(57)【要約】  【解決手段】  石炭および他の炭素質材料からメタンおよび他の燃料または燃料前駆体を生成するため、地層中の微生物共同体など、メタン生成菌およびその他の微生物を有するなどの微生物共同体を刺激する方法が、石炭などの炭素質材料からメタンおよび他の有用な炭化水素生成物への生物変換を亢進する方法とともに開示され、前記共同体は物理的または化学的に電気的刺激に反応する。  【選択図】      なし【特許請求の範囲】
【請求項１】
生物変換方法であって、電気エネルギーを炭素質地層に導入する工程であって、前記堆積物中の微生物または微生物共同体を刺激するものである、前記導入する工程と、生成物を前記地層から回収する工程とを有し、前記生成物は燃料または燃料前駆体である、方法。
【請求項２】
請求項１記載の方法において、前記微生物が前記地層に常在する微生物である方法。
【請求項３】
請求項１記載の方法において、前記微生物が前記電気エネルギーの導入前に前記地層に導入された外因性微生物である方法。
【請求項４】
請求項１記載の方法において、燃料が前記炭素含有堆積物に導入されるものである方法。
【請求項５】
請求項４記載の方法において、前記燃料が前記炭素含有堆積物に存在する微生物の増殖を促す、または支援する栄養物を含むものである方法。
【請求項６】
請求項４記載の方法において、前記燃料が石炭を可溶化する化学物質を含むものである方法。
【請求項７】
請求項４記載の方法において、前記燃料が炭素含有物質を燃料または燃料前駆体に生物変換することのできる微生物を含むものである方法。
【請求項８】
請求項１記載の方法において、前記電気エネルギーの送達が連続的に行われるものである方法。
【請求項９】
請求項1記載の方法において、前記燃料がメタンである方法。 
【請求項１０】
請求項1記載の方法において、前記微生物はメタン生成菌である方法。
【請求項１１】
請求項１記載の方法において、掘削穴が表面から前記炭素含有堆積物に伸びているものである方法。
【請求項１２】
請求項１１記載の方法において、前記掘削穴が１若しくはそれ以上の注入用穴、生産用穴、および電気エネルギー送達用穴を有するものである方法。
【請求項１３】
請求項１記載の方法において、前記炭素質材料が石炭である方法。
【請求項１４】
請求項１３記載の方法において、前記石炭が瀝青炭である方法。
【請求項１５】
請求項１記載の方法において、二酸化炭素が、前記炭素質地層に導入される水、栄養物、化学物質、および気体に追加されるものであり、且つ前記炭層中のメタン生成菌共同体によってメタンに変換され、前記炭層から生成されるものである方法。
【請求項１６】
請求項１記載の方法において、前記炭素質材料は前記地層に電気エネルギーが導入される前に溶媒と接触し、前記炭素質材料の少なくとも一部が可溶化するものである方法。
【請求項１７】
請求項１６記載の方法において、前記溶媒は塩、エステル、過酸化物、および水酸化物から選択されるものである方法。
【請求項１８】
請求項１７記載の方法において、前記溶媒がアセテートである方法。
【請求項１９】
請求項１６記載の方法において、前記炭素質材料が石炭である方法。
【請求項２０】
請求項１９記載の方法において、前記石炭が瀝青炭である方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本出願書類は２０１０年５月１１日出願の米国仮出願第６１／３３３，３３０号の優先権を請求するものであり、この参照によりその全体が本明細書に組み込まれる。
【０００２】
発明分野
本発明は、ｉｎ  ｓｉｔｕにおいて、地層の微生物共同体を電気的に刺激することにより、地下炭素含有地層由来のメタン、二酸化炭素、気体および液体炭化水素、および他の重要生成物を生産することに関する。
【背景技術】
【０００３】
メタン生成（バイオメタン生成としても知られる）とは、微生物によるメタン生成である。メタン生成は、重要で一般的な微生物代謝の形態である。微生物におけるメタン生成は一種の嫌気呼吸であり、有機物崩壊の最終反応である。これらの反応により（酸素などの）電子受容体が枯渇し、炭化水素、特にメタンなどの低分子有機体、および水素および二酸化炭素などの気体が蓄積する。そのようなプロセスにおいて、発酵が高分子有機体を崩壊させる一方、メタン生成が水素、二酸化炭素、および有機低分子などのより小さな物質を取り除く。
【０００４】
電気的バイオ刺激は微生物の増殖を刺激する電子を供給する。すべての有機体は電子供与体と電子受容体を必要とし、前記電子は化学的に、または直接的な電子化学的方法により提供される可能性がある。電気は長年微生物代謝の刺激に利用されてきた。しかし、石炭または他の炭素質材料を燃料または燃料前駆体として有用なメタンおよび他の気体または液体炭化水素に生物変換する目的で、地下炭素含有地層中の微生物を電気的に刺激した例は報告されていない。
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【０００５】
１つの態様では、本発明は生物変換プロセスに関し、電気エネルギーを炭層または他の炭素質堆積物など、炭素含有堆積物に導入し、その後前記堆積物から生成物を取り除く工程を有する。様々な実施形態において、前記電気エネルギー源は物理的または化学的または（電子の物理的および／または化学的供給源として）その両方であり、前記生成物はメタンなどの燃料、または燃料前駆体（つまり、容易に燃料に変換できる物質）である。
【０００６】
１つの応用では、本方法が前記電気エネルギーを併用するか、別とした、液体の堆積物への注入、および前記生成物と一緒に、または前記生成物の除去前後での、その後の液体の除去を含む。
