專利名稱：原位加熱開發(fā)油頁(yè)巖與開發(fā)更深的烴源結(jié)合的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及從地F地層回收烴的領(lǐng)域。更具體地，本發(fā)明 涉及從富含有機(jī)物巖石地層原位回收烴流體，所述巖石地層包括例如 油頁(yè)巖地層、煤地層和焦油砂地層。本發(fā)明還涉及從通過(guò)熱解熟化的 富含有機(jī)物巖石地層以及更深的烴源生產(chǎn)烴的方法。
背景技術(shù)：
已知某些地質(zhì)地層包含被稱為"干酪根(kerogen)"的有
機(jī)物。干酪根是固體含碳物質(zhì)。當(dāng)干酪根被嵌在巖石地層中時(shí)，該混 合物被稱為油頁(yè)巖。不管該礦物質(zhì)事實(shí)上在技術(shù)上是不是頁(yè)巖，這都 是真實(shí)的，也就是，從致密粘土形成的巖石。千酪根暴露于熱一段時(shí)間后經(jīng)歷分解。加熱后，干酪根在 分亍水平...匕分解以產(chǎn)生油、氣和含碳焦炭。還可以產(chǎn)生少量的水。油、 氣和水流體在該巖石基體內(nèi)變得可以流動(dòng)，而含碳焦炭保持基本上不 動(dòng)。在世界范圍內(nèi)的各個(gè)地區(qū)包括美國(guó)都發(fā)現(xiàn)了油頁(yè)巖地層。 油頁(yè)巖地層往往位于相對(duì)淺的深度。在美國(guó)，非常值得注意的是在懷 俄明州、科羅拉多州和猶他州發(fā)現(xiàn)了油頁(yè)巖。這些地層通常的特征在 于有限的滲透性。-一些人認(rèn)為油頁(yè)巖地層是這樣的烴沉積物，其還沒(méi) 有經(jīng)歷認(rèn)為是形成常規(guī)油和氣儲(chǔ)量所需的多年熱和壓力。
千酪根分解產(chǎn)生流動(dòng)烴的速率依賴于溫度。在許多歲月的
期間--f超過(guò)270°C (518°F)的溫度對(duì)于實(shí)質(zhì)性轉(zhuǎn)化來(lái)說(shuō)可能是必需 的。在更高的溫度下實(shí)質(zhì)性轉(zhuǎn)化可以在更短的時(shí)間內(nèi)發(fā)生。當(dāng)干酪根 被加熱時(shí)，化學(xué)反應(yīng)將形成固體干酪根的較大分子斷裂成較小的油和 氣分子。熱轉(zhuǎn)化工藝被稱為熱解或干餾。從油頁(yè)巖地層提取油已經(jīng)嘗試了許多年。近地表油頁(yè)巖在 地表被開采并千餾已經(jīng)-一個(gè)多世紀(jì)。在1862年，James Young開始加 工蘇格蘭油頁(yè)巖。該工業(yè)持續(xù)了大約100年。商業(yè)上通過(guò)地表開采的 油頁(yè)巖千餾也已經(jīng)在其它國(guó)家如澳大利亞、巴西、中國(guó)、愛(ài)沙尼亞、 法國(guó)、俄國(guó)、南非、西班牙和瑞典進(jìn)行。然而，因?yàn)樗C實(shí)是不經(jīng)濟(jì) 的或者由于廢頁(yè)巖處理上的環(huán)境限制，該實(shí)踐在最近幾年已經(jīng)大部分 停止。(參見T.F. Yen和G.V. Chilingarian， "(9// 5We," Amsterdam, :Esevier， p. 292,其全部公開內(nèi)容通過(guò)引用方式并如本文。)此外，地表 千餾需要開采油頁(yè)巖，這限于對(duì)非常淺地層的應(yīng)用。在美國(guó)，自從20世紀(jì)00年代早期就已經(jīng)知道在西北的科 羅拉多州存在汕頁(yè)巖沉積物。盡管時(shí)不時(shí)在該地區(qū)開展研究項(xiàng)目，但 是還沒(méi)有進(jìn)行真正的商業(yè)開發(fā)。大部分對(duì)油頁(yè)巖生產(chǎn)的研究在20世紀(jì) OO年代后期進(jìn)行。該研究主要是針對(duì)頁(yè)巖油地質(zhì)學(xué)、地球化學(xué)以及在 地表設(shè)施中的干餾。在1947年，美國(guó)專利號(hào)2,732,195授予Ljungstrom。該發(fā) 明名稱為"Method of Treating Oil Shale and Recovery of Oil and Other Mineral Products Therefrom (處理油頁(yè)巖的方法以及從中回收油和其它 礦物產(chǎn)品)"的專利提議在高溫下將熱原位應(yīng)用于油頁(yè)巖地層以蒸餾 和生產(chǎn)烴。該'195 Ljungstrom專利通過(guò)引用方式并入本文。 Ljungstrom杜撰了短語(yǔ)"熱供給通道(heat supply channels)" 以描述鉆到地層中的井服。該井眼接收將熱傳遞到周圍油頁(yè)巖的電熱 導(dǎo)體。因此，熱供給通道充當(dāng)熱注入井。熱注入井中的電熱元件被放 在砂或水泥或其它導(dǎo)熱材料內(nèi)，以允許熱注入井將熱傳送到周圍的油 頁(yè)巖中，同時(shí)防止流體的流入。根據(jù)Ljungstrom,在某些應(yīng)用中，該 "集合體(aggregate)"被加熱至50(TC與1,00(TC之間。
