METHOD FOR PRODUCING METHANE AND HYDROCARBONS BY THE UNDERGROUND HYDROGENATION OF COAL

Abstract: 1. Method of producing methane and hydrocarbons by subterranean hydrogenation of coal, in a virgin field situated at considerable depth and recovered via a plurality of bores drilled from the surface, characterized in that the gas, with a hydrogen content, used as a gasifying agent is in injected under a pressure in excess of the minimum fracturation pressure of the field via one or a plurality of bores disposed in the axis of the district to be worked and in that the hydrogenation reaction zones develop counter-current to the direction of gas flow, at a pressure equal to or greater than 80 bars, from a certain number of production bores disposed at the periphery of the district to be worked, the reaction being initiated by prior operation to cause combustion of the coal, carried out at the bottom of the production bores.

Description: Procédé de production de méthane et d'hydrocarbures par hydrogénation souterraine du charbon La présente invention concerne la production de méthane et d'hydrocarbures et est relative à un procédé de production par hydrogénAtion souterraine du charbon. Il est connu que la quantité de matières volatiles produite par la pyrolyse du charbon peut être largement augmentée, lorsque l'opération de pyrolyse est réalisée sous pression en présence d'un gaz à haute teneur en hydrogène. I1 est connu, également, que le résidu de semi-coke peut être gazôifiô, suivant la réaction C + 2 H2 n CH4 + 87,5 kJ/mole. Cette réaction ne peut se dérouler que dans des conditions bien précises. En l'absence de catalyseurs la tem penture doit dépasser 8000 C, pour que la vitesse de réaction atteigne une valeur acceptable. De plus, la réaction étant limite par un équilibre chimique, il est nécessaire de travailler à très haute pression pour que le rendement de conversion de l'hydrogène en méthane atteigne un niveau élevé. Dans la pratique industrielle l'opération est réalise dans une gamme de températures de 800. C à 900 C et dans une gamme de pressions de 80 bar à 100 bar. La gazéification souterraine du charbon par un agent gazéifiant à haute teneur en hydrogène ne peut astre en visagée que dans des gisements situés au-delà de 800 mètres de profondeur. En effet, la pression des fluides présents dans un gisement vierge est gônôralement proche de la pression hydrostatique maximale et c'est à la profondeur de 800 mètres que cette pression hydrostatique atteint 80 bar. C'est donc à une profondeur egale ou supérieure à 800 mètres que des réactions d'hydrogéno- gazéification peuvent entre réalisées à la pression de 80 bar, tout en évitant les fuites de gaz à travers les terrains de recouvrement. Une seconde condition est nécessaire pour que l'hydre- gônopyrolyse et l'hydrogônogazôification du charbon puissent être réalisées "in situ". La zone réactionnelle doit avoir un volume suffisamment grand pour compenser la faible vitesse de réfaction entre l'hydrogène et le carbone et, à l'intérieur de ce volume, il faut assurer une distribution très uniforme de l'agent gazéifiant pour maintenir les températures dans l'intervalle requis et pour éviter qu'une importante fraction du gisement reste en dehors des zones gazéifiées. Aucun des procédés de gazéification souterraine, qui se sont développés jusqu'à présent, ne satisfait à cette seconde condition. En effet, tous ces procédés reposent sur la création préalable d'un chenal qui relie les sondages d'injection aux sondages de production du gaz. Il en résulte que les réactions de gazéification ne se dô- roulent que le long des surfaces qui limitent c chenal et qu'une fraction non négligeable du débit A'Agent ga réifiant peut traverser le gazogène, sans entrer on contact avec le charbon. Dnns le procédé, qui fait l'objet de la pressente invention, la circulation de l'agent gazéifinnt, nu sein du gisement, se fait par filtration à travers le charbon vierge1 sans qu'aucun circuit d'ecoulement privilégié ait été prôalablement créé. Cette condition est réali- s en utilisant une pression d'injection supérieure à la pression minimale de fracturation du gisement, en désignant ainsi la contrainte qui préexiste dans une direction perpendiculaire au plan des fissures à travers lesquelles s'effectue l'écoulement du gaz. Les donnes expérimentales accumulées au cours de trois annexes d'essais réalisés à Thulin (Belgique), dans le cadre du projet belgo-allemand de gazéification souterraine du charbon, ont démontré que, lorsque l'on injecte un gaz et lorsque sa pression d'injection est augmentée progressivement, le dépassement de la pression minimale de fracturation ne conduit pas à la fracturation du charbon mnis qu'elle provoque l'ouverture des très nombreuses fissures qui préexistent dans la masse du charbon, sans que l'ouverture moyenne de ces fissures dépasse cinq microns à dix microns. Dans ces conditions, il devient possible d'injecter dans la