【０００７】
１つの実施形態では、導入された前記液体が、前記炭素含有堆積物中に存在する微生物の増殖を促進および／または支援する栄養物を含む。さらなる実施形態では、特に生物変換を促進する方法として、前記液体が前記堆積物中の炭素質材料の少なくとも一部を可溶化する化学物質を含む。
【０００８】
別の実施形態では、注入した前記液体に非常在微生物など、前記地層の炭素質材料をメタンまたは他の有用な燃料または燃料前駆体に生物変換する微生物を含む。
【０００９】
別の実施例では、電気エネルギーの送達が連続的または断続的である。他の実施例では、栄養物および化学物質の注入が連続的または断続的である。場合によっては、前記電気エネルギーおよび化学物質が断続的であるが互い違いに導入され、前記電気エネルギーおよび栄養物が交互に施される。
【００１０】
本発明の方法の好ましい実施形態では、炭素含有堆積物に前記表面から掘削穴が伸びる。１つの実施形態では、そのような掘削穴が注入用穴、生産用穴、および電気エネルギー送達用穴を有し、好ましくは、前記表面から前記炭素含有堆積物に互いに上下となるように直接、水平に伸びる。少なくとも１つのそのような実施形態では、１若しくはそれ以上の掘削穴が電気エネルギーの送達用に単独で利用され、１若しくはそれ以上の掘削穴が液体、気体、栄養物、および化学物質の注入および生産に利用される。
【００１１】
本発明の方法または工程の１つの実施例では、前記炭素含有堆積物への電気エネルギーの送達効率を上昇させる物質が、前記炭素含有堆積物に注入される液体、栄養物、気体、および化学物質に追加される。
【００１２】
別の実施例では、前記注入された液体が注入用穴から複数の生産用穴に流入し、および／または前記注入用穴から前記生産用穴への分布が、前記注入用穴と前記生産用穴との圧力差を制御することで、制御される。前記分布は、メタンおよび他の燃料または燃料前駆体の全生産を増加させる地層を介して制御することもできる。
【００１３】
少なくとも１つの実施形態では、二酸化炭素を水、栄養物、化学物質および気体に追加し、これが前記炭素含有堆積物に注入され、前記地層中の常在および／または非常在メタン生成細菌群によりメタンに変換され、炭層の石炭など、炭素含有堆積物から回収される。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】図１は、炭素質材料のメタンへの生物変換を刺激するため、電気エネルギーが炭層に流れる１つの方法を示している。ここでは、１が注入用穴を示し、２、３、４、および５が生産用穴である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
定義
本明細書で用いるとおり、「生物変換」の用語は、好ましくは、前記堆積物中の常在微生物による、または前記堆積物に導入された非常在微生物による炭素質分子（例えば炭層中の石炭など、炭素含有地層など）のメタンおよび他の有用な気体および液体生成物への変換を指す。そのような生物変換は刺激され、化学的または物理的供給源から電気をかけることで発生する。
【００１６】
本明細書で用いるとおり、「石炭」は亜炭から無煙炭まで、すべての炭素質燃料を指す。これらの炭素質燃料は、含有する水分、揮発性物質、および固定炭素の相対量が互いに異なる。石炭は、主に多数の炭素二重結合を有する高分子の形態で、ほとんどが炭素、水素、および同伴水から成る。低品位炭の堆積物はほとんどが石炭と水から成る。エネルギーは石炭などの炭素質分子、または石炭分子の可溶化に由来する炭素質分子の燃焼に由来する可能性がある。前記石炭のうち、最大量の固定炭素と最小量の水分および揮発性物質を有する炭素が最も有用である。
【００１７】
本明細書で用いるとおり、「可溶化する」または「可溶化された」の用語は、石炭または他の炭素質材料を有する非常に大きい炭化水素分子が、炭素結合および石炭分子中の他の化学結合を開裂し、前記化学物質と反応して、メタン、二酸化炭素などの有用な気体に生物的に変換される、より小さな炭化水素分子を形成する１若しくはそれ以上の化学物質を適用することで、はるかに小さな炭化水素分子に還元される工程を指す。本発明の目的での可溶化は、水に溶解する炭素の一形態、およびより具体的には、水に溶解し、０．４５ミクロンのフィルターを通過することのできる化合物から成る炭素の一形態への、石炭など固体炭素質材料の変換を意味する。
【００１８】
本明細書で用いるとおり、「酢酸の塩またはエステル」の用語は、酢酸の共役塩基を意味し、酢酸イオンが酢酸、または一般式ＣＨ３ＣＯ２Ｒ（式中、Ｒは有機基）の脱プロトン化により形成する。
【００１９】
本明細書で用いるとおり、「アセテート」の用語は、酢酸の１若しくはそれ以上の水素原子が塩基の１若しくはそれ以上の陽イオンで置換され、ＣＨ３ＣＯＯ−の負電荷の有機イオンを含む化合物になる塩を指す。上記用語は酢酸のエステルも指す。本発明に従い、上記酢酸の塩またはエステルは選択的に水と混合される。１つの実施形態では、前記酢酸の塩またはエステルは水と混合して使用される。そのような酢酸塩を水溶媒を用いて利用すると、（最終的なｐＨによって）酢酸の一部が形成し、可溶化工程に関与する。本発明の目的で、安息香酸など、別のカルボン酸の塩が同様の目的で利用される、同様の定義も理解されるものとする。
【００２０】
