(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
帯水層又は貯蔵層を貫通する少なくとも一つの注入井を介してＣＯ２を帯水層又は枯渇した炭化水素貯蔵層に注入する方法において、注入井は、注入井と密閉係合する注入管を備え、帯水層の圧力又は枯渇した炭化水素貯蔵層の貯蔵層圧力は、ＣＯ２の臨界圧力より低く、前記方法は、注入設備を操作してＣＯ２流をＣＯ２の臨界圧力より高い圧力で注入井の注入管の下に注入し、流は液体状態又は超臨界状態であって、
注入管は、ＣＯ２が注入される帯水層又は貯蔵層のインターバルで又は真上で終結し、注入管は液体注入制御バルブをその底面又はその底面の近くに備え、バルブ上の圧力が予め設定された圧力値未満のときには、閉じられ又は閉じ、バルブ上の圧力が予め設定された圧力値以上であるときには、開き又は再び開き、予め設定された圧力値は、注入管におけるＣＯ２が液体又は超臨界状態に維持されるように選択されることを特徴とする方法。
【請求項２】
液体注入制御バルブは、バルブの閉鎖をもたらす閉位置とバルブが開く開位置との間で移動可能な可動部材と合体させる一方向バルブであり、バルブは、予め設定された圧力値以上で開き、予め設定された圧力値未満で閉じることを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項３】
予め設定された圧力値が２００乃至３００絶対バールの範囲であることを特徴とする請求項１又は２に記載の方法。
【請求項４】
密閉手段が注入管の底面又はその底面の近くに設けられ、注入管は注入井の壁と密閉係合すること特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の方法。
【請求項５】
複数の注入井及び複数の生産井は、枯渇した炭化水素貯蔵層を貫通し、ＣＯ２の枯渇した炭化水素貯蔵層への注入中は生産井のいずれかが生産中のままであり、又は生産井が閉じられ若しくは放棄されていることを特徴とする請求項１から４のいずれかに記載の方法。
【請求項６】
液体注入制御バルブは、有線で回収可能であり、使用中、注入管に設けられたニプルに固定され、一旦、帯水層又は貯蔵層の近接掘削孔範囲での圧力が１０００絶対ｐｓｉより高く増加すると、液体制御バルブは、注入井から回収されることを特徴とする請求項１から５のいずれかに記載の方法。
【請求項７】
ＣＯ２を帯水層又は枯渇した炭化水素貯蔵層に注入するシステムにおいて、前記システムは、
貯蔵層又は帯水層を貫通する注入井であって、注入管の底面又はその底面の近くの注入井の壁と密閉係合する注入管を備える注入井と、
炭化水素貯蔵層又は帯水層の近位にある注入井内に位置する液体注入インターバルと、
液体又は超臨界ＣＯ２から成るＣＯ２流を注入井へ及び注入管の下へ流し込む注入設備とを備え、
注入管が液体注入インターバル内又は真上で終結し、前記システムは、さらに、注入管内のその底面又はその底面の近くに配置された液体注入制御バルブを備え、前記液体注入制御バルブは、バルブ上の圧力が予め設定された圧力値未満のときには、閉じられ又は閉じ、バルブ上の圧力が予め設定された圧力値以上であるときには、開けられ又は再び開けられ、予め設定された圧力値が注入管におけるＣＯ２が液体又は超臨界状態に維持されるように選択されることを特徴とするシステム。
【請求項８】
バルブは、バルブの閉鎖をもたらす閉位置とバルブが開く開位置との間で移動可能な可動部材を含むことを特徴とする請求項７に記載のシステム。
【請求項９】
前記可動部材は、使用中、ＣＯ２流が可動部材の一部に直接的に力をかけ、かけられた力が閾値より大きいときは、可動部材が開位置に移動し又は開位置のままであり、かけられた力が閾値より小さいときは、可動部材が閉位置のままであり又は閉位置に移動することを特徴とする請求項８に記載のシステム。
【請求項１０】
可動部材は閉位置にバイアスされることを特徴とする請求項８または９に記載のシステム。
【請求項１１】
ＣＯ２を低圧力炭化水素貯蔵層又は低圧力帯水層に注入するシステムにおいて、前記システムは、
貯蔵層又は帯水層を貫通する注入井であって、注入管の底面又はその底面の近くで注入井の壁と密閉係合する注入管を備える注入井と、
炭化水素貯蔵層又は帯水層の近位にある注入井内に位置する液体注入インターバルと、
液体又は超臨界ＣＯ２から成るＣＯ２流を注入井へ及び注入管の下へ流し込む注入設備とを備え、
注入管が液体注入インターバル内又は真上で終結し、前記システムは、さらに、注入管内でその底面又は近くに配置された液体注入制御バルブを備え、前記液体注入制御バルブは、バルブ閉鎖要素、バルブシート及び作動手段を備え、前記作動手段はバルブ閉鎖要素にバイアス力を与え、該力は、注入管における液体又は超臨界ＣＯ２のカラムによりバルブ閉鎖要素に加えられる力により反作用され又は超えられ、使用中、注入管における液体又は超臨界ＣＯ２のカラムにより加えられた力が作動手段により与えられたバイアス力より少なく、バルブ閉鎖要素が作動手段によって付勢されバルブシートと係合することにより、注入されたＣＯ２が注入井の液体注入インターバルが到達するのを防ぎ、バルブが閉じ、また、使用中、注入管における液体又は超臨界ＣＯ２のカラムにより加えられた力が作動手段により与えられたバイアス力以上であるとき、バルブが開くことを特徴とするシステム。
【請求項１２】
注入管は、注入管の底面と注入井の壁との間の環状空間を密閉する密閉手段、を備えることを特徴とする請求項７から１１のいずれかに記載のシステム。
【請求項１３】