veine des débits gazeux très importants et de leur assurer une parfaite dispersion À travers le gisement. Dans le procédé conforme à l'invention les puits de production du gaz sont maintenus a une pression égale ou supérieure à 80 bar et l'opération d'hydrogônogazéifica tion se développe a partir de ces puits, le front de réfaction se déplaçant à contre-courant du sens d'écoule¯ ment des gaz en laissant derrière lui une zone de vicie qui se comble par foudroyage du toit, tout en conservant une tres grande perméabilité. Du fait de cotte progression à contre-courant du front de gazéification, le gaz à haute teneur en hydrogène, utilise comme agent gazéifiant, traverse tout d'abord une zone de charbon vierge, dont la température augmente progressivement, par transfert de chaleur en provenance de la zone de gazéification. Dans cette zone imprégnée d'hydrogène et dont la température va en augmentant, les réactions d'hydrogénopyrolyse se développent dans des conditions optimales. Les produits de cette hydrogénopyrolyse passent ensuite a travers la zone dthydrogénogA¯ zéification, ce qui provoque le cracking des goudrons et des composés chimiques les plus denses, tout en permettant la subsistance d'hydrocarbures aromatiques de la famille du benzène. L'opération d'hydrogénogazéification est amorcée par une opération préalable de combustion du charbon réalisée au- tour de chacun des puits de production du gaz, en alternant des périodes d'injection d'air et des périodes d'é vacation des gaz de combustion. Pour la réalisation de cette opération préliminaire la mise à fou peut être effectuée, a volonté, par préchauffage de l'air, par l'injection d'un produit chimique capable de s'enflammer spontanément au contact de l'air (par exemple le triéthylborane) ou par l'injection d'un agent oxydant (par exemple l'eau oxygénée à forte concentration ou l'air enrichi d'oxygène). Si la chaleur dégagée par la réaction d'hydrogénogazéifi- cation est insuffisante pour que la tempérnture de la zone de réaction se maintienne au niveau optimum, le réglage de la température de la zone de action est obtenu par l'addition contrôlée d'une faible proportion d'oxygène, dans le gaz à haute teneur en hydrogène utilisé comme agent gazéifiant, la teneur en oxygène du mélange restant en déça de la limite d'inflammabilité. Lorsque ce mélange d'agents gazéifiants parvient dans la zone de réaction, l'oxygène qu'il contient réagit avec le charbon ou avec l'hydrogène, suivant les réactions 02 + C = C02 + 406 kJ/mole 02 et 2 + 2 II2 2 = 2 H2 0 + 482 kJ/mole 2 I1 en résulte que l'introduction d'un pourcent d' d'oxygène dans le gaz utilisé comme agent gazéifiant a le même effet qu'un préchauffage de l'ordre de 130 C à 1500 C. Le procédé conforme à l'invention est illustré à titre d'exemples seulement par les dessins schématiques anne xés dans lesquels sont représentées en Figure 1 une coupe dans le plan d'une couche de charbon à faible pendage, située en gisement vierge, à 1000 m de profondeur Figure 2 une coupe verticale, suivant la direction XY de la figure i à l'endroit où la couche est recoupée par un des sondages de production du gaz Figures 3 et 4 une varinnte de réalisation respectivement dans une coupe verticale et dans une vue en plan. Le panneau a exploiter s'étend sur une surface de quelques hectares. I1 est recoupé par huit sondages forés à partir de la surface. Les sondages 1, situés dans l'axe médian du panneau, servent à l'injection du gaz à haute teneur en hydrogène, utilisé comme agent gazéifiant. Les sondages 22 disposes à la périphérie du panneau, constituent les puits de production (figure 1). Comme le montre la figure 2 chacun de ces sondages est foré jusqu'à quelques mètres en dessous de la couche. L'équipement de chaque sondage de production comporte : - un casing métallique 3, qui se termine au toit de la couche et qui est relié par cimentation aux roches qui surmontent le gisement - un tubing métallique 4, à travers lequel s'évacuent les gaz produits - un liner 5 perforé au niveau de la veine pour permettre le passage du gaz tout en s'opposant au fluage du char bon - un tubing 6, de petit diamètre, dont l'extrémité se situe en dessous du niveau de la couche et à travers lequel l'eau et les produits liquides, qui s'nccumulent au fond du sondage, peuvent être évacués par trans port pneumatique. La mise en service de l'installation d'hydrogénogazéî- fication débute par l'injection de gaz à haute teneur en hydrogène à travers les puits 1, sous une pression de l'ordre de 200 bar, et par le contrôle des débits récupérés par les puits de production périphériques 2 dans lesquels on maintient une contre-pression voisine de 100 bar. On procède ensuite à l'allumage du charbon au fond des six sondages de production, en y injectant sous une pression de l'ordre de 200 bar un débit d'nir préchauffé par passage sur un radiateur électrique ou un débit d'air suffisamment enrichi d'oxygène pour produire l'autoinflammation