本明細書で用いるとおり、「芳香族アルコール」の用語は式ＲＯＨを有する有機化合物を意味し、Ｒは置換または非置換芳香族基であり、芳香族基は単環または縮合環とすることができる。１つの実施形態では、前記芳香族基Ｒが非置換である。別の実施形態では、Ｒは１若しくはそれ以上の炭化水素基および／または−ＯＨ基と置換される。一部の実施形態では、前記−ＯＨが芳香環に存在するか、前記環の置換基に存在するか、またはその両方である。
【００２１】
「バイオガス化」および「メタン生成」の用語は、本明細書において基本的に置き替え可能な用語として使用されている。
【００２２】
本明細書で用いるとおり、「微生物共同体」という表現は、自然集団を含む微生物検体を指し、２若しくはそれ以上の種または株の微生物、特に各種または株が他の種または株との相互作用により利益を受ける微生物を含む。
【００２３】
本明細書で用いる通り、「有用な生成物」という用語は、生物変換により、石炭などの炭素質材料から得られる化学物質を指し、これに限定されるものではないが、例えばメタンおよび他の低分子有機物質といった炭化水素などの有機物質、また燃料としてまたは燃料の生産に有用な脂肪酸、また水素および二酸化炭素を含む気体などの無機物質を含む。
【００２４】
本発明は、炭素含有地層内の微生物および／または微生物共同体を刺激し、前記地層に導入された外因性物質を含む、そのような地層に存在する炭素質材料の生物変換を亢進させる方法に関する。そのような地層は典型的には地下層であり、例えば、メタンおよび他の気体、および燃料、または前記産業で周知のさらなる反応により有用な燃料に変換される燃料前駆体（例えば、脂肪酸、炭化水素、およびメタンなどに容易に変換できるすべての分子）として有用な液体生成物に生物変換することのできる炭素質材料を含む「炭層」として知られる層である。
【００２５】
特に、そのような方法は、同時に液体を注入するか否かにかかわらず、炭層などの炭素含有堆積物に電気エネルギー（つまり、物理的または化学的電子供給源）を導入する工程と、その後、前記堆積物から生成物（およびすべての注入した液体）を除去する工程を有する。微生物共同体、特にメタン生成菌を含む共同体は、アセテートおよび二酸化炭素などの炭素含有分子をメタンおよび他の燃料および燃料前駆体に変換する微生物群である。
【００２６】
前述の記載に従い、有用な地層には、鉱山、河床、地上領域など、特に、例えば炭層などの炭素含有物質が多い地層を含む。
【００２７】
好ましくは、前記炭素含有堆積物が炭層であり、前記石炭が瀝青炭、亜炭、または褐炭から無煙炭まで、炭素含有量に増加に基づくすべての形態または等級の石炭を含む。亜炭または褐炭といった炭素含有量が最も低いものに続き、昇順に亜瀝青炭または黒亜炭（亜炭よりもわずかに等級が高い）、瀝青炭、半瀝青炭（高級瀝青炭）、半無煙炭（低級無煙炭）、および無煙炭がある。すべて、本発明の方法において有用である。
【００２８】
好ましい実施形態において、そのような変換で微生物共同体を利用し、微生物共同体は前記地層に常在しているか、意図的に導入することができ、電気的生物刺激に対して肯定的に反応し、メタンおよび他の有用な生成物を生じる。そのような方法は、選択的に、同時期および／またはその後の生物変換を促進する方法として、前記地層の炭素質内容物を可溶化する、事前または同時の工程を含む。
【００２９】
本発明に従い、注入した栄養物および他の化学物質に加え、石炭炭素のメタンへの生物変換は電子の送達により増加し、注入物の一部はメタンおよび／または二酸化炭素への石炭の微生物変換感受性を向上させる。電子の伝達は、電流または電圧として電子の流れを調節する、掘削穴の場所と操作を調節する、および水素、金属、炭化水素などの電子供与体を含む栄養物および他の化学物質の流れを調節することにより制御される。
【００３０】
二酸化炭素はメタン生成菌の活動によりメタンに変換され、本発明に従い、そのようなメタン生成菌による二酸化炭素のメタンへの変換は電子で刺激されると増加する。微生物によるメタンへの二酸化炭素の変換の化学反応式は、以下のとおりである。  
ＣＯ２＋８Ｈ＋＋８ｅ−→ＣＨ４＋２Ｈ２Ｏ
【００３１】
１つの実施形態では、本発明は、電子の化学的供給源など、電気的に刺激された、炭素が多い地層の常在微生物、および／または地層に導入された非常在微生物を用い、二酸化炭素をメタンに変換する方法を提供する。代わりに、二酸化炭素を地下層に導入し、同時にまたはその後、本発明の電気的生物刺激を行う。大量スケールでは、これらの方法は効率的に二酸化炭素（確定した温室効果ガス）を、メタンまたは他のバイオ燃料などの有用なエネルギー製品に変換する。
【００３２】
１つの実施形態では、メタン生成細菌群の刺激とメタンおよび他の重要ガスおよび炭化水素の生産は、電子供給源を導入し、栄養物および化学物質に加えて、特定の非常在微生物種を注入することによりさらに向上する。
【００３３】
特定の実施形態では、前記生物変換が１若しくはそれ以上の生物変換微生物により達成される。前記生物変換微生物には、スタヒロコッカス属、エシェリキア属、コリネバクテリウム属およびリステリア属などの通性嫌気性菌、例えば、スポロミューサ属およびクロストリジウム属などの酢酸生成菌、例えば、メタノバクテリウム綱、メタノブレウィバクテル属、メタノミクロビウム綱、メタノココイデス属、メタノコックス綱、メタノコルプスクルム科、メタノクレウス属、メタノフォリス属、メタノゲニウム属、メタノミクロビウム科、メタノピュルス属、メタノレグラ属、メタノサエタ属、メタノサルキナ属、メタノスパエラ属、メタノスピリルム属、メタノサーモバクター、およびメタノスリックス属などのメタン生成菌を含む。生物変換微生物には真菌などの真核生物も含む。
【００３４】