與熱注入井- 起，流體生產(chǎn)井也在熱注入井附近完井。將 熱導(dǎo)入巖石基體中后，干酪根被熱解，產(chǎn)生的油和氣將通過(guò)鄰近的生 產(chǎn)井被回收。 Ljungstrom通過(guò)Swedish Shale Oil Company實(shí)施了他的從 加熱井筒進(jìn)行熱傳導(dǎo)的方法。全規(guī)模的工〗一被建立，其從1944年運(yùn)行 至20世紀(jì)50年代。(參見G. Salamonsson， "77ze "M豐謂/"幼w 胸W /or幼a/e掘/ ec,W 2nd Oil Shale and Cannel Coal Conference, v. 2, Glasgow, Scotland, Institute of Petroleum, London, p. 260-280 (1951),其全部公開內(nèi)容通過(guò)引用的方式并入本文)。另外的原位方法己經(jīng)被提出。這些方法一般涉及將熱和/或 溶劑注入地'F油頁(yè)巖中。熱可以以熱的甲烷(參見J. L. Dougan的美國(guó) 專利號(hào)3,241,611)、煙道氣或過(guò)熱蒸汽(參見D. W. Peacock的美國(guó)專利 號(hào)3,400,762)的形式。熱還可以以電阻加熱、電介體加熱、射頻(RF) 加熱(美國(guó)專利號(hào)4,140,180，其被轉(zhuǎn)讓給位于伊利諾斯州芝加哥的 ITT Research Institute)或者氧化劑注射的形式，以支持原位燃燒。在某 些情況中，人工滲透性已經(jīng)在該基巖中形成以有助亍熱解流體的運(yùn)動(dòng)。 滲透性產(chǎn)生方法包括挖掘、碎石化(rubblization)、水力壓裂(參見 ML. Slusser的美國(guó)專利號(hào)3，468,376以及J. V. Vogel的美國(guó)專利號(hào) 3,513,91.4)、爆炸壓裂(參見W.W.Hoover等的美國(guó)專利號(hào)].，422,204)、 熱壓裂(參見R. W.Thomas的美國(guó)專利號(hào)3，284,281)以及蒸汽壓裂(參 見H. Purre的美國(guó)專利號(hào)2,952,450)。在1989年，美國(guó)專利號(hào)4,886,118授予Shell Oil Company (殼牌石油公司)，其全部公開內(nèi)容通過(guò)引用的方式并入本文。該名 稱為 "Conductively Heating a Subterranean Oil Shale to Create Permeability and Subsequently Produce Oil (傳導(dǎo)性加熱地下油頁(yè)巖以產(chǎn) 生滲透性以及隨后生產(chǎn)油)"的專利聲明"[c]ontrary to the implications of . .. prior teachings and beliefs ... the presently described conductive heating process is economically feasible for use even in a substantially impermeable subterranean oil shale.(與...在先的教導(dǎo)和看法的暗示相 反...目前描述的傳導(dǎo)性加熱工藝對(duì)于甚至在基本上不可滲透的地下油 頁(yè)巖中的應(yīng)用來(lái)說(shuō)是經(jīng)濟(jì)上可行的。)"(第6欄，第50-54行)。盡管有該聲明，但應(yīng)當(dāng)注意，除了 L^jungstrom的應(yīng)用外，幾乎沒(méi)有如 果有的話——出現(xiàn)商業(yè)性原位頁(yè)巖油生產(chǎn)。該'118專利提出控制每個(gè) 熱注入井周圍的巖石內(nèi)的熱傳導(dǎo)速率以提供均勻的熱前緣。另外的歷史...匕落后的油頁(yè)巖干餾和頁(yè)巖油回收可以在名稱 為".Methods of Treating a Subterranean Formation to Convert Organic Matter into Producible Hydrocarbons (處理地下地層以將有機(jī)物轉(zhuǎn)化成 可采出烴的方法)"的共有專利出版物WO 2005/010320以及名稱為 "Hydrocarbon Recovery from Impermeable Oil Shales (從不可滲透性油 頁(yè)巖中回收烴)"的專利出版物WO 2005/045192中找到。這兩篇專利 出版物的背景部分和技術(shù)公開內(nèi)容通過(guò)引用方式并入本文。對(duì)生產(chǎn)頁(yè)巖油的改良方法存在需求。此外，對(duì)從通過(guò)熱解 熟化的富含有機(jī)物巖石地層以及更深的烴源生產(chǎn)烴的改良方法存在需 求。