du charbon, sans nécessiter de préchauf fange. Pendant une période de quelques jours on entretient la combustion du charbon au fond des puits de production, en alternant des périodes d'injection d'air et des périodes de décompression des puits jusqu'à 100 bar. Les injections d'air sont définitivement arrêtées, lorsque l'analyse des gaz récupérés fait apparaître une importante augmentation de la teneur en méthane, ce qui indique que les opérations d'hydrogénogazéification sont en cours. A ce moment, la situation autour des puits de production 2 se présente suivant le schéma de la figure 2, où lton peut distinguer trois zones concentriques successives autour de chacun des puits - une zone d'éboulis 7, qui correspond au vide produit par la combustion du charbon et comblé par le foison nement du charbon de la zone suivante et par la chute de pierres provenant du toit de la couche - une zone 8, constituée de charbon, qui a flué en di rection du vide et qui, de ce fait, est devenu très perméable aux gaz - une zone 9, constituée par le charbon vierge, qui est soumis a des pressions lithostatiques nccrues et qui, en raison de sa très faible perméabilité1 se comporte comme un diffuseur assurant une répartition très uni forme du gaz a haute teneur en hydrogène provennnt des puits d'injection. Les réactions d'bydrogénogazéification se développent dans la zone 8, qui offre un maximum de surfaces de contact entre gaz et solides. Sirultanément, en rnison de la conductibilité thermique du charbon, une onde de chaleur so propage de la zone 8 vets la zone 9, dans laquelle l'échauffement progressif du charbon entraîne le développement de réactions d'hydrogénopyrolyse. La consommation de charbon par les réactions d'hydro génopyrolyse et d'hydrogénogazéification entraîne l'ex- tension progressive des zones 7 et 8 et le déplacement du front de réaction à contre-courant du sens d'écoulement du gaz à haute teneur en hydrogène provenant des puits d'injection t. L'opération de gazéification se termine lorsque les fronts de réaction ont traversé tout le volume de charbon situé sur le parcours des gaz, qui s'écoulent des puits I vers les puits de production 2. Le procédé conforme a l'invention est susceptible d'être développé suivant de nombreusos variantes. A titre d'exemple les figures 3 et 4 représentent une variante dans laquelle les sondages d'injection sont remplacés par un sondage unique 11, dévié jusque dnns le plan de la couche 10 et dans laquelle les sondages de production sont remplacés par deux sondages déviés 12, forés aux limites du panneau à exploiter. Ln figure 3 représente une coupe verticale passant par le sondage 11 et la figure 4 une coupe dans le plan de la couche. Pour illustrer l'intérêt économique du procédé conforme à l'invention, on trouvera, ci-dessous, une évaluation des résultats qui pourraient store obtenus dans un gazogène fonctionnant sous une pression de 100 bar et qui totaliserait 400 m2 de fronts de réaction, dans une couche de 2 m Vitesse de progression des fronts de réaction : 0,05 m/h Quantité de charbon consommé : 400 x 0,05 x 1300 = 26 000 Température moyenne dans la zone de réaction 11000 K (8270 C) Composition du gaz produit : Cil4 = 45 é H2 = 3C divers = 19 % Débit d'hydrogène injecté : 80 UDO m /h Débit de gaz produit : 70 000 m /h Chaleur potentielle de l'hydrogène injecté : 1 020 GJ/h Chaleur potentielle du charbon consommé : 760 G3/h Chaleur potentielle du gaz et des sousproduits :1 036 63/: Chaleur sensible du gaz et pertes de chaleur: Rendement de gazéification : 81

Claims: Revendications 1. Procédé de production de méthane et d'hydrocarbtlres par hydrogénation souterraine du charbon, dans un gisement vierge situé à grande profondeur recoupé par plusieurs sondages forés à partir de la surface, caractérisé en ce que le gaz, à haute teneur en hydrogène, utilisé comme agent gazéifiant est injecté, sous une pression supérieure à la pression minimale de fracturation du gisement, par un ou plusieurs sondages disposés dans l'axe du panneau à exploiter et en ce que les zones de réaction d'hydrogénation se développent à contrecourant du sens d'écoulement du gaz, sous une pression égale ou supérieure a 80 bar, à partir d'un certain nombre de sondages de production disposés à la périphérie du panneau à exploiter, la réaction étant amorcée par une opération préalable de combustion du charbon réalisés au fond de chacun des sondages de production. 2. Procédé de production de méthnne et d'hydrocarbures suivant la revendication 1, caractérisé en ce que le réglage de la température de la zone de réaction est obtenu par l'addition contrôlée d'une faible proportion d'oxygène dans le gaz à haute teneur en hydrogène utilisé comme agent gazéifiant, la teneur en oxygène du mélange restant en deçà de la limite d'inflammabilité.

Inventors: LEDENT, PIERRE
Applicants: INST DEV GAZIFIC SOUTERRAI
Application year: 1985
Main classification: E21B43
IPC codes: E21B43, C07C1