注入井は、井戸先端を備え、ＣＯ２は注入設備から注入井に、井戸先端で終結する注入組立ラインを介して送られることを特徴とする請求項７から１２のいずれかに記載のシステム。
【請求項１４】
システムは、更に少なくとも一つのダウンホール安全バルブ及びチョークバルブを備え、チョークバルブは井戸先端に配置されることを特徴とする請求項７から１３のいずれかに記載のシステム。
【請求項１５】
注入井に使用される液体注入制御バルブは、
入口と出口を有する本体と、
入口と出口との間のバルブ手段であって、バルブシート及びバルブ閉鎖要素を備えたバルブ手段と、
バルブシートに対してバルブ閉鎖要素を付勢するバイアス力を与えてバルブを閉じることにより、注入された液体がバルブを介して通過するのを防ぐ作動手段と、を備え、
バルブは、使用中、注入された液体の圧力のためバルブ閉鎖要素への力がバイアス力より大きいときのみ開くことを特徴とする液体注入制御バルブ。
【請求項１６】
作動手段は、使用中、注入された液体の圧力が注入井の深さに依存する予め設定された値より低く低下したときはいつでも、バルブを閉じるように選択され、予め設定された値は、２００乃至３００絶対バールの範囲であることを特徴とする請求項１５に記載の液体注入制御バルブ。
【請求項１７】
作動手段は、バネ、ガス充填ベローズ及びガス充填ドームから選択される弾性のあるバイアス手段を備え、ガス充填ベローズ又はドームは不活性ガスで満たされることを特徴とする請求項１５または１６に記載の液体制御バルブ。
【請求項１８】
バルブは、さらに、（ａ）注入井に配置された注入管におけるニプルプロファイルにバルブを解放可能に固定する係合手段と、（ｂ）有線に解放可能に取り付けられ、挿入され又は注入井の注入管から回収されるとき、そこから吊るされる手段を備えることを特徴とする請求項１５から１７のいずれかに記載の液体制御バルブ。
【請求項１９】
バルブは、さらに、バルブの周りで、液体フローを防止するように操作可能な一つ以上の密閉要素を備えることを特徴とする請求項１５から１８のいずれかに記載の液体制御バルブ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、低圧炭化水素貯蔵層又は低圧力帯水層への低温液体注入の方法及び装置に関する。特に、本発明は、浸透性及び透過性の地下炭化水素貯蔵層、特に、ＣＯ２貯蔵用の枯渇ガス貯蔵層への二酸化炭素（ＣＯ２）の注入に関する。
【背景技術】
【０００２】
ＣＯ２は、石炭、石油又はガスなど化石燃料を燃やす発電所及び炭化水素原料の改良により水素を生産する水素プラントにおいて、ある生産工程、例えば、アンモニアを製造する工程で、多量に副産物として生産されるガスである。この副産物を大気中に放出することは、温室化ガスとなるため、好ましくない。大気中への放出以外の方法でＣＯ２を除去する方法の開発に、多くの努力が注がれている。特に興味深い技術の一つとして、ＣＯ２の浸透層への地中処分がある。
【０００３】
従って、地下にある炭化水素貯蔵層は、ＣＯ２の地中処分に適しているだろう。ＣＯ２が浸透性・透過性炭化水素貯蔵層に注入された場合、注入されたＣＯ２は、貯蔵層中の炭化水素（例えば、石油）を生産井（炭化水素が抽出される井戸）に向ける働きをし、これにより、炭化水素の増産回収及びＣＯ２の隔離を達成することができる。
【０００４】
枯渇した石油及びガス田がＣＯ２貯蔵層に有利な条件を示すことも想像される。典型的には、石油又はガス田が複数の貯蔵層を有する。炭化水素生産が貯蔵層圧力をその初期（試作）値未満に低下させるときには、フィールド又は貯蔵層が枯渇するかもしれないものの、フィールド又は貯蔵層は依然として炭化水素を生産する。石油及び／又はガスがもはやそこから生産されないとき（例えば、生産井が封鎖されるか放棄されたとき）、生産される前に石油及び／又はガスにより前もって占められた貯蔵層の岩石層内の空間が、ＣＯ２が隔離される空間となるだろう。枯渇した貯蔵層は、陸上又は海上フィールドで見つけ出されるだろう。
【０００５】
液体、例えば、水を炭化水素貯蔵層に注入するシステムであって、注入井の壁との密閉関係の注入管を含むシステムが知られている。ポンプ設備は、液体をパイプラインに沿って井戸先端及び注入管に送り込む。表面チョークは、パイプラインから注入管へ送り込まれるフローを規制するために設けられている。ダウンホール安全バルブは、注入管内に設けてもよい。
【０００６】
しかしながら、ＣＯ２を枯渇したフィールド又は貯蔵層に注入することは難しい。低貯蔵層圧力条件でのＣＯ２の相転移挙動のため、例えば、典型的には枯渇したガス田と関連するためである。
【０００７】
ＣＯ２の相挙動は、図１に示す相図を参照して理解することができる。この相図は、ＣＯ２が、ガス、液体、固体、又は超臨界流体として存在するエリアを示す。カーブは、温度及び圧力を示し、二つの相が平衡で共存する（三重点で、固体相、液体相及びガス相が共存する）。ガス・液体共存カーブは、沸騰曲線として知られている。沸騰曲線に沿って上方に移動すると（温度及び圧力が上昇すると）、液体は、熱膨張のため密度が低くなり、圧力が上昇するにつれて、ガスの密度は濃くなる。最終的には、二層の密度は収束し同じになり、ガスと液体との間の差異はなくなり、沸騰曲線は臨界点で終結する。ＣＯ２の臨界点は、７３．８絶対バール（Ｐｃ）の圧力で３１．１℃（Ｔｃ）の温度で生ずる。液体ＣＯ２が臨界温度（Ｔｃ）及び臨界圧力（Ｐｃ）より高い場合、それは超臨界流体である。ＣＯ２が臨界温度より低く臨界圧力より高い場合、それは液体又は固体状態である（その温度及び圧力に依存する）。