例えば、米国特許第６，５４３，５３５号明細書および米国公開出願第２００６／０２５４７６５号明細書では、代表的な微生物と栄養物について開示しており、その教示はこの参照により組み込まれる。適切な刺激剤も含むことができる。
【００３５】
注入液への添加物には、主要栄養物、ビタミン、微量元素（例えば、この群に限定されるものではないが、Ｂ、Ｃｏ、Ｃｕ、Ｆｅ、Ｍｇ、Ｍｎ、Ｍｏ、Ｎｉ、Ｓｅ、Ｗ、Ｚｎ）、およびリン酸および酢酸緩衝液などの緩衝液を含む。適切な培養基も含むことができる。本発明を実践する場合、まず、発明プロセスの一環として使用できる最適な増殖条件を決定するため、石炭鉱床に存在する微生物共同体の性質を決定する必要がある。
【００３６】
生物変換を常在（または内因性）微生物共同体によって達成する場合、生物変換の電気的刺激を行う前に、上述の栄養物を有利に導入する。非常在微生物（外部から導入された微生物または微生物共同体など）により生物変換を達成する場合、栄養物を前記外因性微生物の導入前、導入中、または導入後に導入する。
【００３７】
前記生物変換は、微生物を用いて得られた処理済み炭素質材料および／または生成物の生物変換に効果的な条件で行う。有用な生物変換微生物には、通性嫌気性菌、酢酸生成菌、メタン生成菌、および真菌を含む。典型的な実施形態では、生物変換がメタン、エタン、プロパンなどの炭化水素、およびカルボン酸、脂肪酸、酢酸、二酸化炭素の生成を含む。
【００３８】
適切な実施形態では、地層内の内因性および／または外因性微生物または微生物共同体の前記生体電気刺激が、炭層などの地層に水および／または他の化学物質を注入するか否かに関わらず、電子を導入する工程、および電気回路を完成するために未使用の電子を回収し、その後前記地層から生成物および／または注入物質を回収する工程を有する。
【００３９】
前記導入された電子の流れは、炭層中の微生物の増殖と、石炭および選択的に二酸化炭素など、別の導入された炭素源など、炭素質材料の変換が特定レベルで増加および維持される程度に制御される。
【００４０】
電気伝導度は一般に水中塩分に比例する。大量の溶解イオン、特にナトリウムおよび塩化物イオンなどの金属塩イオンを有する炭素質堆積物は電流を流す、つまり溶解イオンの量が少ない堆積物よりも容易に電子を流すことができる。従って、塩分濃度が高い地層に入るまたは電気的に接触する陽極と陰極との間の電流に対する抵抗は、塩分濃度が低い地層よりも低くなる。例えば、塩分が低い炭層では、伝導度、つまり電気エネルギーが水を流れることのできる度合いは、導電性材料を加えることで調節され、常在および／または非常在、つまり外因性および／または外部から導入されたメタン生成細菌群の増殖を選択的に支援または亢進する。本発明の１つの実施形態では、イオンナノ粒子および／または可溶性塩が炭層に注入される水に加えられ、水の伝導度を上昇させ、前記メタン生成細菌群による電子の移動を促進するイオンを提供する。
【００４１】
炭層など、地層の空隙の優勢型は割れ目にあり、隙間または幅はサブミクロンからミリメートル、長さはミクロンから何百フィートにも及ぶことがある。これらの割れ目は多く（ほとんど）が相互に連結し、従って、水力回路網を構成し、ここから液体および気体と、電気エネルギーが流れる。炭層は砂岩および頁岩など、他の地層との圧縮率が高く、そのため、炭層中の固体容積および空隙は前記炭層内の液体圧力が上昇または低下することで調節される。初期または静圧条件を超える液体圧力および最適な正味有効応力における炭層中での本発明の方法の操作により、プロセスが継続するにつれて穴間の透過性が上昇し、炭層中の液体量または容積が増加し、炭層水に存在する微生物数が増加し、微生物に供給される電子の量または数が増加し、そのため、前記プロセスの効率が上昇すると考えられる。
【００４２】
本発明に従い、地下の炭素含有層が常に液体および／または気体などの流体で飽和し、そのような飽和が前記地層にかかる正味有効応力にも影響する。地下層における気体および液体の透過性も、その飽和状態に依存し、そのため意図的に地下層の圧力を初期状態よりも十分高く最適点まで上昇させ、その圧力を連続的に維持することで、液体、栄養物、微生物共同体、および生成したメタン、二酸化炭素、および炭化水素の流れが最適化される。
【００４３】
前記プロセスが行われる最大圧力は地下層の流圧が地層の抗張力を超える点で制限され、ポアソン比で決定する通り、垂直または水平面で割れ目を形成し、地層中を伝搬させる。これらの圧力で誘導される割れ目は大きな流路を形成することが多く、そこから注入された液体栄養物および微生物共同体および生成したメタンが流れ、そのため、地下層全体の流圧の分布および正味有効応力の減少を軽減または抑制する。
【００４４】
初期または静圧条件を超える圧力点および最適な正味有効応力での地下層の変換過程の操作は、プロセスが継続するにつれ、穴間の透過性傾向と穴間の透過性の変化の決定を改善することができる。固体石炭または頁岩からメタンガスへの生物変換は、石炭または頁岩の実容積を表面に沿って低下させ、割れ目の隙間および関連する孔の孔径を増加させ、今度はこれが前記地下層の透過性と前記変換過程の効率を上昇させる。
【００４５】
多くの炭素含有地下層は、複数の種類の孔、または孔隙、炭素含有地下層を構成する物質タイプの機能、およびこれにかかっていた、およびかかっている力を有する。例えば、多くの炭層は二重または三重の孔を有し、孔隙は割れ目、大きな基質空間、および／または小さな基質空間として存在する。これらの孔隙は地域によってかなり異なり、方向の傾向または配向性を示すことが多く、地下層内の垂直の配向性が一定しないことが多い。地下層の透過性も、特定の地下環境内でかなり水平および垂直方向に異なる可能性がある。地質学的および地球物理学的データが十分であることを考え、地下層の３次元数学的モデルを作成するため、厚さ、地域の広さ、深さ、勾配、飽和状態、透過性、多孔性、温度、地層の地球化学、地層の構成、および圧力など、多数の地下層の特徴を解明する。