發(fā)明簡(jiǎn)述首先提供的是從不同深度處的地下地層生產(chǎn)烴的方法。一 方面，該方法包括在第一深度處的地下地層內(nèi)原位加熱富含有機(jī)物巖 石的步驟。加熱步驟的結(jié)果是至少一部分富含有機(jī)物巖石被熱解成烴 流體。優(yōu)選地，第一深度的地下地層的富含有機(jī)物巖石是油頁(yè)巖。該方法還包括在第一深度的地下地層內(nèi)提供至少一個(gè)基本 上未被加熱的區(qū)域。以這種方式，使得那個(gè)區(qū)域中的富含有機(jī)物巖石 基本上未被熱解。該方法進(jìn)一步包括穿過(guò)該未被加熱的區(qū)域鉆出至少 一個(gè)生產(chǎn)井，以及在比第一深度更深的第二深度處的地下地層中完成 所述至少一個(gè)生產(chǎn)井。此后，烴流體通過(guò)所述至少一個(gè)生產(chǎn)井生產(chǎn)。在一種實(shí)施方式中，加熱第 -深度處的地下地層的步驟包 括完成多個(gè)被設(shè)計(jì)來(lái)原位加熱富含有機(jī)物巖石的加熱井。加熱井可以 是電阻加熱井?？蛇x地，加熱井可以被設(shè)計(jì)來(lái)使熱流體循環(huán)以便通過(guò) 熱對(duì)流加熱周圍地層。無(wú)論方法如何，加熱第一深度處的地下地層的 步驟優(yōu)選地導(dǎo)致至少一部分富含有機(jī)物巖石地層達(dá)到270"C或更高的
、〉曰|吞
從所述至少 -"個(gè)生產(chǎn)井中生產(chǎn)的烴流體可以包括天然氣。 這種天然氣的---個(gè)實(shí)例是甲垸。
一方面，該方法還包括使用從所述至 少一個(gè)生產(chǎn)井生產(chǎn)的天然氣至少部分發(fā)電的歩驟。電可以被用于提供 能量到加熱井，其中加熱井是電阻加熱井。在本發(fā)明的一種實(shí)施方式中，所述至少. -個(gè)生產(chǎn)井包括多 個(gè)穿過(guò)未加熱區(qū)域鉆出的生產(chǎn)井。生產(chǎn)井可以從相對(duì)于開發(fā)區(qū)域的各 個(gè)地方鉆井。舉例來(lái)說(shuō)，生產(chǎn)井可以從位于未加熱區(qū)域正......匕方的地表
區(qū)域鉆井。在這種情況中，至少一些生產(chǎn)井可以是偏斜的，并且然后 以至少IO英畝的間距在第二深度處的地下地層中完井。另一方面，生 產(chǎn)井可以從不在未加熱區(qū)域正上方的地表區(qū)域鉆井。舉例來(lái)說(shuō)，該地 表區(qū)域可以位于油頁(yè)巖開發(fā)區(qū)域的周邊......匕所述油頁(yè)巖開發(fā)區(qū)域包括
多個(gè)用于加熱第一深度處地卜'地層的加熱井。本公開內(nèi)容的方法可以包括在第一深度的地下地層的富含 有機(jī)物巖石中生產(chǎn)熱解的烴流體的另外步驟。在--種實(shí)施方式中，從 富含有機(jī)物巖石屮生產(chǎn)熱解的烴流體與從比第一深度更深的地下地層 中生產(chǎn)烴流體全部或部分地同時(shí)發(fā)生。在替代方面，通過(guò)所述至少一 個(gè)生產(chǎn)井生產(chǎn)烴流體被中止，然后進(jìn)行加熱步驟以便將未加熱區(qū)域中
的至少一部分富含有機(jī)物巖石熱解成烴流體。在上述方法的一個(gè)方面，從第二深度處的所述至少-"個(gè)生 產(chǎn)井中生產(chǎn)的烴流體限定了包括甲垸和硫化氫的氣流。第一深度地—卩 地層的富含有機(jī)物巖石可以包括煤床。在這種情況中，該方法可進(jìn)一 步包括將該氣流注入煤床中的步驟以便從該氣流中去除至少一部分硫 化氫。這種方法可進(jìn)一步包括從煤床中生產(chǎn)氣體。從第二深度生產(chǎn)的 氣流也可包括二氧化碳。在這種情況中，該方法可進(jìn)- 步包括從該氣 流中去除至少一部分二氧化碳的步驟。在上述方法的另一方面，從第二深度處所述至少一個(gè)生產(chǎn) 井生產(chǎn)的烴流體包括硫化氫。第一深度地 F地層的富含有機(jī)物巖石又 可包括煤床。在這種情況中，該方法可進(jìn)一步包括將來(lái)自烴流體的氣 流---其具有大部分硫化氫-一 -注入到煤床的步驟。更進(jìn)-一步，該方 法可包括從煤床中生產(chǎn)富含甲垸的氣體。
在一種實(shí)施方式中，該方法包括穿過(guò)未加熱區(qū)域完成至少 一個(gè)冷卻井的步驟以便防止未加熱區(qū)域中富含有機(jī)物巖石的熱解。冷 卻井優(yōu)選地具有井下管道裝置以循環(huán)冷卻流體。冷卻流體可以阻止未
加熱區(qū)域達(dá)到超過(guò)250t:或更優(yōu)選地125t:的溫度。加熱區(qū)域與朱加熱區(qū)域的表面積比可以改變。-一方面，所 述至少--個(gè)基本.....i:::未加熱區(qū)域占油頁(yè)巖開發(fā)區(qū)域的至多50%。可選地，
所述至少- 個(gè)基本.......t.未加熱區(qū)域占油頁(yè)巖開發(fā)區(qū)域的至多20%,或者
仍然可選地，油頁(yè)巖開發(fā)區(qū)域的至多10%。在一種實(shí)施方式中，所述 至少一個(gè)基本.匕未加熱區(qū)域包括多個(gè)未加熱區(qū)域，其中每一個(gè)單獨(dú)地 占油頁(yè)巖開發(fā)區(qū)域的至多20%。在該實(shí)施方式中，多個(gè)未加熱區(qū)域可 以在油頁(yè)巖開發(fā)區(qū)域的加熱區(qū)域內(nèi)形成拼接物。此外，穿過(guò)多個(gè)未加 熱區(qū)域鉆出至少-個(gè)生產(chǎn)井的步驟可包括在地表...h選擇與基本.....i::未加