【０００８】
隔離されたＣＯ２が、収納庫を最大にする状態、特に、単位体積当たりのＣＯ２最大モル数を有する高密度材料（液体又は超臨界液体）の形態であることが、一般的に望まれる。従って、液体状態又は超臨界状態の貯蔵層へＣＯ２が注入されること（及び続いて格納されること）が好ましい。
【０００９】
しかしながら、枯渇した炭化水素貯蔵層は、１０００絶対ｐｓｉ（ポンド平方インチ）（６９絶対バール）未満、特に、５００絶対ｐｓｉ（３４絶対バール）未満、例えば、２００乃至３００の絶対ｐｓｉ（１４乃至２１絶対バール）の初期貯蔵層圧力を有するかもしれない。理解されるように、注入井内の典型的に経験される温度では（例えば、０乃至１００℃の温度）、そのような圧力はＣＯ２の臨界圧力未満である。従って、注入された液体又は超臨界ＣＯ２は、注入井内で、おそらく注入管内で、注入井の圧力がＣＯ２の臨界圧力未満に低下すると、気体状態に変化する。
【００１０】
例えば、注入井が、注入井に送られる以上に液体を取り込むことができる場合に、問題が起こるだろう。水注入井の場合、注入システム安定性を維持するため井戸先端の注入圧力を減らすことにより、問題は解決されるであろう（井戸を「抑制すること（チョーキング・バック）」と呼ばれる）。しかしながら、ＣＯ２の注入のため、井戸先端圧力の約４５絶対バール未満への低下（外気温条件で）は、井戸先端のすぐ下流でＣＯ２がガス状態に相転移することから、井戸が井戸先端で抑制される程度の限界がある。そのような相転移は、一般的には望ましくない。液体からガス状態への相転移は、液体密度の重大な変化となり、それゆえ閉止装置（チョーク）にわたる圧力の重大な変化となるからである。例えば、閉止装置にわたる圧力傾斜が、十倍に低下し（例えば、０．３５ｐｓｉ／ｆｔから０．０３５ｐｓｉ／ｆｔへ）、注入不安定の原因となりうる。
【００１１】
そのため、注入システムを単純に抑制することが、ＣＯ２の枯渇ガス貯蔵層への安定した注入とならない、ことが認められる。例えば、液体からガスへの相転移を避けるため、井戸先端で（大気中で）圧力が約４５絶対バールより高く維持されていても、貯蔵層圧力は、注入されたＣＯ２が膨張して、注入管又は井戸内でガス状態へ相転移するに十分なほど依然として低い。
【００１２】
上述した公知の注入システムでは、開始時にＣＯ２注入とともに他の重大な問題が生ずる。典型的には、液体ＣＯ２は、７０絶対バール程度の圧力で送り出される。非常に低い貯蔵層圧力（例えば、２００乃至３００絶対ｐｓｉ、１４乃至２０絶対バール）は、非常に低い井戸先端圧力となり、例えば、井戸先端における初期注入圧力は、約４５絶対バールとなる。従って、閉止装置にわたる重大な圧力低下、例えば、液体ＣＯ２注入開始間の７０から１０絶対バールへの圧力低下がある。ジュール・トムソン効果のため、そのような圧力低下は、温度低下と同時に起こり、ＣＯ２が固体状態（ドライアイス）への相転移をし、パイプラインを介する液体フローの妨げとなる。従って、枯渇した貯蔵層へのＣＯ２注入の開始中に注入井におけるドライアイス形成のささいでないリスクがないことが望ましい。同様の問題は、井戸が閉じられた期間後の井戸へのＣＯ２注入の回収について現れる。低い貯蔵層圧力は、低い閉鎖井戸先端圧力となり、ドライアイスの高まるリスクを呈すからである。
【００１３】
当業者であれば、注入管内で液体又は超臨界ＣＯ２の安定カラムを維持することが重要であることを、認識するであろう。このカラムに関連する静水ヘッド圧力は、ダウンホールへの重大な寄与を示すからである。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１４】
本発明は、枯渇した貯蔵層へのＣＯ２の十分な注入を確実にすると同時に、注入管における液体又は超臨界液体の安定的なカラムを維持する問題を扱うものである。また、ＣＯ２注入中の井戸先端又はそのちょうど下流における固体ＣＯ２の沈殿を実質的に減らす又は避けることを追及するものである。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
本発明によれば、帯水層又は貯蔵層を貫通する少なくとも一つの注入井を介して、帯水層又は枯渇した炭化水素貯蔵層へＣＯ２を注入する方法であって、注入井が、注入井と密閉した状態で係合する注入管を備え、帯水層の圧力又は枯渇した炭化水素貯蔵層の貯蔵層圧力がＣＯ２の臨界圧力より低く、方法は、ＣＯ２の臨界圧力より高い圧力で、注入設備を操作してＣＯ２流を注入井の注入管の下へ注入し、流が液状態又は超臨界状態である方法において、注入管は、ＣＯ２が注入される帯水層又は貯蔵層のインターバル上で終結し、注入管は、その底面又はその近くに液体注入制御バルブを備え、前記バルブは、バルブの上の圧力が予め設定された圧力値より低いときには、閉じられ又は閉じ、バルブの上の圧力が予め設定された圧力値以上であるときには、開き又は再び開き、予め定設定された圧力値は、注入管のＣＯ２が液体又は超臨界状態に維持されるように選択されている。
【００１６】
典型的には、液体注入制御バルブは、一方向弁（バルブ）であり、例えば、バルブ要素を作動させる弾性的にバイアスされた要素を取り入れるバルブであり、バルブは、予め設定された圧力以上の場合には開き、予め設定された圧力より低い場合には閉じる。典型的には、弾性的にバイアスされた部材は、窒素ドーム又はバネ、例えば、金属バネから成る。
【００１７】
