǎn)機械鉆進系統(tǒng)時，鉆進深的井孔(well bore)已經(jīng)證明是過于昂貴的。因此，申請人提出這些深儲集地系統(tǒng)必需通過非旋 轉(zhuǎn)機械鉆進方法到達(如果它們是經(jīng)濟上可行)。 一個在結(jié)晶巖層中
經(jīng)濟地產(chǎn)生深的儲存儲集地的這樣的方法是，用上文引用的，648申請 中更詳盡地說明的顆粒噴射鉆進方法來鉆井孔。本發(fā)明方法的新穎在 于兩個方面。第一以及主要的新穎方面是在不易發(fā)生如沉積層同等程 度的脆性斷裂的液壓分離儲集地(可靠的容納地)中儲存GHG。這個 條件要求巖層位于要獲得足以確保形成密封液壓儲集地所必須的巖 石塑性的溫度和壓力組合所必須的最淺深度。通過例子的方式，這樣 的代表性的溫度對于方解石層是約25(TC,對于石英層300。C,以及 對于長石層50(TC。在這些高溫和高壓中，結(jié)晶巖層具有閾值塑性， 其使得能夠形成液壓密封儲集地。在低溫和低壓中，巖層會以不可預(yù) 測的方式斷裂而具有GHG隨著時間從儲集地向表面泄漏的風(fēng)險。第 二新穎方面涉及形成儲集地井的方法。在必要的溫度下形成儲集地通 常要求井孔比使用常規(guī)方法能夠經(jīng)濟地鉆出的深很多。最經(jīng)濟的鉆進 方法是非常規(guī)旋轉(zhuǎn)機械鉆進方法如顆粒噴射鉆進等。
本發(fā)明方法的益處是非旋轉(zhuǎn)機械鉆進方法的使用，特別是顆粒噴 射鉆進，提供為了永久儲存GHG而鉆深的井孔的經(jīng)濟的方法。非旋 轉(zhuǎn)^L械鉆進的經(jīng)濟性允許儲集地能在幾乎任何地方形成。具體地，它 允許儲集地位于GHG的捕獲源附近，其使得氣體運送到儲集地更加 經(jīng)濟。此外，深儲集地能夠容納大量的GHG，由于大范圍的浮蓋層
(overburden )以及周圍巖石的相對塑性而沒有向地面泄漏的風(fēng)險。 此外，存在于深儲集地中的有助于超臨界流體條件的形成的原位(situ) 地層(formation)溫度在一些較淺的沉積層中沒有。(302在31.1。C的 溫度和1059 PSI下達到超臨界條件。這相當(dāng)于2,650英尺的位勢深度
(potential depth)。因此，相對淺的沉積層為特別是(302形成達到超 臨界條件的條件。這是一個相變點，并且增加的溫度和壓力根據(jù)溫度 與壓力的比例繼續(xù)對C O 2產(chǎn)生物理效應(yīng)。
與沉積巖層相比，伸展到地幔的前寒武紀(jì)和哈登結(jié)晶巖層， 一般不具有如它們位于其之下的上部沉積巖層相同的相對天然多孔性及
滲透性。由于對石油和天然氣的不斷尋求，沉積層已經(jīng)被廣泛地勘揮: 和研究，并且對這些沉積層有大量的了解。相反的，在這些沉積層下 部進行相對少的鉆進，因此對結(jié)晶巖層的了解少得多。旋轉(zhuǎn)機械鉆進 的成本隨深度增加而成指數(shù)增長的事實進一 步加強了關(guān)于鉆進結(jié)晶 巖層可獲得的相對更少的信息。另外，結(jié)晶巖層是非常硬和有磨蝕作 用的，其進一步增加用旋轉(zhuǎn)機械鉆進法在這些類型的巖層上鉆進的成 本。