熱區(qū)域地下拼接物對(duì)應(yīng)的襯墊(pad)。加熱后冷卻加熱區(qū)域可能是期望的。因此，在 種實(shí)施方 式中該方法進(jìn)一步包括將水注射到第一深度處的地下地層|:l:1 ，從而冷 卻至少-一部分加熱區(qū)域。在 種實(shí)施方式中，未加熱區(qū)域充當(dāng)防止地中.F沉的支柱。 在該實(shí)施方式中，多個(gè)未加熱區(qū)域可以在油頁(yè)巖開發(fā)區(qū)域的加熱區(qū)域 內(nèi)形成拼接物。在第一深度地F地層內(nèi)選擇基本上未加熱區(qū)域的襯墊 的步驟可包括確定油頁(yè)巖開發(fā)區(qū)域內(nèi)防止地中下沉所需的未加熱區(qū)域 的最小數(shù)量。


為了能夠更好理解本發(fā)明的特征，在此附上 些圖、曲線 圖和流程圖。然而，應(yīng)當(dāng)注意，這些圖僅僅圖解了本發(fā)明所選的實(shí)施 方式并且因此不應(yīng)當(dāng)認(rèn)為限制了范圍，因?yàn)楸景l(fā)明可以容許其它等效 的實(shí)施方式和應(yīng)用。圖1是例證性地—F區(qū)域的橫截面圖。該地F區(qū)域包括限定 地.卜'地層的富含有機(jī)物巖石基體。圖2是表示在- -,中實(shí)施方式中從富含有機(jī)物巖石地層原位 熱回收油和氣的一般方法的流程圖。
圖3是在地下水含水層內(nèi)或連接到地 F水含水層的例證性 油頁(yè)巖地層以及地層淋濾操作的橫截面圖。圖4是在生產(chǎn)井周圍的例證性加熱井模式的平面圖。顯示 的是兩層加熱井。圖5是- 柱狀圖，其比較了在模擬的原位干餾工藝前后的 一卩屯Green River油頁(yè)巖。圖6是在 種實(shí)施方式中-一部分烴開發(fā)區(qū)域的透視圖。例 證性富含有機(jī)物巖石地層顯示在地表下。還顯示了第二更深的烴源。圖7是在另一可選實(shí)施方式中烴開發(fā)區(qū)域的平面圖。多個(gè) 襯墊顯示在該烴開發(fā)區(qū)域中。圖8是在 -種實(shí)施方式中頁(yè)巖油開發(fā)區(qū)域的透視圖。多個(gè) 襯墊被顯示，用于將井向F鉆到比頁(yè)巖油深度更深的烴儲(chǔ)層。圖9是用于地下地層開發(fā)的示例性地表加工設(shè)備的工藝流 程圖。
一些實(shí)施方式詳述
定義如本文所用，術(shù)語(yǔ)"烴一種或多種)"是指具有包含與 氫結(jié)合的碳的分子結(jié)構(gòu)的有機(jī)物。烴還可包括其它元素，例如但不限 于鹵素、金屬元素、氮、氧和/或硫。如本文所用，術(shù)語(yǔ)"烴流體"是指為氣體或液體的烴或烴 混合物。例如，烴流體可包括在地層條件下、在加工條件下或在環(huán)境 條件(15。C以及1個(gè)大氣壓)F為氣體或液體的烴或烴混合物。烴流 體可以包括例如油、天然氣、煤層甲烷、頁(yè)巖油、熱解油、熱解氣、
煤的熱解產(chǎn)物以及其它處于氣態(tài)或液態(tài)的烴。如本文所用，術(shù)語(yǔ)"采出液(produced fluids)"禾卩"產(chǎn)出 液(production fluids)"是指從包括例如富含有機(jī)物巖石地層在內(nèi)的地 F地層去除的液體和/或氣體。采出液可以包括烴流體以及非烴流體。 采出液可以包括但不限于熱解頁(yè)巖油、合成氣、煤的熱解產(chǎn)物、二氧 化碳、硫化氫和水(包括蒸汽)。采出液可以包括烴流體以及非烴流 體。
如本文所用，術(shù)語(yǔ)"可冷凝烴"是指在25"C和一個(gè)大氣絕 對(duì)壓強(qiáng)—F冷凝的烴。可冷凝烴可以包括碳數(shù)大于4的烴的混合物。如本文所用，術(shù)語(yǔ)"非冷凝烴"是指在25t:和一個(gè)大氣絕 對(duì)壓強(qiáng).F不冷凝的烴。非冷凝烴可以包括碳數(shù)小于5的烴。如本文所用，術(shù)語(yǔ)"重?zé)N(heavy hydrocarbons)"是指在 環(huán)境條件(15"C以及1個(gè)大氣壓)F高粘性的烴流體。重?zé)N可包括高 粘性烴流體，諸如重油、焦油和/或?yàn)r青。重?zé)N可包括碳和氫以及較小 濃度的硫、氧和氮。另外的元素也可以痕量存在亍重?zé)N中。重?zé)N可按 照API (美國(guó)石油學(xué)會(huì))比重進(jìn)行分類。重?zé)N的API比寬一般在約20 度以下。例如，重油的API比重一般為約10-20度，而焦油的API比 重- 般在約10度以'F。重?zé)N的粘度在15T下一般大于約100厘泊。如本文所用，術(shù)語(yǔ)"固體烴"是指在地層條件F以基本固 體形式天然發(fā)現(xiàn)的任何烴物質(zhì)。非限制性實(shí)例包括千酪根、煤、不純 石墨、瀝青巖和天然地蠟。如本文所月§，術(shù)語(yǔ)"地層烴(formation hydrocarbons)，，是 指在富含有機(jī)物巖石地層中包含的重?zé)N和固體烴。地層烴可以是但不 限于千酪根、油頁(yè)巖、煤、瀝青、焦油、天然地蠟和瀝青巖。如本文所用，術(shù)語(yǔ)"焦油"是指在15。C下粘度一般大于約 10,000厘泊的粘性烴。焦油的比S- —般大于1.000。焦油的API比ll可 小于10度。"焦油砂"是指在其中具有焦油的地層。