【００４６】
本発明と一致し、炭素含有地下層の二酸化炭素、メタン、および他の炭化水素へのｉｎ  ｓｉｔｕ生物変換は、常在および／または意図的に導入された非常在メタン生成細菌群を用い、微生物の栄養物、メタン生成細菌群、化学物質、および電気エネルギーを導入し、そのような系およびプロセスの地質学的、地球物理学的、流体力学的、微生物学的、化学的、生化学的、地球化学的、熱力学的、および操作上の特徴を完全に説明した包括的な数学的モデルを利用して行った。
【００４７】
そのような生物変換成分の生成物の量、およびそのような生成の生成率は、これに限定されるものではないが、存在する特定の微生物共同体、炭素含有地層の性質または種類、前記地層の温度および圧力、前記地層内の水の有無および地球化学、微生物共同体が生存および増殖するために必要な栄養物の利用能と量、メタンおよび他の生物変換生成物または成分の有無または飽和度、および他の要因を含む数種類の要因の関数である。
【００４８】
炭素の生物変換率は、前記変換プロセスで利用される微生物が利用できる表面積の量、前記微生物の集団および前記堆積物への栄養物の移動、および前記堆積物が消耗するにつれて前記堆積物から抽出される生物変換生成物に比例する。前記微生物が利用できる表面積の量は前記地下層の空隙の割合、または空隙率に比例し、透過性（気体および液体が地下層から流れる力の指標）は今度はその空隙率に比例する。すべての地下層はある程度圧縮可能であり、つまり、その容積、空隙率および透過性は、地下層にかかる正味の応力の関数である。その圧縮率は、今度は物質、つまり、鉱物、炭化水素化学物質、および液体、岩の空隙率、および物質、つまり結晶または結晶以外の物質構造の関数である。
【００４９】
本発明の方法は前述の要因を利用し、メタン生成細菌群の刺激と炭層などの地層内でのメタン生成が、注入および生産用穴を利用し、圧力および流量の条件を変化させ、液体、栄養物、化学物質、導電性材料、および電気エネルギーの前記地層を出入りする注入および／または生成により独立して調節または制御または管理されるようにし、これが今度は前記地層の空隙率、前記地層中の液体および気体の移動、前記地層の電気伝導度を変化させる。例えば、炭層への注入率と圧力を調節し、および／または少なくとも１つの生産用穴からの液体の放出を制御することで、前記炭層中の液体容積、前記炭層の透過性、および前記炭層の有効透過性が増減し、そのため前記炭層内の電気伝導度および電流フローが増減する。
【００５０】
前記地層が炭層である、１つの限定されない例では、メタン生成細菌群を含む微生物の刺激、およびメタンおよび他の重要ガスおよび炭化水素の生産は、多数の掘削穴または水力および／または電気ルートを炭層または他の炭素が豊富な堆積物などの地層に利用することで、さらに強化または最適化される。１つのそのような例では、前記炭層に垂直および／または水平に向いた１群の掘削穴（図１参照）を陽極として利用し、最初の掘削穴群の近くに位置する別の群の掘削穴を陰極として利用する。代わりに、炭層から電流を向けるように２若しくはそれ以上の掘削穴を提供し、一方、水、栄養物、化学物質、および他の物質を前記炭層に注入する他の掘削穴を提供し、前記炭層から気体、水、および他の物質を生成するさらに他の掘削穴を提供する。
【００５１】
１つの実施形態では、メタン生成細菌群の刺激およびメタンおよび他の炭化水素を含む他の重要ガスの生産は、さらに、水平または垂直以外の角度に向いた掘削穴を利用することで強化され、したがって、液体、化学物質、物質、および気体が注入される炭層貯留層の表面面積、および前記炭層にかかる電気エネルギーの使用量が増加する。
【００５２】
１つの実施形態では、メタン生成細菌群の刺激およびメタンおよび他の重要ガスと炭化水素の生産が、前記プロセスを最適化するように連続的または非連続的に電気エネルギーをかけ、かかる電気エネルギーの電圧および／またはアンペア数を変化させることでさらに強化される。
【００５３】
１つの実施形態では、電子が掘削穴を通って炭層に入る導電性回路および放電点（陽極と呼ばれる）により、直接炭層また前記炭層に注入される水に導入される。電子は、前記炭層から、陰極として知られる１若しくはそれ以上の掘削穴内で構築される、１若しくはそれ以上の導電点に流れる。電子は、それによって前記炭層の空隙の水に含まれる微生物に提供され、微生物は前記水に含まれる可能性があり、および／または前記固体石炭物質の表面に付着しているが、前記水と接触している可能性がある。１つの実施例では、前記炭層を通り、そのため前記微生物に向かう電子の流れが前記電子回路の構造およびその操作により制御される。例えば、前記電圧および電流は、電子エネルギーの供給を制御する当該分野で周知の方法により調節することができる。電子の流れはさらに、前記陽極および陰極を含む掘削穴の位置および構造により調節される。
【００５４】
本発明の限定されない例では、少なくとも２つの掘削穴、または他の伝達方法が炭層など、埋め込まれた炭素質地層と表面または地表面の高さとの間で確立され、前記掘削穴が構築され、掘削穴間の液体の循環、前記地層内の電子の単離、および前記掘削穴間で閉じた電気回路の形成が可能になる。そのような電気エネルギーは、例えばバッテリーまたは他の発電機に接続した電極などの物理的供給源に由来するか、または化学物質含有電極などの電気化学的供給源に由来するか、またはそのような電気エネルギーが酸化還元反応により電子を移動させる酸化還元試薬など、電気化学的性質のものとすることができる。