前記方法は、バルブが、予め設定された圧力以上で開き、予め設定された圧力より低いと閉まるように、バルブ要素を作動させる弾性的にバイアスされた要素を取り入れるいずれかの適切なバルブによって使用されることが理解される。特に、発明の態様は、特定のバルブ又は図及び下記に述べられるバルブのタイプに限定されるものではない。
【００１８】
好ましくは、バルブは、バルブを閉じる閉位置とバルブが開く開位置との間で移動可能な可動部材を含む。好ましくは、部材は、使用されているときＣＯ２流が可動部材の一部に直接力を加えるように、配置される。加えられた力が閾値より高いときには、可動部材は開位置に移動し又は開位置のままであり、加えられた力が閾値より低いときには、可動部材は閉位置のままであり又は閉位置に移動する。好ましくは、可動部材は閉位置にバイアスされる。
【００１９】
一方向弁の予め設定された圧力値は、注入井の注入チューブにおける液体又は超臨界ＣＯ２のカラムの静水ヘッド圧力に依存し、同じく、注入井により貫通される帯水層又は枯渇した炭化水素貯蔵層の深さに依存する。典型的には、予め設定された圧力値は、２００乃至３００絶対バールの範囲内であり、好ましくは、２２５乃至２７５絶対バール、例えば、２４０乃至２５５絶対バールである。
【００２０】
液体注入制御バルブの使用は、注入された液体又は超臨界液体ＣＯ２が、バルブの上で注入管においてガス状態へ相転移することを防ぐ点で有利である。
【００２１】
また、液体注入制御バルブは、井戸先端での圧力をある圧力、例えば、４５絶対バールより高く維持することにより、閉止装置にわたる圧力を低下させ、それに続きドライアイス形成のリスクを減らす。
【００２２】
液体注入制御バルブは、注入の初期段階での送り込まれた液体のフローを抑制する必要を減らす又は実質的になくす。
【００２３】
典型的には、隔離されるべきＣＯ２は、７５乃至２５０絶対バールの範囲の圧力で大気温度、例えば、０乃至４０℃、例えば、０乃至２０℃の範囲の温度で、注入設備に送られる。従って、送られている間、ＣＯ２は、液体又は超臨界状態にある。コンプレッサーが必要ないため、液体又は超臨界液体を帯水層又は炭化水素貯蔵層の注水設備へ送ることは、ガスＣＯ２よりも効率的である。その代り、液体又は超臨界ＣＯ２は、パイプライン配送圧力に送られる。
【００２４】
パイプラインでの圧力低下は低く、例えば、２５絶対ｐｓｉ（１．７絶対バール）より少ない圧力低下である。そのため、ＣＯ２は、実質的にパイプライン配送圧力で帯水層又は炭化水素貯蔵層の注入設備に到達する。当業者であれば、パイプラインにおける何れかの圧力低下の程度は、パイプラインの長さに沿う大気温度の変化、パイプライン長の変化、パイプラインに横切られる地形の変化などの要因に依存することを理解するだろう。
【００２５】
必要であれば、ＣＯ２の圧力を所望の注入圧力に引き上げるため、注入設備は、少なくとも一つ以上のポンプを含む。
【００２６】
典型的には、注入管は、注入井へ、ＣＯ２が注入される帯水層又は貯蔵層の間隔に近接した又は真上の位置に、延びる。注入管は、３乃至７．０インチ（７．６乃至１７．７８ｃｍ）の範囲、好ましくは、４乃至５．５インチ（１０．２乃至１３．９７ｃｍ）の範囲の内径を有する。
【００２７】
注入管と注入井の壁との間に環状の空間があるときには、密閉しなければならない。好ましくは、この目的のために注入管の底面又は近くにパッカーを設けてもよい。
【００２８】
当業者であれば、注入井におけるダウンホール圧力が二つの要素（ａ）井戸ヘッド圧力と、（ｂ）注入井の液体ＣＯ２又は超臨界ＣＯ２のカラムの静的ヘッド又は重さと、を有することが理解されるであろう。
【００２９】
従って、一般的に、液体又は超臨界液体ＣＯ２のカラムが注入井の注入管に維持されることが望まれる。液体のこのカラムのヘッド圧力が、枯渇した炭化水素貯蔵層に隣接する注入井の圧力に寄与するからである。それゆえ、本発明は、液体注入制御バルブ上の注入管における液体が液体又は超臨界状態に維持され、液体のカラムがかなりの圧力ヘッドを有する、という利点がある。
【００３０】
液体ＣＯ２又は超臨界ＣＯ２のような濃い液体のカラムの静的ヘッドは、掘削孔の下にガスＣＯ２が注入されるときよりも、より低い井戸先端圧力が使用されるガスＣＯ２のカラムの静的ヘッドより、著しく高いことが望ましいであろう。従って、本発明のプロセスは、ガス状態への相転移をなす注入管におけるＣＯ２のいかなるリスクをも減らす又はなくすことによって、注入コストを減らす。
【００３１】
炭化水素貯蔵層は、石油、ガス又はガス凝縮物が天然に堆積される、地質構造、地層、オイルサンド、貯蔵層岩などである。典型的には、複数の注入井及び複数の生産井が炭化水素貯蔵層を貫通する。生産井は、枯渇した貯蔵層へのＣＯ２の注入中、稼働中のままである。あるいは、生産井は閉じられ又は放棄されてもよい。少なくともいくつかの生産井、好ましくは、全ての生産井が、注入井に変換され残りの生産井が閉じられ又は放棄されることも、想像される。低圧力帯水層へのＣＯ２の注入の場合、多くの場合、注入井のみである。
【００３２】
典型的には、貯蔵層圧力が元の貯蔵層圧力となるまで、ＣＯ２は石油又はガス貯蔵層へ注入される。石油又はガス貯蔵層が生産中のままでも、注入井及び生産井は放棄され、そのためＣＯ２の配置容積が隔離される。もちろん、貯蔵層がもはや炭化水素を生産しない場合、いずれの生産井は、ＣＯ２の注入開始前に閉じられ又は放棄されてもよく、又は、注入井に変換されてもよい。
【００３３】
ＣＯ２が低圧力帯水層に注入されると、帯水層の圧力は、注入井が閉じ又は放棄された後に帯水層がＣＯ２を含むことができないほどは、上がらない。従って、帯水層の最終圧力は、ロック層、特に、帯水層のふたをするロック層の地質に依存する。