如本文所用，術(shù)語(yǔ)"千酪根"是指主要含有碳、氫、氮、 氧和硫的固體不溶性烴。油頁(yè)巖含有千酪根。如本文所用，術(shù)語(yǔ)"瀝青"是指在二硫化碳中可充分溶解 的非晶固體或粘性烴物質(zhì)。如本文所用，術(shù)語(yǔ)"油"是指含有可冷凝烴混合物的烴流體。如本文所用，術(shù)語(yǔ)"地—F (subsurfece)"是指出現(xiàn)在地球 表面以下的地質(zhì)地層。如本文所用，術(shù)語(yǔ)"富含烴地層"是指任何含有痕量以...t 烴的地層。例如，富含烴地層可以包括以大于5體積百分?jǐn)?shù)的水平含有烴的部分。位于富含烴地層中的烴可以包括例如油、天然氣、重?zé)N 和固體烴。如本文所用，術(shù)語(yǔ)"富含有機(jī)物巖石"是指任何擁有固體 烴和/或重?zé)N的巖石基體。巖石基體可包括但不限于沉積巖、頁(yè)巖、粉 砂巖、砂、沉積石英巖、碳酸鹽和硅藻土。如本文所用，術(shù)語(yǔ)"地層"是指任何有限的地下區(qū)域。該 地層可包含任何地—F地質(zhì)地層的一個(gè)或多個(gè)含有烴的層、 個(gè)或多個(gè) 不含烴的層、上覆巖層和/或下伏巖層。"上覆巖層"和/或"下伏巖層" 是目標(biāo)地層.....t::面或下面的地質(zhì)物質(zhì)。.,.匕覆巖層或.卜.伏巖層可包括- 個(gè) 或多個(gè)不同類型的基本上不可滲透性物質(zhì)。例如，上覆巖層和/或下伏 巖層可包括巖石、頁(yè)巖、泥巖或濕/緊密碳酸鹽(即不含烴的不可滲透 性碳酸鹽)。上覆巖層和/或F伏巖層可包括相對(duì)不可滲透的含烴層。 在某些情況下，上覆巖層和/或下伏巖層可以是滲透性的。如本文所用，術(shù)語(yǔ)"富含有機(jī)物巖石地層"是指任何含有 富含有機(jī)物巖石的地層。富含有機(jī)物巖石地層包括，例如，油頁(yè)巖地 層、煤地層和焦油砂地層。如本文所用，術(shù)語(yǔ)"熱解"是指通過(guò)施加熱將化學(xué)鍵斷裂。 例如，熱解可包括僅通過(guò)熱和通過(guò)熱與氧化劑結(jié)合將化合物轉(zhuǎn)換成一 種或多種其它物質(zhì)。熱解可包括通過(guò)加入氫原子將化合物的性質(zhì)改變， 所述氫原子可以從分子氫、水、二氧化碳或--- 氧化碳中得到。熱可以 被轉(zhuǎn)移到一部分地層以引起熱解。如本文所用，術(shù)語(yǔ)"水溶性礦物"是指在水中可溶的礦物。 水溶性礦物包括，例如，蘇打石(碳酸氫鈉)、堿灰(碳酸鈉)、片 鈉鋁石(NaAl(C03)(OH)2)或其組合。大量的溶解可需要熱水和/或非中 性pH溶液。如本文所用，術(shù)語(yǔ)"地層水溶性礦物"是指在地層中天然 發(fā)現(xiàn)的水溶性礦物。如木文所用，術(shù)語(yǔ)"遷移污染物種類(migratory contaminant species)"是指在水或含水流體中可溶或可移動(dòng)的種類，并且被認(rèn)為 對(duì)人類健康或環(huán)境有潛在危害或有利害關(guān)系。遷移污染物種類可包括 無(wú)機(jī)和有機(jī)污染物。有機(jī)污染物可包括飽和烴、芳烴和含氧烴。無(wú)機(jī)污染物可包括各種類型的金屬污染物和離子污染物，其可較大改變pH 或地層流體化學(xué)。芳烴可包括，例如，苯、甲苯、二甲苯、乙苯和三 甲基苯，以及各種類型的多芳烴諸如蒽、萘、蓆和芘。含氧烴可包括， 例如醇、酮、酚和有機(jī)酸如羧酸。金屬污染物可包括，例如，砷、硼、 鉻、鈷、鉬、汞、硒、鉛、釩、鎳或鋅。離子污染物包括，例如，硫 化物、硫酸鹽、氯化物、氟化物、銨、硝酸鹽、藥、鐵、鎂、鉀、鋰、 硼和鍶。如本文所用，術(shù)語(yǔ)"裂化(cracking)"是指這樣的過(guò)程， 其涉及有機(jī)化合物的分解和分子重組以產(chǎn)生數(shù)目比最初存在的更大的
分子。在裂化':l， 一系列反應(yīng)伴隨著氫原子在分子間的轉(zhuǎn)移而發(fā)生。 例如，石腦油可以經(jīng)歷熱裂化反應(yīng)以形成乙烯和H2以及其它分子。如本文所用，術(shù)語(yǔ)"螯合作用(sequestration)"是指儲(chǔ)藏 為工藝副產(chǎn)物的流體，而不是將該流體排放到大氣或開放環(huán)境'1:|。如本文所用，術(shù)語(yǔ)"—卜'沉"是指地表相對(duì)于該地表的原始 海拔向.F移動(dòng)。如本文所用，術(shù)語(yǔ)層的"厚度"是指層橫截面的匕卜-邊界 之間的距離，其中該距離是與該橫截面的通常斜面垂直地測(cè)量的。如本文所用，術(shù)語(yǔ)"熱壓裂(thermal fracture)"是指地層 中所產(chǎn)生的壓裂，所述壓裂是通過(guò)一部分地層和/或地層內(nèi)流體的膨脹 或收縮直接或間接引起的，該膨脹或收縮又是由于加熱通過(guò)增加/降低 該地層和/或該地層內(nèi)流體的溫度和/或通過(guò)增加/降低該地層內(nèi)流體的 壓強(qiáng)而引起的。熱壓裂可以傳播到比加熱區(qū)域冷很多的附近區(qū)域或者 在該附近區(qū)域形成。如本文所用，術(shù)語(yǔ)"水力壓裂(hydraulic fracture)"是指 至少部分傳播到地層中的壓裂，其|:^所述壓裂是通過(guò)將加壓流體注射 到地層中產(chǎn)生的。該壓裂可通過(guò)注入支撐劑材料人工地保持開放。水 力壓裂可在方向.....匕基本水平、在方向....匕基本垂直或者沿著任何其它平 面定向。如本文所用，術(shù)語(yǔ)"井筒"是指在地.F通過(guò)鉆孔或?qū)⒐艿?插入到地—卜'所制成的孔。井筒可具有基本上圓形的橫截面，或者其它 橫截面形狀(例如圓、橢圓、正方形、長(zhǎng)方形、三角形、裂縫或其它規(guī)則或不規(guī)則形狀)。如本文所用，當(dāng)提及地層中的開孔時(shí)，術(shù)語(yǔ)"井" 可以與術(shù)語(yǔ)"井筒"交換使用。