結(jié)晶巖層當(dāng)受壓時也易于遭受脆性破壞方式。然而，如果包含結(jié) 晶巖層的花崗巖處于加熱狀態(tài)，會發(fā)生破壞方式的改變并且從脆性斷 裂轉(zhuǎn)為塑性破壞的方式。為理解能夠開采來自結(jié)晶巖的熱而開展的研 究已經(jīng)確定，結(jié)晶巖具有天然形成的節(jié)理(在地殼冷卻時產(chǎn)生)，其 隨著時間推移已經(jīng)化學(xué)結(jié)合。這些節(jié)理在液壓應(yīng)力下擴張以形成互連
的擴張的節(jié)理的集成基質(zhì)(matrix)。這種新近形成的擴張節(jié)理的基 質(zhì)產(chǎn)生足以允許流體進入并且通過儲集地的人工的多孔性及滲透性， 使儲集地能夠?qū)醾鞯浇?jīng)過的流體，因此起熱交換器的作用。此外， 已經(jīng)確定結(jié)晶巖層在足夠的溫度和壓力下轉(zhuǎn)變成應(yīng)力狀態(tài)斷裂方式， 其隨著溫度增加逐漸從脆性斷裂方式向塑性斷裂方式轉(zhuǎn)變。由于處于 這些加熱的條件這是顯著的，即可以產(chǎn)生有效的液壓容納地，其具有 多孔性、滲透性以及有效的儲集地體密封的性質(zhì)。再次，通過例子的 方式，這樣的代表性溫度可以在對于方解石250°C,對石英石30(TC, 以及對于長石500。C的范圍內(nèi)。另外，在這些條件下，GHG和C02 可以在超臨界流體條件下注入人工儲集地，憑此C02具有液體的密度 但是具有像流體的氣體黏性。深度(流體靜壓頭)與溫度的組合為注 入的GHG或C02產(chǎn)生超臨界流體條件，其允許氣體在最小的壓力下 注入還在儲集地系統(tǒng)中提供最大的擴散率。
非旋轉(zhuǎn)機械鉆進方法例如顆粒噴射鉆進、大功率脈沖激光鉆進、 熱爆裂(thermal spallation)鉆進技術(shù)或者其的組合的利用，能夠使鉆進的成本與深度呈線性關(guān)系，即使進入在很大的深度的硬的有磨蝕作 用的結(jié)晶巖層。非旋轉(zhuǎn)機械鉆進技術(shù)的使用允許成本有效的鉆進到到 達具有形成儲存儲集地所必需的特征的結(jié)晶巖層所必需的深度。這些 特性包括多孔性、滲透性，和形成液壓密封足夠的溫度和壓力。假定 形成這些永久隔離儲存儲集地所必需的結(jié)晶巖層確實在地面下方到
處發(fā)現(xiàn)，在鄰近捕獲氣體的源的位置提供GHG和C02隔離儲集地的 能力提供超過使用沉積層的相當(dāng)大的優(yōu)勢，使用沉積層可要求大規(guī)模 的管道構(gòu)建來運送氣體到儲集地。
首先參考圖1,示出本發(fā)明的總體配置。存在地下地層的順序， 其粗略分類為沉積層和結(jié)晶類型巖層。 一般沉積層更接近于表面17， 并且一般覆蓋在深的結(jié)晶地層13上。沉積巖層由例如頁巖16、砂巖 15、和石灰?guī)r14以及它們的各種中間類型的巖層的層的子群組成。
套管井孔(cased well bore) 7位于與GHG捕獲裝置1緊密接近 的地方。利用顆粒噴射鉆進方法從地面17鉆進套管井孔7，穿過沉積 層16、 15和14進入前寒武紀(jì)結(jié)晶巖層13，到達獲得足以提供從不可 接受的脆性破壞方式水平到可接受的塑性破壞方式的轉(zhuǎn)變的溫度和 壓力組合所必需的最淺深度， 一般認(rèn)為是至少25(TC的溫度。井孔7 被裝入套管并且儲集地9通過任何方法形成，其會提供GHG儲存必 需的多孔性及滲透性。