【００３４】
当業者であれば、一旦、ＣＯ２注入が、帯水層又は貯蔵層の近接する掘削孔領域の圧力の原因となり、１０００絶対ｐｓｉ（ｃａ．６９絶対バール）より高い値に増加させ、液体注入制御バルブは、注入管から取り除かれる、ことが理解されるであろう。もはや注入管のＣＯ２がガス状態への層転移する重大なリスクがないからである。しかしながら、散逸しそのためおよそ１０００絶対ｐｓｉ（およそ６９絶対バール）以下の値に低下する帯水層又は貯蔵層の近接した掘削孔領域の圧力のリスクがないときのみ、液体注入制御バルブは取り除かれる。この閾値圧力値は、貯蔵層温度又は帯水層の温度に依存する。
【００３５】
従って、液体注入制御バルブは、好ましくは、回収可能な有線である。
【００３６】
好ましくは、液体注入フロー制御バルブは、使用中は、注入管に設けられるニプルに据え付けられる。
【００３７】
取り入れられたＣＯ２流は、一つ所以上の現存する注入井（たとえば、水注入井又は水交互ガス（ＷＡＧ）注入井）の下に注入され、及び／又はフロー制御バルブを注入管の底又は近くに設けることによって改良された変換された生産井の下に注入され、及び／又は注入管の底又は近くにフロー制御バルブを有する取り入れられたＣＯ２流のため特にデザインされた一つ以上の注入井へ注入される。
【００３８】
取り入れられたＣＯ２流は、発電所からの副産物（例えば、燃料ガスから回収された）又は水素プラントからの副産物（例えば、水素とＣＯ２から成り、その後水素が発電所で電気を生成するのに使用される流から分離された）であってもよい。取り入れられたＣＯ２流は、天然ガスプロダクト流からＣＯ２が分離される天然ガスプラントから得てもよい。加えて、取り入れられたＣＯ２がアンモニア製造の副産物であってもよい。
【００３９】
本発明の態様は、その起源とは関係なく、何れのＣＯ２流に適用してもよい。
【００４０】
取り入れられたＣＯ２流は、無水ベースで、少なくとも９５％、例えば、９８％のＣＯ２から成る。したがって、取り入れられたＣＯ２流は、水素、一酸化炭素、窒素及びそれらの混合物から選択される微量の追加成分を含んでもよい。例えば、取り入れられたＣＯ２流が、水素プラントから得られる場合、追加成分は主に水素及び一酸化炭素である。典型的には、取り入れられたＣＯ２流における水素の量は、１重量％未満である。
【００４１】
必ずしも取り入れられたＣＯ２流が単一成分流ではないが、多くの例では取り入れられたＣＯ２流における不純物の量はとても少ないため、この流の層挙動は、純粋ＣＯ２の層挙動と同じである。他の例では、ＣＯ２流における不純物の量は、より高い。
【００４２】
本発明の態様は、流の組成に関係なく、何れかの適切なＣＯ２流に適用可能であると理解されるであろう。流が少なくとも９０％、好ましくは９５％、好ましくは９８％のＣＯ２を含むことが予想される。しかしながら、本発明は、より少ないＣＯ２含有の流に関して適用される。例えば、含有量は、８０％、７０％又はさらに低い。しかしながら、枯渇した貯蔵層に注入されるそのような低いＣＯ２含有流は、多くの例で、経済的に有利であるとは考えられない。好ましくは、ＣＯ２流は、少なくとも９５モル％のＣＯ２を含む。しかしながら、多くの場合、流におけるＣＯ２のモル％は、注入方法に影響を及ぼさない。
【００４３】
取り入れられたＣＯ２が、所望の井戸ヘッド圧力より低いときには、注入設備の注入ポンプ（例えば、一個、連続する二個、三個、又は四個のポンプ）に供給され、所望の井戸ヘッド圧力とする。好ましくは、取り入れられたＣＯ２は、ＣＯ２を一つ以上の注入井及び帯水層又は貯蔵層に流れ込ますことができる連結菅に送られてもよい。
【００４４】
当業者に良く知られているように、帯水層又は炭化水素貯蔵層の平均圧力（それゆえ帯水層又は炭化水素貯蔵層へＣＯ２流を注入するための必須のダウンホール圧力）は、とりわけ、貯蔵層の深さ及び岩のタイプにより変化する。例えば、ダウンホール圧力は、帯水層又は炭化水素貯蔵層が深くなるほど、高くなる。概説すると、炭化水素貯蔵層の平均圧力は、注入井の圧力又は生産井の圧力により制御される（貯蔵層が稼動中のままであるとき）。一般的に、ＣＯ２が帯水層又は貯蔵層に注入されることを確実にするため、注入井におけるダウンホール圧力が、帯水層又は炭化水素貯蔵層の平均圧力より高い圧力値に維持することを確実にすることが必要である。
【００４５】
本発明の一態様によると、ＣＯ２を帯水層又は枯渇した炭化水素貯蔵層に注入するシステムにおいて、前記システムは、貯蔵層又は帯水層を貫通する注入井であって、注入管の底面又は近くの注入井の壁と密閉して係合する注入管を備える注入井と、炭化水素貯蔵層又は帯水層の近位にある注入井内に位置する液体注入インターバルと、液体又は超臨界ＣＯ２から成るＣＯ２流を注入井へ及び注入管の下へ流し込む注入設備とを備え、注入管が液体注入インターバル内又は液体注入インターバルの真上で終結し、前記システムは、さらに、注入管内又はその底面又は近くに配置された液体注入制御バルブを備え、前記液体注入制御バルブは、バルブ上の圧力が予め設定された圧力値より低いときには、閉じられ又は閉じ、バルブ上の圧力が予め設定された圧力値以上であるときには、開けられ又は再び開けられ、予め設定された圧力値が注入管におけるＣＯ２が液体又は超臨界状態に維持されるように選択されることを特徴とするシステム。
【００４６】