【００５５】
１つの実施形態では、前記炭素質地層に出入りする電子の送達を可能にすることにより、電気ルートが前記掘削穴に挿入され、他の地層から単離される。石炭のメタンおよび他の生成物への生物変換に有用な化学物質を含む液体を前記地層に注入し、電気エネルギーを前記地層に送達し、常在微生物群の生体電気的刺激を提供する。前記液体は１若しくはそれ以上の注入用穴から前記地層に注入され、前記地層を流れて１若しくはそれ以上の生産用穴に到達し、前記注入した液体は、ここから前記生物変換プロセスによって生じた物質とともに前記地層から引き抜かれる。電気エネルギーも１若しくはそれ以上の穴から前記地層に送達され、前記地層における微生物の生体電気刺激に対して電子を提供し、前記地層を１若しくはそれ以上の生産用穴に向かって流れ、ここで少なくとも一部の電気エネルギーが回復し、穴間の閉じた電気回路を完成する。
【００５６】
１つの実施形態では、炭層の炭素含有量が非常に高く、７０％を超える可能性があり、電流に対する抵抗性も非常に高いと考えられる。ほとんどの炭層では、時に「クリート」として知られる多数の割れ目に空隙、つまり孔が含まれ、この空隙には通常水が充填されている。さらに、炭層中の前記空隙を充填する水には、通常、溶解した鉱物が内容物に含まれ、結果として電気伝導性が前記炭層の固体石炭よりもはるかに大きくなる。結果として、炭層に送達される電気エネルギーは、ほぼ完全に前記穴に含まれる水の中を流れ、前記炭層の固体石炭は流れない（または、炭層の上下にある他の地層に流れる）。
【００５７】
図１に示す通り、注入用穴１と生産用穴２、３、４、および５がある。前記穴は、電導管が表面から各穴の掘削穴を通って伸びるように構築され、電気エネルギーが炭層などの炭素含有地層に送達されるようにすることが可能である。直流の電気エネルギーは、電気エネルギーの送達源から、前記注入用掘削穴を通って陰極に伸びる導管を通り、炭素含有地層、例えば炭層に入り、各生産用穴で地層に伸びる前記電気ルートに接続する陽極に向かって流れ、前記表面の電気エネルギー送達源に戻る。前記電気エネルギーは前記地層の液体中および前記地層固体の表面上に電子を供給し、常在メタン生成細菌群によって利用され、代謝機能とメタンの生成および生産を増加させるために利用される電子を供給する。電圧およびアンペア数の単位での電気エネルギーの量は、表面電源からおよび／または電導管の電気抵抗を調節することで調節可能である。炭層などの炭素含有地層、および前記地層中の孔隙を占める液体は、前記地層中の液体および／または固体物質の伝導度に比例し、電流に対して抵抗性を有する。アンペア数および電圧の単位での電気エネルギーの流れは、陰極と陽極間の位置および距離によって影響を受ける。
【００５８】
好ましい実施形態では、石炭などの炭素含有地層に化学物質とともに電気エネルギーが供給され、この化学物質は常在メタン生成菌群の増殖およびメタンと他の有用な生成物の生産を促す。
【００５９】
１つの好ましい実施形態では、エステル、水酸化物、および／または過酸化物を含む１若しくはそれ以上の溶解補助化学物質による石炭の可溶化と、本明細書に列挙した１若しくはそれ以上の化学物質および／または栄養物および／またはビタミンおよび／または鉱物を用いた可溶化生成物の生物変換とを組み合わせることで、石炭などの炭素質材料が地層内で生物変換される。
【００６０】
他の好ましい実施形態では、メタン生成細菌群の増殖およびメタンと他の有用な生成物の生成および生産を促す化学物質、また炭素含有地層の少なくとも一部を可溶化することができる化学物質と同時に、電気エネルギーが石炭などの炭素含有地層に供給され、それによってメタンおよび他の有用な生成物の生成および生産が促進される。
【００６１】
炭層など、炭素が豊富な地層においてメタン生成により生成した生物変換生成物の量およびそのような生産の生産率は、必ずしもこれに限定されるものではないが、存在する特定の微生物共同体、炭層の性質または種類、炭層の温度および圧力、炭層内の水の有無および地球化学、微生物共同体が生存および増殖するために必要な栄養物が利用できるか、生物が利用可能な炭素が利用できるか、微生物共同体の増殖を刺激することのできる電気エネルギーが利用できるか、メタンおよび他の生物変換生成物の有無または飽和状態を含むいくつかの要因に依存する。
【００６２】
１若しくはそれ以上の本発明の実施形態において、炭層などの地層の透過性は、メタンを生成するプロセスおよび電気エネルギーの導入中に、前記地層の少なくとも一部で液体の圧力を上昇させることにより上昇および／または最適化される。さらに、前記石炭のメタン、二酸化炭素、および様々な炭化水素、特に低分子への生物変換は、栄養物の前記地層への送達および分散、前記地層中の微生物共同体の送達および分散、および前記微生物共同体と接触する前記地層の表面積の量の１若しくはそれ以上を増加させることでも最適化することができる。結果として、前記地層から生成した前記メタン、二酸化炭素、および他の炭化水素の除去および回収が同様に促進される。
【００６３】