具體實(shí)施方式
的描述本發(fā)明連同某些具體實(shí)施方式
在本文被描述。然而，就F 面的詳述具體到特定實(shí)施方式或特定應(yīng)用來(lái)講，這意圖只是例證性的 并且不應(yīng)當(dāng)解釋為限制本發(fā)明的范圍。如本文所討論，本發(fā)明的一些實(shí)施方式包括或具有與回收 自然資源的原位方法相關(guān)的應(yīng)用。自然資源可以從富含有機(jī)物巖石地 層包括例如油頁(yè)巖地層冋收。富含有機(jī)物巖石地層可包括地層烴，其 包括例如干酪根、煤和重?zé)N。在本發(fā)明的一些實(shí)施方式中，自然資源 可包括烴流體，其包括，例如，地層烴諸如頁(yè)巖油的熱解產(chǎn)物。在本 發(fā)明的一些實(shí)施方式中，自然資源還可包括水溶性礦物，其包括，例 如，蘇打石(碳酸氫鈉或者2NaHC03)、堿灰(碳酸鈉或Na2C03)和片鈉 鋁石(NaAl(C03)(OH)2)。圖1呈現(xiàn)了例證性油頁(yè)巖開發(fā)區(qū)域10的透視圖。開發(fā)區(qū)域 10的地表12被顯示。地表下面是富含有機(jī)物巖石地層16。例證性地 F地層16包含地層烴(諸如，例如干酪根)以及可能有價(jià)值的水溶性 礦物(諸如，例如蘇打石)。應(yīng)當(dāng)理解，代表性地層16可以是任意富 含有機(jī)物巖石地層，例如，其包括含有煤或焦油砂的巖石基體。此外， 構(gòu)成地層16的巖石基體可以是滲透性的、半滲透性的或非滲透性的。 本發(fā)明在最初具有非常有限的或?qū)嶋H上無(wú)流體滲透性的汕頁(yè)巖開發(fā)區(qū) 域是特別有利的。為了進(jìn)入地層16以及從'=l口回收自然資源，形成了多個(gè)井 筒。井筒在圖1中以14顯示。代表性井筒14相對(duì)亍地表12在方向......匕
基本上垂直。然而，應(yīng)當(dāng)理解， 一些或全部井筒14可以偏離成鈍角或 甚至水平的方向。在圖1的排列中，每個(gè)井筒14在油頁(yè)巖地層16中 完成。完井可以是裸眼井或F套管井。井完成還可包括從中發(fā)散的支 撐或未支撐的水力壓裂。在圖1的視圖中，只有七個(gè)井筒14被顯示。然而，應(yīng)當(dāng)理 解，在油頁(yè)巖開發(fā)項(xiàng)目中，許多另外的井筒14將最有可能被鉆出。井筒14可定位在相對(duì)近的鄰近，其分開10英尺至高達(dá)300英尺。在一 些實(shí)施方式中，提供的是15至25英尺的井間隔。代表性地，井筒14 還可以在淺的深度處完成，其總深度為200至5,000英尺。在一些實(shí)施 方式中，以原位千餾為目標(biāo)的油頁(yè)巖地層在地表—F 200英尺以...I:的深 度處或者可選地在地表下400英尺處?？蛇x地，頁(yè)巖油地層的轉(zhuǎn)化和 生產(chǎn)發(fā)生在500與2,500英尺之間的深度處。井筒14將進(jìn)行選擇用于某些功能并且可以被指定作為熱 注入井、水注入井、油生產(chǎn)井和/或水溶性礦物溶液生產(chǎn)井。 一方面， 井筒14被設(shè)計(jì)尺寸以適應(yīng)這些目的中的兩個(gè)、三個(gè)或全部的四個(gè)。適 合的工具和設(shè)備可以順序地進(jìn)入井筒14中和從井筒14中取出以用于 各種目的。流體處理設(shè)備17也示意地顯示。流體處理設(shè)備17被安裝 以通過(guò)一個(gè)或多個(gè)管線或出油管18接受產(chǎn)生自富含有機(jī)物巖石地層 16中的流體。流體處理設(shè)備.7可包括適于接受和分離從加熱地層產(chǎn)生 的油、氣和水的設(shè)備。流體處理設(shè)備17可進(jìn) --步包括這樣的設(shè)備，所 述設(shè)備用于在從富含有機(jī)物巖石地層16中回收的采出水中分離出溶解 的水溶性礦物和/或遷移污染物種類，其包括例如溶解的有機(jī)污染物、 金屬污染物或離子污染物。該污染物可包括，例如，芳烴例如苯、甲 苯、二甲苯和三甲基苯。該污染物還可包括多芳烴諸如蒽、萘、葸和