本発明の他の態様によると、ＣＯ２を低圧力炭化水素貯蔵層又は低圧力帯水層に注入するシステムにおいて、前記システムは、貯蔵層又は帯水層を貫通する注入井であって、注入井の壁と密閉して係合する注入管を備える注入井と、炭化水素貯蔵層又は帯水層の近位にある注入井内に位置する液体注入インターバルと、液体又は超臨界ＣＯ２から成るＣＯ２流を注入井へ及び注入管の下へ流し込む注入設備とを備え、注入管が液体注入インターバル内又は真上で終結し、前記システムは、さらに、注入管内又はその底面又は近くに配置された液体注入制御バルブを備え、前記液体注入制御バルブは、バルブ閉鎖要素、バルブシート及び作動手段を備え、前記作動手段はバルブ閉鎖要素にバイアス力を与え、該力は、注入管における液体又は超臨界ＣＯ２のカラムによりバルブ閉鎖要素に加えられる力により反作用され又は超えられ、使用中、注入管における液体又は超臨界ＣＯ２のカラムにより加えられた力が作動手段により与えられたバイアス力より少なく、バルブ閉鎖要素が作動手段によって付勢されバルブシートと係合することにより注入されたＣＯ２は注入井の液体注入インターバルが到達するのを防ぎ、バルブが閉じ、また、使用中、注入管における液体又は超臨界ＣＯ２のカラムにより加えられた力が作動手段により与えられたバイアス力以上であるとき、バルブが開くことを特徴とするシステム。
【００４７】
バルブ作動手段により与えられるバイアス力は、バルブが予め決められ又は予め設定された圧力値で閉まるように選択され、この予め決められた値は、注入管におけるＣＯ２が液体又は超臨界状態を維持するように選択されている。
【００４８】
典型的には、注入管は、密閉手段、例えば、注入管と注入井の壁との間の環状空間を密閉するパッカーを備える。
【００４９】
注入井は、ケーシングに沿って並べられる。液体注入範囲を囲むケーシングの一部が、井戸と貯蔵層との液体連結を可能にする穿孔を備えてもよい。あるいは、注入井は裸坑仕上を有しても良い。
【００５０】
注入設備は、表面、例えば、陸上又は海でのプラットホームに配置されてもよい。もしくは、注入設備は、海中のロケーションに配置されてもよい。ＣＯ２は、注入組立ラインを介して注入設備から注入井に送られる。典型的には、注入井は井戸先端を備え、注入組立ラインは井戸先端で終結する。
【００５１】
ＣＯ２は、所望の配送圧力で注入設備に到着してもよい。あるいは、注入設備は、ＣＯ２の圧力を所望の配送圧力に上げる一つ以上のブースターポンプを備えてもよい。
【００５２】
システムは、少なくとも一つのダウンホール安全バルブを備えても良い。
【００５３】
システムは、典型的には井戸先端に配置されるチョークバルブを備えてもよい。
【００５４】
本発明の別の態様によれば、ダウンホールに使用される液体注入制御バルブにおいて、
・  入口と出口とを有する本体と、
・  入口と出口との間のバルブ手段であって、バルブシートとバルブ閉鎖要素を備えたバルブ手段と、
・  バルブシートに対してバルブ閉鎖要素を付勢してバルブを閉じることにより、注入された液体がバルブを通過するのを防ぐバイアス力を提供する作動手段とを備え、
使用中、注入された液体の圧力のため、バルブ閉鎖要素への力がバイアス力より大きいときのみ、バルブを開くことを特徴とする液体注入制御バルブ。
【００５５】
作動手段は、注入された液体の圧力が注入井の深さに依存する予め設定された値より低いときにはいつでも、使用中、バルブを閉じるように選択されてもよい。上述したように、予め設定された値は、典型的には、２００乃至３００絶対バール、例えば、２２５乃至２７５絶対バール、特に、２４０乃至２５５絶対バールの範囲にある。
【００５６】
作動手段は、バネ又はガス充填ベローズ若しくはドームなどの弾性バイアス手段を備えてもよい。典型的には、ガス入りのベローズ又はドームは、窒素などの不活性ガスで満たされる。
【００５７】
バルブは、さらに、バルブを使用の目的部位に固定する係合手段、例えば、好ましくは、使用中、開放可能なようにバルブを壁、ケーシング又は注入管に取り付ける手段を含んでもよい。係合手段は、注入管内のニプルプロファイルと係合するために適用されてもよい。
【００５８】
バルブは、さらに、井戸に挿入されたとき又は取り戻されるとき、バルブを、そこからつる下げられる有線に、好ましくは、開放可能なように取り付ける手段を含んでもよい。したがって、バルブは有線で回収可能としてもよい。
【００５９】
バルブは、さらに、バルブを通してとは対照的に、バルブの周りの液体フローを防ぐように操作可能な一つ以上の密閉要素を備えても良い。必要であれば、密閉要素はインフレータブル又は膨張可能である。
【００６０】
バルブは、本発明の一つ以上の方法で使用されてもよい。加えて又はあるいは、バルブは、本発明の注入システムに組み入れられてもよい。
【００６１】
本発明の液体注入制御バルブの使用は、閉じた期間後、特に短い閉じた期間後、安全で安定した注入井開始を可能にする。長い閉じた期間後、補助ガス供給、例えば、窒素の供給は、表面チョークの下流側の背圧を造るために必要とされうる。そのような長い閉じた期間中、注入システム内の他のバルブを閉める必要があるからである（ダウンホール安全バルブ並びに、マスターバルブ、ウイングバルブ及び表面チョークなどの井戸先端と関連するバルブ）。
【００６２】
それゆえ、必要であれば、窒素注入ラインを、表面チョーク（井戸先端）の下流に窒素を注入井に注入するために備え、長期間閉じられた期間中、表面チョークの下流に十分な背圧を形成することにより、注入管におけるＣＯ２がガス状態に相転移するリスクをやわらげることができる。
【００６３】
本発明がより理解されるように、ほんの一例として、図面を参照して説明する。
【図面の簡単な説明】
【００６４】
【図１】ＣＯ２の相挙動を示す。