這樣的產(chǎn)生人工儲集地9的方法可以包含，但 不局限于流體注入，用以液壓擴張地層內(nèi)存在的節(jié)理，例如在熱干巖 (Hot Dry Rock)儲集地產(chǎn)生方法中所使用的以從地下常規(guī)的或者熱 核爆炸產(chǎn)生的高能脈沖應(yīng)力斷裂力。人工儲集地9一旦產(chǎn)生，儲集地 形成流體可以通過減少井口和/或流體靜壓力和允許彈性應(yīng)力儲存在 人工儲集地中并且在儲集地形成過程中產(chǎn)生以促使工作流體從井孔 排出而移除。此外，通過降低流體靜壓力，工作流體可以由于高的儲 集地溫度而快速轉(zhuǎn)變?yōu)榈兔芏葰鈶B(tài)形式，并且從井孔逸出。注射頭5 安裝在與井孔管套7相連的井口 6上。
捕獲例如C02等的GHG的裝置由1表示。捕獲的GHG產(chǎn)物可以例如來自例如用于發(fā)電的煤的燃燒等的過程，或者來自通過電解其釋
放出C02的氫的產(chǎn)物。C02通過管線2收集并且通過管道2用管輸送 到泵3,其將C02加壓到將C02注入井口注射口 5并且通過井口 6進 入并且通過套管井孔7、通過井口套管7的遠端8進入結(jié)晶儲集地9 所必需的壓力水平。GHG在井口 6和井孔7的遠端8之間的某處處于 超臨界流體條件，取決于流體類型、儲集地9的深度、土制地層的溫 度梯度以及結(jié)晶巖層13的溫度。
當(dāng)GHG注入儲集地9，儲集地將繼續(xù)以階段生長，容積隨時間逐 漸增加。這是由于GHG的擴散以及由溫度吸收而發(fā)生的膨脹和如儲 集地擴大的容積10、 11及12指出的GHG流體的附加體積的注入。
圖2示出一旦足夠的GHG已經(jīng)儲存在各個儲集地9、 10、 11及 12時，隔離儲集地完成。當(dāng)完成時，井用可鉆進的永久的橋塞20和 置于永久性橋塞20頂部的水泥柱19的任何組合塞住。井口用井口蓋 18蓋住。這個完成的系統(tǒng)提供在隔離儲集地中永久地并且安全地儲存 GHG的能力，同時也提供如果確定將來利用GHG而重新進入井孔并 且鉆出水泥以及橋塞而取得GHG的能力。這種將來使用可以是化學(xué) 處理GHG成為可用的終端產(chǎn)品，例如在高壓和高溫下，用鎳催化劑 混合C02和H2生成曱烷和水的Sabatier工藝，或者利用儲集地環(huán)境產(chǎn) 生化學(xué)過程。
當(dāng)說明如這里所示闡述的鉆孔產(chǎn)生技術(shù)時，提出下述討論為了特 異性的目的。鉆孔利用鉆進的PJD方法產(chǎn)生。眾所周知，在前寒武紀(jì) 巖中使用 一般的旋轉(zhuǎn)機械土制地層鉆進方法鉆大直徑的深井孔是過 于昂貴的。穿透的低速率以及與前寒武紀(jì)巖的旋轉(zhuǎn)機械鉆進相關(guān)聯(lián)的 高成本是鉆到這樣的深度的禁止性原因。顆粒噴射鉆進(PJD)技術(shù) 和方法的使用提供增加穿透速率以及減少在各種地層上鉆進的成本 的方法，特別是在結(jié)晶巖層中。這個效率的增加允許在形成地下儲存 儲集地中必需的深井孔的形成。》之及很的^w開且a "孑見W UhlU隔離廣泛
發(fā)展必不可少的。特別地，pjd提供經(jīng)濟鉆進大直徑、非常深的注入
以及用于hdr生產(chǎn)目的的生產(chǎn)井孔的方法。這種具體的井孔幾何結(jié) 構(gòu)，與pjd技術(shù)聯(lián)合使用，對產(chǎn)生用于以穿透速率性能的目的的最佳 水平操作pjd技術(shù)的環(huán)境是獨一無二的。