炭素の生物変換率は、地層中の微生物にかかる電気刺激の最適化、つまり、前記微生物、前記微生物の集団が利用でき、前記系への栄養物の移動および前記系からの生物変換生成物の移動に利用できる表面積の量に比例する。前記微生物が利用できる表面積の量は地下層の空隙の割合、つまり空隙率に比例し、気体および液体が前記地下層を流れる能力は、今度はその空隙率に依存する。すべての地下層はある程度圧縮可能である。かかる電気エネルギーの量は、少なくとも部分的に、地下層の空隙率、または液体がある空間の量に依存する。したがって、本発明に従い、地層にかかる正味の有効応力を軽減する、例えば、ここにかかる液体の圧力を増加することで、前記地層の透過性、空隙率、生物変換に利用できる内部表面積、および前記地層に電気エネルギーをかける能力を改善することができ、それにより、前記堆積物を出入りするように栄養物、微生物、および生成したメタン、二酸化炭素、および低分子炭化水素を移動することができる。
【００６４】
本発明に従い、メタン生成細菌群の刺激およびメタンおよびその他の重要ガスおよび炭化水素の生産は、石炭などの炭素質物質を可溶化することのできる化学物質を加えることで強化され、生物が利用できる炭素が増える。本発明の方法に従い、そのような追加は生物変換プロセス中またはその前に起こる。
【００６５】
従って、すでに述べられている通り、１若しくはそれ以上の化学物質と前記物質が接触することで、炭素質材料がまずｉｎ  ｓｉｔｕで可溶化されるが、この化学物質には分子が含まれ、それによって可溶化の働きをする化学結合の多くを切断する。前記可溶化プロセスを最大限にするため、単独または組み合わせて用いるこれらの化学物質は、特定の濃度、温度、工程で炭素含有物質と接触させる。
【００６６】
そのような添加物には、過酸化物、水酸化物、安息香酸、Ｃ１−Ｃ４カルボン酸、好ましくは脂肪酸、最も好ましくは酢酸（これらのカルボン酸いずれかの塩またはエステルを含む）、好ましくはアセテートなどのエステルを含み、これらは個別に、連続的に、または特定の組み合わせおよび副次的組み合わせで利用される。好ましい実施形態では、後者の化学物質が水酸化ナトリウム、過酸化水素、および／または酢酸エチルであるか、これらを含む。そのような酢酸塩を水溶媒を用いて利用すると、（最終的なｐＨによって）酢酸の一部が形成し、可溶化工程に関与すると理解される。
【００６７】
１つの実施形態では、少なくとも一部の炭素質材料を可溶化させるために有効な温度、圧力などの条件下、前記方法が地層中の炭素質材料、好ましくは炭素含有物質が多い材料と４炭素原子以上の有機酸（例えばカルボン酸）または安息香酸、またはこれらの酸いずれかの塩またはエステル、好ましくは酢酸および／または１若しくはそれ以上の酢酸塩および／または１若しくはそれ以上の酢酸エステル（つまり、１若しくはそれ以上のアセテート）との接触を含む。これらの様々な組み合わせは連続的に利用することができる。好ましい試薬は、過酸化水素、水酸化ナトリウム、および酢酸エチルを含む。これらの化学物質の経時的適用は特に有用である。
【００６８】
電気的刺激の前に可溶化に利用される他の化学物質には、水酸化ナトリウムの代わりに水酸化カリウム、および／または酢酸エチルの代わりに異なるアセテートが含まれる。これらの化学物質の濃度、および前記石炭と接触する相対容積および温度は、可溶化される石炭の特徴および／または石炭が採取される地下層の状態など、様々な要因によって変化する。
【００６９】
好ましい酢酸の塩またはエステルには、これに限定されるものではないが、酢酸メチル、酢酸エチル、酢酸イソプロピル、酢酸ｎ−ブチル、酢酸イソブチル、酢酸アミル、酢酸イソアミル、酢酸ヘキシル、酢酸へプチル、酢酸オクチル、酢酸ノナニル、酢酸デシル、酢酸ウンデシル、酢酸ラウリル、酢酸トリデシル、酢酸ミリスチル、酢酸ペンタデシル、酢酸セチル、酢酸ヘプタデシル、酢酸ステアリル、酢酸ベヘニル、酢酸ヘキサコシル、酢酸トリアコンチル、酢酸ベンジル、酢酸ボルニル、酢酸イソボルニル、酢酸シクロヘキシルを含む。同様のエステルおよび塩を本明細書で列挙された他のカルボン酸から形成することもできる。
【００７０】
有機酸とともに使用できるさらなる溶媒には、亜リン酸、リン酸、トリエチルアミン、塩酸キヌクリジン、ピリジン、アセトニトリル、ジエチルエーテル、アセトン、ジメチルアセトアミド、ジメチルスルホキシド、テトラヒドロチオフェン、トリメチルホスフィン、ＨＮＯ３、ＥＤＴＡ、サリチル酸ソーダ、トリエタノールアミン、１，１０−ｏ−フェナントロリン、酢酸ナトリウム、酒石酸アンモニウム、シュウ酸アンモニウム、クエン酸三アンモニウム、２，３−ジヒドロキシ安息香酸、２，４−ジヒドロキシ安息香酸、３，４−ジヒドロキシ安息香酸、３，５−ジヒドロキシ安息香酸、ＴＨＦ−テトラヒドロフランを含む。
【００７１】
前記溶解補助化学物質に少なくとも２つの過酸化物、水酸化物、およびアセテートが含まれ、より好ましくは３つすべてが利用されている好ましい実施形態では、前記化学物質が混合物として、または前記化学物質を連続して注入するなど連続的に、地下堆積物、層、または地層と接触する。混合物として追加する場合、前記化学物質は単一の組成として追加するか、またはｉｎ  ｓｉｔｕで前記混合物が形成するように順に追加する。順に追加する場合、各注入は選択的に適切な溶媒、例えば水を注入することで、前後に分ける。
【００７２】
例えば、１つの実施形態には、前記過酸化物を注入し、その後前記水酸化物を注入し、その後アセテートを注入し、そのような各注入は一定量の水を注入し、その後微生物共同体に電気的刺激を加えることで分離される。これらの溶媒が１若しくはそれ以上存在することで悪影響を受ける可能性がある微生物共同体を導入する前に、前記地層から過剰な溶媒を取り除く必要があることは理解されるものとする。さらに、可溶化を促す温度、圧力、およびｐＨの条件は、生物変換を促す条件とはやや異なる可能性がある。
【００７３】