【図２】本発明によるＣＯ２注入システムを示す。
【図３】本発明による液体注入制御バルブの部分断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００６５】
図２は、ＣＯ２を地下貯蔵層に注入するシステム２を示す。システム２は、ケーシングに沿って並べられた井戸２０２を備える。井戸２０２は、表面から下流に延び、枯渇した炭化水素貯蔵層２１１を貫通する。ケーシングは、井戸２０２から貯蔵層２１１への液体フローを可能にする穿孔２１０を備える。貯蔵層２１１は、近接する掘削孔範囲２１２、すなわち、穿孔２１０に近接する貯蔵層の範囲を備える。
【００６６】
システム２は、表面の位置にＣＯ２ポンプ設備２０１も備えている。ポンプ設備２０１は、パイプライン２０４に接続され、パイプラインはポンプ設備２０１を井戸先端２１３に接続する。表面チョーク２０５は、パイプライン２０４内に配置される。
【００６７】
井戸先端２１３は、注入管２０３の上端に配置され、管２０３が井戸２０２内を走り、注入範囲２０９の下端、すなわち、穿孔２１０に近接する井戸２０２の範囲に達する。ダウンホール安全バルブ２０６及び液体注入制御バルブ２０８は、管２０３内に配置される。ダウンホール安全バルブ２０６は、液体注入制御バルブ２０８の上に離れて配置される。液体注入制御バルブ２０８は、枯渇した炭化水素貯蔵層又は低圧帯水層の近位にある、管２０３の下端に比較的近く配置されている。液体注入制御バルブ２０８は、閉鎖位置にバイアスされていることにより、十分な圧力が液体注入制御バルブ２０８上の液体で強まらない限り、ＣＯ２の注入範囲２０９へのフローを防ぐことができる。
【００６８】
井戸先端２１３は、当業者に知られている、例えば、ウイングバルブ、スワブバルブ、キルウイングバルブ、及び上下マスターバルブなどの、連続するバルブ（不図示）２０８を備える。
【００６９】
井戸２０２の管２０３とケーシングとの間には、環状通路がある。パッカー２０７は、この通路を密閉するために設けられ、パッカー２０７は、井戸２０２の残りの部分から注入範囲２０９を密閉する。
【００７０】
その下端で又は向かって、注入管は、好ましくは、ランディング・ニプル（不図示）を備え、液体注入制御バルブ２０８のシートを設けてもよい。液体注入制御バルブ２０８は、ニプルで注入管と係合する密閉部材を備えてもよい。
【００７１】
注入管２０３は、システムで使用されるために導入されてもよく、あるいは、従来の管、例えば、他の注入プロセス又は炭化水素生成中に井戸内で導入される管を備えてもよい。従来の管が使用されるときには、システムを導入するコストを減らすことができるという利点がある。
【００７２】
液体注入制御バルブ２０８は、好ましくは、有線で回収可能である。それゆえ、比較的素早く簡単に配置される。
【００７３】
任意に、システムは、一つ以上のブースターポンプを備えて、送り込まれたＣＯ２の圧力を上げること、例えば、開始時に液体注入制御バルブ２０８を開けることを助ける。
【００７４】
システムの動作方法について説明する。ポンプ設備２０１が、パイプライン２０４に沿っておよび表面チョーク２０５を介して、液体又は超臨界ＣＯ２を井戸先端２１３に送り込む。送り込まれたＣＯ２は、注入管２０３に入り、管２０３を液体注入制御バルブ２０８へ押し下げる。液体注入制御バルブ２０８上の流し込まれたＣＯ２の圧力は、その後上昇し、一旦、この圧力が十分になると（閾値圧力）十分に大きな力をもたらし、液体注入制御バルブ２０８が開く。
【００７５】
液体注入制御バルブ２０８上の流し込まれたＣＯ２の圧力がこの閾値圧力より下がると、液体注入制御バルブ２０８が閉じる。
【００７６】
液体注入制御バルブ２０８が開けられると、流し込まれたＣＯ２は注入範囲２０９に流れ込む。注入範囲は、典型的には、注入管２０３における流し込まれたＣＯ２よりも、かなり低い圧力である。それゆえ、流し込まれたＣＯ２は、注入範囲２０９に入ると、ガス相に変化する。パッカー２０７は、ＣＯ２が、井戸２０２の注入管２０３とケーシングとの間の環状通路の上に、注入範囲から逃げることを防ぐ。
【００７７】
穿孔２１０は、ＣＯ２が枯渇した炭化水素貯蔵層２１１に入るのを可能にする。圧力条件により、ＣＯ２は貯蔵層２１１に入るため、液又はガス相になる。ＣＯ２は、そこでの隔離のため貯蔵層２１１に浸透する。
【００７８】
当然ながら、貯蔵層２１１内で異なる圧力があり、注入されたＣＯ２の相挙動に影響を及ぼす。特に、ＣＯ２注入が進むと、近接する掘削孔範囲２１２内の圧力が増加する。貯蔵層２１１へのＣＯ２の流入割合が貯蔵層内のＣＯ２浸透割合を超えるからである。従って、ＣＯ２は液相の貯蔵層２１１に入るもののガスになる。近接する掘削孔範囲２１２から離れて、貯蔵層のより遠い低い圧力範囲に浸透するからである。
【００７９】
どのようにシステムが実際に動作するかを想像させる実施例を図２を参照して説明する。本実施例では、ポンプ設備２０１は陸上、例えば、イギリスに配置される一方で、貯蔵層２１１は海底よりおおよそ３０００メータ低い、例えば、北海に配置される。本実施例では、貯蔵層２１１は、２００乃至３００絶対ｐｓｉ（１４乃至２０絶対バール）の範囲の初期貯蔵層圧力の枯渇したガス貯蔵層である。
【００８０】
ＣＯ２は、たとえば、発電所から捕えられる。捕えられたＣＯ２は、捕獲プラントからポンプ設備へ、例えば、７０絶対バールの圧力と大気温度で、例えば、イギリスの場合０乃至２０℃の温度で、捕えられる。この条件では、ＣＯ２は液相であることが明らかである。
【００８１】