現(xiàn)在參考圖3，示出在多個土制地層中鉆進井孔的圖解示意圖。 在由井架的圖解圖示表示的井口 400處，第一土制地層404由井孔402
引用的顆粒噴射輔助旋轉(zhuǎn)機械鉆進(pjarmd)的常規(guī)機械鉆頭。在 更低的土制地層406中圖解表示的是鉆頭414，其可與鉆頭412相同 或者類似，但是可根據(jù)本發(fā)明的原理變化，取決于在土制部分406中 發(fā)現(xiàn)的土制結(jié)構(gòu)的類型。同樣地，土制部分408是井孔402的延續(xù)部 分，并且圖解地示出鉆頭416，其可是根據(jù)本發(fā)明原理不同的方法， 取決于在土制地層408中涉及的結(jié)構(gòu)類型。最終，土制地層410圖解 表示為前寒武紀(jì)和/或冥古代結(jié)晶巖，其中示出鉆孔部分430通過在鉆 進工具418中得到的液壓鉆進方法穿透，其可包含根據(jù)本發(fā)明的原理 的pjd以用于穿透前寒武紀(jì)或者冥古代結(jié)晶巖層以通入并且在井孔內(nèi)
料以及卸料。
現(xiàn)在參考圖4，那里示出本發(fā)明的原理的一個實施例的流程圖。 在這個特定的流程圖中，清楚地闡述并且示出上文說明的方法，其中 步驟501包括根據(jù)本發(fā)明原理的鉆孔鉆進系統(tǒng)的建立。步驟503說明 用pjarmd方法鉆進第一鉆孔部分。這個方法^4居圖4所示的土制地 層的特定類型可改變。
仍然參考圖4，步驟505表示鉆孔到達前寒武紀(jì)或冥古代結(jié)晶巖 層，其中使用的鉆頭類型可根據(jù)本發(fā)明的原理變化。步驟507說明用 液壓鉆進方法穿過前寒武紀(jì)或冥古代結(jié)晶巖層鉆進第二更低的鉆孔 部分。步驟509說明hdr的液壓斷裂以產(chǎn)生擴張節(jié)理的裂縫云。步驟513說明在裂縫云中儲存GHG。
應(yīng)當(dāng)特別注意圖3和圖4從上文引用的之前2006年6月1日提 交的美國臨時專利申請序列No.10/581，648以名字采用。在648申請 中，圖3和圖4對照為圖7和圖8，其中做出某些改進，更加特別地 涉及如在本申請中使用的母申請的技術(shù)。
圖5和圖6更加詳細(xì)地討論在PJD中使用的頭部組件的結(jié)構(gòu)和揭: 作。該裝置的詳盡討論可以在這里的命名的發(fā)明人的于2007年5月 16日提交的題為"顆粒噴射鉆進方法和裝置"的美國臨時專利申請 No.: 60/930403中找到并且通過引用包含于此。
圖5a示出噴射頭組件800的一個實施例的等比例圖。圖6b示出 本發(fā)明的噴射頭組件800的部件的分解圖。噴射頭外殼801容納定子 外殼802，其容納定子803。定子803形成有沿定子的外表面軸向延 伸的定子通道620?；匦鞣稣?centralizer)和穩(wěn)定器814從定子 803的遠端延伸。定子803的桿建有凹陷的輪廓813，其允許取回工 具(沒有示出)閂鎖在定子組件上以用于移除。定子803永久地結(jié)合 到定子外殼802上。定子外殼802可移除地閂鎖(閂沒有示出)到噴 射頭外殼801。在定子外殼802中提供典型端口 804和805以允許流 體從定子組件的內(nèi)部通過在噴射頭外殼801中對應(yīng)的典型端口 806和 807循環(huán)。噴嘴809和噴嘴保持器808是典型的噴嘴用的，并且保持 住所有由流體端口 806和807為代表的徑向間隔的流體端口并且在圖 5b中在它們的安裝位置示出。