芘。金屬污染物可包括，包含砷、硼、鉻、汞、硒、鉛、釩、鎳、鈷、 鉬或鋅的種類。離子污染物可包括，例如，硫酸鹽、氯化物、氟化物、 鋰、鉀、鋁、氨和硝酸鹽。為了回收油、氣和鈉(或其它)水溶性礦物，可以采取一 系列步驟。圖2呈現(xiàn)了在-一種實(shí)施方式中從富含有機(jī)物巖石地層100 原位熱回收油和氣的方法的流程圖。應(yīng)當(dāng)理解，圖2中一些步驟的順 序nT以進(jìn)行變化，并且該步驟順序僅僅用于說(shuō)明。首先，在開發(fā)區(qū)域10內(nèi)鑒別油頁(yè)巖(或其它富含有機(jī)物巖 石)地層16。這一步驟顯示在方框110中。任選地，油頁(yè)巖地層可包含 蘇打石或其它鈉礦物。油頁(yè)巖地層內(nèi)的目標(biāo)開發(fā)區(qū)域可以通過(guò)測(cè)量或 模擬油頁(yè)巖的深度、厚度和有機(jī)物豐富度以及評(píng)價(jià)富含有機(jī)物巖石地 層相對(duì)于其它巖石類型的位置、結(jié)構(gòu)特征(例如斷層、背斜層或向斜層)或水文地質(zhì)單元(即含水層)進(jìn)行鑒別。這是通過(guò)從有效的測(cè)試和資 料形成和解釋深度、厚度、有機(jī)物豐富度和其它數(shù)據(jù)的圖和/或模型實(shí) 現(xiàn)的。這可包括進(jìn)行地質(zhì)學(xué)表面勘測(cè)、研究露頭、進(jìn)行地震勘測(cè)和/或 鉆井眼以從地.F巖石獲得巖心樣品。巖石樣品可以進(jìn)行分析以評(píng)定千 酪根含量和產(chǎn)生流體烴的能力。富含有機(jī)物巖石地層的千酪根含量可以利用各種數(shù)據(jù)從露 頭或巖心樣品中確定。這樣的數(shù)據(jù)可包括有機(jī)碳含量、含氫指數(shù)和修
正的Fischer試驗(yàn)分析。地下滲透性還可以通過(guò)巖石樣品、露頭或地下 水流的研究，進(jìn)行評(píng)估。此外，可以對(duì)開發(fā)區(qū)域與地下水源的連通性 進(jìn)行評(píng)定。其次，多個(gè)井筒14橫跨目標(biāo)開發(fā)區(qū)10形成。該步驟示意 地顯示在方框115中。井筒14的目的在......匕面被闡明而不必重復(fù)。然而，
應(yīng)當(dāng)注意，為了方框115井筒形成步驟的目的，最初只有一部分井需 要完成。例如，在項(xiàng)目開始時(shí)，熱注入井是需要的，而大部分烴生產(chǎn) 井還不需要。生產(chǎn)井可以在一旦轉(zhuǎn)換開始后引入，例如在加熱4-12個(gè) 月后。應(yīng)當(dāng)理解，石油工程師將研究出井筒14最佳深度和安排的 方案，這取決于預(yù)期儲(chǔ)層特性、經(jīng)濟(jì)約束因素和工作進(jìn)度安排約束因 素。此外，工程人員將決定何種井筒14應(yīng)當(dāng)用于初始地層16加熱。 該選擇步驟通過(guò)方框120描述。關(guān)于熱注入井，存在多種將熱施加到富含有機(jī)物巖石地層 16的方法。除非在權(quán)利要求書中明確聲明，本方法不限于所應(yīng)用的加 熱技術(shù)。加熱步驟一般由方框1.30描述。優(yōu)選地，對(duì)于原位工藝來(lái)說(shuō)， 生產(chǎn)區(qū)的加熱發(fā)生數(shù)個(gè)月或者甚至四年或更多年的時(shí)間。地層16被加熱至足以熱解至少一部分油頁(yè)巖以便將干酪 根轉(zhuǎn)化成烴流體的溫度。地層目標(biāo)區(qū)域的大部分可以被加熱至270°CM 800°C。可選地，富含有機(jī)物地層的目標(biāo)體積被加熱至至少35(TC以形 成采出液。轉(zhuǎn)換步驟通過(guò)方框135描述在圖2中。所形成的液體和烴 氣體可以被精制成類似普通商業(yè)石油產(chǎn)品的產(chǎn)品。這樣的液體產(chǎn)品包 括運(yùn)輸燃料諸如柴油機(jī)、噴氣機(jī)燃料和石腦油。產(chǎn)生的氣體包括輕烷 烴、輕烯烴、H2、 C02、 CO和NH3。
油頁(yè)巖的轉(zhuǎn)化將在起初不可滲透的巖石中的油頁(yè)巖部分中
產(chǎn)生滲透性。優(yōu)選地，方框130和135的加熱和轉(zhuǎn)化過(guò)程發(fā)生在長(zhǎng)的 時(shí)間期間內(nèi)。 一方面，加熱期間為3個(gè)月至四年或更多年。還有作為 方框135的任選部分，地層16可以被加熱至足以轉(zhuǎn)化至少一部分蘇打 石為堿灰的溫度，如果存在蘇打石的話。熟化油頁(yè)巖并且回收油和氣 所施加的溫度也會(huì)將蘇打石轉(zhuǎn)化成碳酸鈉(堿灰)、相關(guān)的鈉礦物。 將蘇打石(碳酸氫鈉)轉(zhuǎn)化成堿灰(碳酸鈉)的方法在本文中被描述。與加熱步驟130有關(guān)，巖石地層16可以任選地被壓裂以有 助于傳熱或隨后的烴流體采出。任選的壓裂步驟顯示在方框125中。 壓裂可以通過(guò)施加熱在地層內(nèi)產(chǎn)生熱壓裂而實(shí)現(xiàn)。通過(guò)加熱富含有機(jī) 物巖石以及將千酪根轉(zhuǎn)換成油和氣，滲透性通過(guò)熱壓裂的形成以及隨 后一部分從干酪根產(chǎn)生的烴流體的采出而增加?？蛇x地，可以使用被 稱為水力壓裂的工藝。水力壓裂是在油和氣回收領(lǐng)域中已知的工藝， 其中壓裂液在井筒內(nèi)被加壓超過(guò)地層的壓裂壓力，由此在地層內(nèi)產(chǎn)生 壓裂而以將井筒內(nèi)產(chǎn)生的壓力釋放。水力壓裂可被用于產(chǎn)生附加滲透 性和/或提供加熱井。作為烴流體生產(chǎn)工藝100的部分，某些井14可被指定為油 和氣生產(chǎn)井。該步驟通過(guò)方框140進(jìn)行描述。