そして、液体ＣＯ２は、パイプライン２０４に沿って井戸先端２１３へ沖合で送り込まれる。井戸先端の周囲条件は、季節により変化する海底での温度による。従って、井戸先端２１３での圧力は７０絶対バールより低い。
【００８２】
送り込まれたＣＯ２は注入管２０３に入るが、注入管２０３に沿う進行は、最初は、注入開始で閉じるようにバイアスされた液体注入制御バルブ２０８によって停止される。
【００８３】
したがって、ＣＯ２のカラムは、液体注入制御バルブ２０８上の注入管２０３において強まる。液体注入制御バルブ２０８上で築かれたＣＯ２のカラムは、液体注入制御バルブ２０８の閉鎖要素の力を用いる。カラムの圧力が、注入管２０３への継続するポンピングにより増えるにつれて、この力は増える。
【００８４】
本実施例では、液体注入制御バルブ２０８は、バルブ上の圧力が２５０絶対バールを超える場合には開くように設計されている。
【００８５】
本実施例では、典型的ダウンホール温度（例えば、０乃至１００℃）でＣＯ２は２５０絶対バールの液体又は超臨界液体相となることが認められる。従って、液体又は超臨界ＣＯ２の安定的カラムは、注入管に築かれる。
【００８６】
液体注入制御バルブ２０８が開き、ＣＯ２が液体又は超臨界流体相で注入範囲２０９に流れることを可能にする。そして、ＣＯ２は、穿孔２１０を介して貯蔵層２１１を通過する。
【００８７】
本実施例では、液体注入制御バルブ２０８上のＣＯ２の圧力が約２５０絶対バール未満に低下すると、液体注入制御バルブ２０８は閉じる。それゆえ、液体注入制御バルブ２０８は、液体又は超臨界流体状態からガス相のＣＯ２の相転移が注入管２０３で起こることを防ぐ。送り込まれたＣＯ２のカラムが不安定となるため望ましくないからである。
【００８８】
当業者であれば、液体注入制御バルブが、バルブ上の液体で強まったＣＯ２の適切な圧力に応じて開くように設計されていることは、理解されるだろう。例えば、液体注入制御バルブは、弾力性のあるバイアス手段を含み、バルブ上の圧力、つまり、１０５、１１０、１２０、１５０絶対バール又はいくつかの他の所定の圧力、例えば、１００乃至５００絶対バール、例えば、１００乃至２００絶対バールに対抗できるように設計されている。
【００８９】
本発明は垂直掘削孔について説明したが、当業者であれば、本発明のプロセス及びシステムを偏位又は水平掘削孔に組み込まれてもよいことを理解するだろう。
【００９０】
図３の部分断面図に示される液体注入制御バルブ３は、幅広の上部３１ａと幅の狭い下部３１ｂとから成る略円断面の細長い本体を備える。上部３１ａと下部３１ｂとの間には、中間テーパ部３５が設けられている。上部３１ａは、入口（不図示）を備える上面３２を有する。テーパ部３５は、少なくとも一つの出口３４を備える。入口は、本体３１の上部３１ａ内で通路３３へ開く。通路３３は、バルブシート３７を有するその下端で終結する。バルブシート３７は、入口と出口との間に位置される。バルブシート３７は、出口への液体フローを防ぐためバルブ閉鎖要素３８を受けるのに適用される。
【００９１】
バルブ閉鎖要素３８は、軸３９に取り付けられる。軸３９は、本体の下部３１ｂ内でバルブ閉鎖要素３８から下方に延びている。トータルで、バルブ閉鎖要素３８及び軸３９はポペットと呼ばれる。軸３９は、バルブ閉鎖要素３８と下部３１ｂの低い部分に配置される窒素充填金属ベローズ３６との間に延びている。
【００９２】
金属ベローズ３６内に含まれる窒素の圧力は、ポペットをバイアスし、バルブ閉鎖要素３８がバルブシート３７と係合することにより、十分な液体圧力がバルブ上で強まりさえしない限り、バルブを介する液体フローを止めることができる。
【００９３】
図３は、開状態の液体注入制御バルブ３を示す。バルブ３へ及びバルブ３からのＣＯ２フローの方向は、実線の矢印で示される。
【００９４】
使用中、バルブ３はダウンホールに設置され、好ましくは、注入管の下部と密閉係合することにより、上部３１ａと注入管との間の密閉を形成する。出口から流れるＣＯ２は、バルブの本体の下部３１ｂの周りの空間、例えば、バルブ３の本体の下部３１ｂと注入管との間の環状空間に流れることが可能となる。
【００９５】
本発明のバルブは、特に、液体又は超臨界液体ＣＯ２の注入の使用に適している。明らかなように、この位置のような低温液体は、バルブに、特に、原料の選択について、要求する。例えば、バルブのある部分、例えば、ハウジングが金属でできている場合には、適切な治金を、機械加工できるステンレス又はクロム若しくはニッケル合金鋼などから選択される必要がある。また、バルブシールの原料の選択は、低温液体、特にＣＯ２の使用に適切であることが必要である。
【００９６】
予想される井戸条件に基づくと、液体ＣＯ２を枯渇した炭化水素、例えば、ガス貯蔵層に注入する典型的な運転パラメータは、下記の表１に示されるものと同じである。
【００９７】
【表１】
0005661655.tif 000002
【００９８】
また、枯渇した炭化水素貯蔵層への注入及びそれに続く保存について本発明が述べられるとともに、低圧システムへ注入する限り注入安定性の維持が望まれるいかなる状況にも、本発明の原理を利用されることが想像される。特に、低圧システムは、所定の温度で注入される液体の臨界圧Ｐｃより低い圧力である、いかなるシステムを意味すると理解される。例えば、液体相又は超臨界流体ＣＯ２を枯渇したガス貯蔵層に注入する場合、貯蔵層圧力は、液体温度のＰｃ（ＣＯ２）より低い。
【図１】
0005661655.tif 000003
【図２】
0005661655.tif 000004
【図３】
0005661655.tif 000005