圖5c示出沿著圖5d的截面線AA的橫截圖。由噴嘴809以及噴 嘴保持器808為代表的噴嘴在噴射頭外殼801內(nèi)的適當(dāng)位置示出。定 子803和定子外殼802在噴射頭外殼801內(nèi)的適當(dāng)位置。表面814和 810形成第一內(nèi)腔，用于給予旋轉(zhuǎn)運動給通過定子組件的這個部分的 流體。表面812和814形成第二內(nèi)部圓柱形渦流腔，用于旋轉(zhuǎn)漿團的 穩(wěn)定。定子外殼802的內(nèi)表面形成出口孔811，其中通過圓柱形渦流 穩(wěn)定室的流體通過出口孔811流出。出口孔811區(qū)域提供旋轉(zhuǎn)漿團的離心力在直切線上釋》文形成擴大的圓錐形噴射形式的區(qū)域。圖5e示出 噴射頭801以及鉆桿200的側(cè)視圖。圖5f示出噴射頭801的端視圖。 圖5d示出可見有截面截線AA的噴射頭801的端視圖。
圖6a示出井孔的下面部分的橫截面，示出通過水泥護層(cement sheath) 721粘結(jié)進地層708的井孔套管720的一個實施例。顯示改進 的井孔壁表面871靠近地層708的沒有受影響的地層670。顯示井孔 壁874由切割射流630的切割動作形成。顯示自然斷裂711鄰近改進 的井孔871。顯示鉆桿200的一部分和噴射頭組件800的橫截面圖。 顯示包含沖擊粒335的加壓鉆進流體380的循環(huán)，流經(jīng)鉆桿200的內(nèi) 部，通過定子葉片620，其中給予旋轉(zhuǎn)動作給加壓鉆進流體380。顯 示加壓鉆進流體380流經(jīng)較低的定子外殼802并且隨后通過圖5c中的 出口孔811。在圖5c的出口孔內(nèi)，加壓鉆進流體380形成擴大的錐形 切割射流630，其切割動作切割地層708形成井底形式732。圓錐射 流630的切割動作切割地層面730產(chǎn)生地層巖屑259,其混于鉆進流 體中用于作為返回鉆進流體漿255沿噴射頭體802、鉆桿200的外部 和井孔壁874和套管720的內(nèi)部壁722之間的環(huán)形空間向上輸送。包 含沖擊粒以及地層巖屑的返回鉆進流體漿255為了清楚的目的僅在井 孔環(huán)狀空間的 一側(cè)向上流的橫截面上顯示。
圖6b示出擴大的錐形切割射流630流入再進入的環(huán)型流體體系 832的動作的影響。包含沖擊粒335的流體射流630切割圖6d的地層 面730并且運送地層巖屑259進入再進入的環(huán)型流832，其中鉆進流 體、沖擊粒335以及地層巖屑259和733持續(xù)切割地層形成面832。 地層巖屑259和沖擊粒335在環(huán)型流832中循環(huán)持續(xù)切割地層并且最 終被迫離開環(huán)型流832在井孔環(huán)狀空間內(nèi)循環(huán)向上到鉆機的地面設(shè)備 進行處理。
圖6c示出環(huán)形側(cè)射流861沖擊井孔壁874,其中井孔壁874通過 沖擊粒沖擊井孔壁的噴射動作改進。改進的井孔壁871形成由致密的 地層材料872薄層構(gòu)成的新的井孔壁。地層區(qū)域670是地層708的未受影響的近井孔區(qū)域。