１つの実施形態では、追加の化学物質と一緒に、個別に注入するかまたは過酸化物、水酸化物、またはアセテートと一緒に、溶解補助化学物質が少なくとも１つの過酸化物、少なくとも１つの水酸化物、および少なくとも１つのエステル、好ましくはアセテートを有する。
【００７４】
１つの実施形態では、炭層などの前記炭素含有堆積物に導入される液体は、本発明のプロセスを促す上で有用な、または芳香族炭化水素、クレオソート、および重油など、本発明のプロセスの一環として使用される追加溶媒を含む。好ましい芳香族炭化水素は、フェナントレン、クリセン、フルオランテンおよびピレン、窒素芳香環（例えばアクリジンおよびカルバゾール）、またカテコールおよびピロカテコールを含み、本発明のプロセスにおける溶媒としても適している。アントラセンおよびフルオレンなどの芳香族化合物も使用することができる。有用な溶媒には前述の溶媒のいずれか、およびその混合物、好ましくは共晶組成を含む。
【００７５】
そのような混合物は、キャリア液、例えば重油（そのような混合物は、前記溶解した溶媒の約５％〜１０％にすぎない）に実用的に溶解することができる。そのような溶媒は８０〜４００℃、好ましくは８０〜３００℃、より好ましくは１００〜２５０℃、最も好ましくは少なくとも約１５０℃の範囲の温度で加熱した場合に最も有用である。約４００℃を超える温度はあまり有益ではない。
【００７６】
好ましい実施形態では、可溶化を目的に本明細書で列挙した１若しくはそれ以上の化学物質との接触は、０〜２００℃を含み、好ましくは１０〜２００℃の温度の０〜３００℃の範囲の温度で行う。
【００７７】
他の好ましい実施形態では、可溶化を目的に本明細書で列挙した１若しくはそれ以上の化学物質との接触を、２〜１２、３〜１１、５〜１０などのｐＨ範囲を含むか、または１〜６、２〜５、または３〜４など、または８〜１３、または９〜１２、または１０〜１１の範囲の酸性またはアルカリ性の範囲に入る可能性がある様々なｐＨ条件で行う。
【００７８】
そのような可溶化法の後、条件（特に温度とｐＨ）を適度にまたはさらに劇的に変化させ、前記地層の空洞に存在するまたは前記地層に意図的に導入された微生物共同体の作用を促し、可溶化生成物をメタンなどの燃料、および脂肪酸および炭化水素などの他の有用燃料前駆体に生物変換できるようにする必要があることは理解される。
【００７９】
注入用溶解補助液に存在する物質には、亜リン酸エステルなどの他のエステルも含む。亜リン酸エステルは一般構造体がＰ（ＯＲ）３の化学化合物の一種である。亜リン酸エステルは亜リン酸Ｈ３ＰＯ３のエステルと考えることができる。単純な亜リン酸エステルはトリメチルホスファイトＰ（ＯＣＨ３）３である。リン酸エステルはリン酸のエステルと考えることができる。オルトリン酸には３つの−ＯＨ基があるため、１、２、または３つのアルコール分子でエステル化し、モノ、ジ、トリエステルを形成することができる。亜リン酸およびリン酸エステル、またはリンオキソ酸エステル、またはリンチオ酸エステルなどの化学化合物、またはリンオキソ酸とアルコールの混合物、またはリンチオ酸とアルコールの混合物は炭素含有分子と反応し、前記分子内の炭素結合を切断し、これらの炭素含有分子に水素分子を加え、それによって一酸化炭素、二酸化炭素、および揮発性脂肪酸など、一連の低分子の炭素含有分子を生じ、これらの分子は、今度はメタン生成微生物共同体によるメタンおよび他の有用な炭化水素への生物変換の影響を受けやすい。導入されたリンオキソ酸エステルまたはリンチオ酸エステルの反応により生成した反応生成物、またはリンオキソ酸エステルとアルコールの混合物またはリンチオ酸エステルとアルコールの混合物は、石炭と一緒に前記地下層中のメタン生成微生物共同体を刺激し、メタンおよび他の有用な生成物の生産を開始、またはその生産を増加させる可能性がある。
【００８０】
炭素質材料を処理し、前記材料の少なくとも一部を可溶化する場合、生物変換はそのような処理と同時に行われ、または可溶化溶媒が前記生物変換を促す栄養物を導入する前に前記地層から抽出されたなど、そのような処理後に生物変換が行われる。
【００８１】
これに限定されるものではないが、酢酸塩、アルコールと酢酸のエステルを含む酢酸の塩またはエステルを利用する実施形態では、前記塩またはエステルが水、好ましくは水との混合物と選択的に混合される。そのようなアセテートはエステルであることもある。そのような化学物質が地層に導入され、そこで前記炭素質材料の少なくとも一部を可溶化する場合、前記塩またはエステルの前に水を注入することも利点と考えられる。
【００８２】
本発明では、少なくとも１つのリンオキソ酸エステルまたはリンチオ酸エステル、１若しくはそれ以上の芳香族アルコール、および１若しくはそれ以上の他の芳香族アルコール、および水素、カルボン酸、カルボン酸のエステル、カルボン酸の塩、リンオキソ酸、リンオキソ酸塩、ビタミン、ミネラル、ミネラル塩、金属、および酵母抽出物から成る群から選択される、１若しくはそれ以上の他の化学化合物／化学的部分を含む溶液で前記地下層をまず処理することで、地下層の炭素含有物質のメタンおよび他の有用な炭化水素への生物変換についても検討する。
【００８３】
有用な温度およびｐＨの組み合わせは、本発明により検討され、当業者は必要以上の実験を行わずとも、特定の炭素質材料または堆積物の治療に最も適した条件、またはそのような条件の組み合わせを十分決定することができると考えられる。このような組み合わせを様々な範囲の圧力で利用することも検討される。
【図１】
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【国際調査報告】
2013526275.tif 000003