圖6d示出自然地層裂縫711，其已經(jīng)通過側(cè)向射流861的動作和 改進的地層材料872密封，以將裂縫711的內(nèi)部路徑從井孔和在井孔 708內(nèi)的鉆進流體255隔離。
應(yīng)該特別注意圖5和圖6以名字，從上文參考的之前2007年5 月16日提交的美國臨時專利申請序列號60/930,403的采用。在403 申請中，，圖5 (a-e)和圖6 (a-d)對照為圖5 (a-e)、圖6 (a-d) 其中做出某些改動，更加特別地涉及如在本申請中使用的母申請的技 術(shù)。
之前詳細(xì)的說明是本發(fā)明的實施例。本發(fā)明的范圍不應(yīng)必定地被 這個說明限定。
權(quán)利要求
1.一種在地下、人工形成的、安全的、液壓隔離的儲集地中儲存溫室氣體的方法，所述方法包括提供鉆進系統(tǒng)用于形成鉆孔；利用所述鉆進系統(tǒng)形成所述鉆孔；繼續(xù)所述鉆孔進入巖層的形成，所述巖層位于獲得足以形成液壓密封儲集地的溫度和壓力的組合所必須的最淺深度；在所述巖層內(nèi)形成其中能夠儲存溫室氣體的人工儲集地；以及在所述人工形成的儲集地中儲存所述溫室氣體。
2. 如權(quán)利要求1所述的方法，其中所述鉆進系統(tǒng)包括旋轉(zhuǎn)機械鉆進。
3. 如權(quán)利要求1所述的方法，其中所述鉆進系統(tǒng)包括非旋轉(zhuǎn)機械鉆進系統(tǒng)。
4. 如權(quán)利要求3所述的方法，其中所述非旋轉(zhuǎn)機械鉆進系統(tǒng)包括顆粒噴射鉆進系統(tǒng)。
5. 如權(quán)利要求3所述的方法，其中所述非旋轉(zhuǎn)機械鉆進系統(tǒng)包括脈沖激光鉆進系統(tǒng)。
6. 如權(quán)利要求3所述的方法，其中所述非旋轉(zhuǎn)機械鉆進系統(tǒng)包括熱爆裂系統(tǒng)。
7. 如權(quán)利要求1所述的方法，其中形成所述人工1諸集地包括液壓斷裂所述巖層，所述巖層具有多個存在的節(jié)理。
8. 如權(quán)利要求14所述的方法，其中液壓斷裂所述巖層包括用流體擴張所述存在的節(jié)理。
9. 如權(quán)利要求l所述的方法，其中儲存所述溫室氣體包括將所述溫室氣體注入所述儲集地；塞4主所述鉆孔；以及對所述鉆孔的近端加上井口蓋。
10. 如權(quán)利要求9所述的方法，其中塞住所述鉆孔包括將可鉆孔的永久的橋塞插入所述鉆孔。
11. 如權(quán)利要求9所述的方法，其中塞住所述鉆孔包括在所述鉆孔內(nèi)^:置水泥柱。
12. 如權(quán)利要求9所述的方法，并且還包括取回所述溫室氣體以隨后使用的步驟。
13. 如權(quán)利要求l所述的方法，其中所述溫室氣體是(302。
14. 如權(quán)利要求l所述的方法，其中所述巖層包括250。C的溫度。
15. 如權(quán)利要求l所述的方法，其中所述巖層包括300。C的溫度。
16. 如權(quán)利要求1所述的方法，其中所述巖層包括500。C和以上的溫度。
17. —種用于在地下、人工形成的、安全的、液壓隔離的儲集地中儲存溫室氣體的系統(tǒng)，所述系統(tǒng)包括適用于捕獲所述溫室氣體的裝置；在多個巖層內(nèi)設(shè)置的儲集地，所述巖層位于獲得足以確保所述儲集地被液壓密封的溫度和壓力組合所必須的最淺深度；井，所述井具有與所述儲集地可流通地4關(guān)-接的遠端，和近端，噴射頭連接到所述近端；以及管道，其可流通地聯(lián)接所述適用于捕獲所述溫室氣體的裝置和所述噴射頭。
18. 如權(quán)利要求17所述的系統(tǒng)，其中所述溫室氣體是C02。
19. 如權(quán)利要求17所述的系統(tǒng)，其中所述井使用旋轉(zhuǎn)機械鉆進系統(tǒng)來形成。
20. 如權(quán)利要求17所述的系統(tǒng)，其中所述井使用非旋轉(zhuǎn)機械鉆進系統(tǒng)來形成。
21. 如權(quán)利要求20所述的系統(tǒng)，其中所述非旋轉(zhuǎn)機械鉆進系統(tǒng)包括顆粒噴射鉆進系統(tǒng)。
22. 如權(quán)利要求21所述的系統(tǒng)，其中所述顆粒噴射鉆進系統(tǒng)還包括鉆頭組件，所述鉆頭組件包括噴射頭外殼；可移動地設(shè)置在所述噴射頭外殼內(nèi)的定子外殼；以及設(shè)置在所迷定子外殼內(nèi)并且與其剛性連接的定子，所述定子包括多個軸向地設(shè)置在所述定子的表面上的定子通道。
23. 如權(quán)利要求21所述的系統(tǒng)，其中所述非旋轉(zhuǎn)機械鉆進系統(tǒng)包括脈沖激光鉆進系統(tǒng)。
24. 如權(quán)利要求21所述的系統(tǒng)，其中所述非旋轉(zhuǎn)機械鉆進系統(tǒng)包括熱爆裂系統(tǒng)。
25. 如權(quán)利要求17所述的系統(tǒng)，其中形成所述人工儲集地包括液壓斷裂所述巖層，所述巖層具有多個存在的節(jié)理。
26. 如權(quán)利要求25所述的系統(tǒng)，其中液壓斷裂所述巖層包括用流體擴張所述存在的節(jié)理。
27. 如權(quán)利要求17所述的系統(tǒng)，其中儲存所述溫室氣體包括將所述溫室氣體注入所述儲集地；塞住所述鉆孔；以及對所述鉆孔的近端加上井口蓋。
28. 如權(quán)利要求27所述的系統(tǒng)，其中塞住所述鉆孔包括將可鉆孔的永久的橋塞插入所述鉆孔。
29. 如權(quán)利要求27所述的系統(tǒng)，其中塞住所述鉆孔包括在所述鉆孔內(nèi)放置水泥柱。
30. —種在安全的液壓隔離的儲集地中儲存溫室氣體的方法，所述方法包括步驟找出適合用于所述溫室氣體的儲存的地下巖層，所述地層位于獲得足以形成液壓密封人工儲集地的溫度和壓力組合所必須的最淺深度；形成井孔，所述井孔在所述巖層中終止；在所述巖層內(nèi)形成所述人工儲集地；以及將所述溫室氣體注入所述人工儲集地。
31. 如權(quán)利要求30所述的方法，其中形成所述井孔包括旋轉(zhuǎn)枳j械鉆進。
32. 如權(quán)利要求30所述的方法，其中形成所述井孔包括非旋轉(zhuǎn)機械鉆進系統(tǒng)。
33. 如權(quán)利要求32所述的方法，其中所述非旋轉(zhuǎn)機械鉆進系統(tǒng)包括顆粒噴射鉆進系統(tǒng)。
34. 如權(quán)利要求32所述的方法，其中所述非旋轉(zhuǎn)機械鉆進系統(tǒng)包括熱爆裂系統(tǒng)。
35. 如權(quán)利要求30所述的方法，其中形成所述人工儲集地包括液壓斷裂所述巖層，所述巖層具有多個存在的節(jié)理。
36. 如權(quán)利要求35所述的方法，其中液壓斷裂所述巖層包括用流體擴張所述存在的節(jié)理。
37. 如權(quán)利要求30所述的方法，其中儲存所述溫室氣體包括將所述溫室氣體注入所述儲集地；塞住所述鉆孔；以及對所述鉆孔的近端加上井口蓋。
38. 如權(quán)利要求37所述的方法，其中塞住所述鉆孔包括將可鉆孔的永久的橋塞插入所述鉆孔。
39. 如權(quán)利要求37所述的方法，其中塞住所述鉆孔包括在所述鉆孔內(nèi)放置水泥柱。
40. 如權(quán)利要求37所述的方法，并且還包括取回所述溫室氣體以隨后使用的步驟。
41. 如權(quán)利要求37所述的方法，其中所述溫室氣體是C02。
42. —種形成安全的、液壓隔離儲集地的方法，所述方法包括形成井孔；在獲得足以液壓密封內(nèi)部儲集地的溫度和壓力組合所必須的最淺深度形成所述內(nèi)部儲集地，所述內(nèi)部儲集地與所述井孔可流通地相連；通過所述井孔將氣體注入所述內(nèi)部儲集地；以及以確保所述內(nèi)部儲集地整體性的方式塞住所述井孔。
43. 如權(quán)利要求42所述的方法，其中形成所述井孔包括旋轉(zhuǎn)機械鉆進系統(tǒng)。
44. 如權(quán)利要求42所述的方法，其中形成所述井孔包括非旋轉(zhuǎn)才幾才成鉆進系統(tǒng)。
45. 如權(quán)利要求44所述的方法，其中所述非旋轉(zhuǎn)機械鉆進系統(tǒng)包括顆粒噴射鉆進系統(tǒng)。
46. 如權(quán)利要求44所述的方法，其中所述非旋轉(zhuǎn)機械鉆進系統(tǒng)包括脈沖激光鉆進系統(tǒng)。
47. 如權(quán)利要求44所述的方法，其中所述非旋轉(zhuǎn)機械鉆進系統(tǒng)包括熱爆裂系統(tǒng)。
48. 如權(quán)利要求42所述的方法，其中形成所述人工儲集地包括液壓斷裂所述巖層，所述巖層具有多個存在的節(jié)理。
49. 如權(quán)利要求48所述的方法，其中液壓斷裂所述巖層包括用流體擴張所述存在的節(jié)理。
50. 如權(quán)利要求42所述的方法，其中所述氣體是溫室氣體。
51. 如權(quán)利要求42所述的方法，其中所述氣體是C02。
52. 如權(quán)利要求42所述的方法，其中注入所述氣體包括用高壓泵注入所述氣體。
53. 如權(quán)利要求42所述的方法，其中塞住所述鉆孔包括將可鉆孔的永久的橋塞插入所述鉆孔。
54. 如權(quán)利要求42所述的方法，其中塞住所述鉆孔包括在所述鉆孔內(nèi)放置水泥柱。
55. 如權(quán)利要求42所述的方法，以及還包括取回所述溫室氣體以隨后使用的步驟。
全文摘要
一種用于在位于獲得足以確保儲集地被液壓密封和隔離的溫度和壓力組合所必須的最淺深度的巖石的地下儲集地中儲存溫室氣體特別地CO₂的系統(tǒng)和方法。利用顆粒噴射鉆進以提供鉆進必需的深井孔以達到深的巖層的經(jīng)濟的工藝。地下儲集地通過在巖層中液壓擴張存在的節(jié)理而形成。
文檔編號B65G5/00GK101541650SQ200780040798
公開日2009年9月23日 申請日期2007年8月31日 優(yōu)先權(quán)日2006年9月1日
發(fā)明者H·B·柯萊特 申請人:特拉瓦特控股公司