直到確定千酪根已經(jīng)被 充分千餾以允許最大量從地層1.6中回收油和氣，才可以啟動(dòng)油和氣生 產(chǎn)。在某些情況中，專用生產(chǎn)井直到熱注入井(方框130)已經(jīng)運(yùn)行幾 周或幾月后才被鉆井。因此，方框.40可以包括附加井筒14的形成。 在其它實(shí)例中，選定的加熱井被轉(zhuǎn)變成生產(chǎn)井。在某些井筒14已經(jīng)被指定作為油和氣生產(chǎn)井后，油和/或 氣從井筒14中被采出。油和/或氣采出工藝被顯示在方框145中。在這 個(gè)階段(方框145)，任何水溶性礦物諸如蘇打石和轉(zhuǎn)化的堿灰可作為 油頁(yè)巖床內(nèi)良好分散的晶體或團(tuán)塊保持基本上限制在巖石地層1.6中， 而沒(méi)有被采出。然而， 一些蘇打石和/或堿灰可以被溶解于在地層內(nèi)熱 轉(zhuǎn)化(方框135)期間產(chǎn)生的水中。方框1.50顯示油和氣回收方法100中任選的F '步。這里， 某辨井筒14被指定為水或含水流體注入井。含水流體是水與其它種類 的溶液。該水可以構(gòu)成"鹽水"，并且可包括溶解的元紫周期表第I和II族元素的氯化物、硫酸鹽和碳酸鹽的無(wú)機(jī)鹽。有機(jī)鹽也可存在于 含水流體中。該水可選地可以是包含其它種類的新鮮水。其它種類可 以存在以調(diào)節(jié)pH?？蛇x地，其它種類可以反映微咸水的可用性，所述
微咸水中希望從地—K瀝濾的種類是不飽和的。優(yōu)選地，水注入井選自 用亍熱注入或油禾n/或氣生產(chǎn)的井筒中的一些或全部。然而，方框150
的步驟的范圍可以包括用作專用水注入井的仍然是附加的井筒14的鉆
井。在該方面，可以期望沿著開發(fā)區(qū)域io周邊完成水注入井，以便產(chǎn) 生高壓邊界。其次，任選地，水或含水流體被注入通過(guò)水注入井并且進(jìn) 入油頁(yè)巖地層16。該步驟顯示在方框155中。水可以處于蒸汽或加壓 熱水的形式?？蛇x地，注入水可以是冷的并且隨著它接觸預(yù)先加熱的 地層而變熱。注入工藝可進(jìn)一步包括壓裂。該工藝可以在距離水注入 井筒一些距離例如高達(dá)200英尺外的具有蘇打石的層段中產(chǎn)生指狀空 穴和角礫區(qū)域。 一方面，氣頂，諸如氮?dú)?，可以被保持在?- "空穴" 頂端以防止垂直發(fā)展。隨著某些井筒14被指定為水注入井，設(shè)計(jì)工程師還可以將 某些井筒14指定為水或水溶性礦物溶液生產(chǎn)井。該步驟顯示在方框 160中。這些井可以與用于先前生產(chǎn)烴或注入熱的井相同。這些回收井 可被用于產(chǎn)生溶解的水溶性礦物與包括例如遷移污染物種類在內(nèi)的其 它種類的水溶液。例如，該溶液可以主要是溶解的堿灰的溶液。該歩 驟顯示在方框165中?？蛇x地，單個(gè)井筒可以被用于注入水并且然后 回收鈉礦物溶液。因此，方框165包括使用同一井筒14用于水注入和 溶液生產(chǎn)的選擇(方框165)。臨時(shí)控制遷移污染物種類的遷移，尤其在熱解過(guò)程期間， 可以通過(guò)布置注入和生產(chǎn)井14以使流出加熱區(qū)域的流體流最小化而獲 得。典型地，這涉及將注入井安置在加熱區(qū)域周圍以便引起壓力梯度， 該壓力梯度防止加熱區(qū)域內(nèi)部的流體流離開該區(qū)域。圖3是在地下水含水層內(nèi)或連接到地下水含水層的例證性 油頁(yè)巖地層以及地層淋濾操作的橫截面圖。四個(gè)分開的油頁(yè)巖地層區(qū) 域(23、 24、 25和26)被描繪在油頁(yè)巖地層內(nèi)。含水層在地表面27下面， 并且被分為上部含水層20和下部含水層22。上部和下部含水層中間是弱透水層21?？梢钥闯?，地層的某些區(qū)域既是含水層或弱透水層又是
油頁(yè)巖區(qū)域。多個(gè)井(28、 29、 30和31)被顯示穿過(guò)含水層垂直向—F。 這些井中一個(gè)被充當(dāng)水注入井31，而另外一個(gè)充當(dāng)水生產(chǎn)井30。以這 種方式，水通過(guò)至少較低的含水層22進(jìn)行循環(huán)32。圖3圖解顯示了穿過(guò)油頁(yè)巖區(qū)域33的水循環(huán)32，所述油 頁(yè)巖區(qū)域33被加熱，位于含水層22內(nèi)或者與含水層22相連，并且烴 流體先前從油頁(yè)巖區(qū)域33中回收。通過(guò)水注入井31將水注入促使水 進(jìn)入預(yù)先加熱的油頁(yè)巖33，從而水溶性礦物和遷移污染物種類被沖到 水生產(chǎn)井30。水然后可以在設(shè)備34中進(jìn)行處理，其中水溶性礦物(例 如蘇打石或堿灰)和遷移污染物可基本上從水流中去除。水然后被再 注入到油頁(yè)巖體積33中，并且重復(fù)進(jìn)行地層瀝濾。這種用水進(jìn)行的瀝 濾意圖持續(xù).l'l:到在預(yù)先加熱的油頁(yè)巖區(qū)域33內(nèi)遷移污染物種類的水平 處于環(huán)境可接受的水平。這可能需要l個(gè)循環(huán)、2個(gè)循環(huán)、5個(gè)循環(huán)、 :10個(gè)循環(huán)或更多循環(huán)的地層瀝濾，其中單個(gè)循環(huán)表示注入和采出火約 一孔體積的水。應(yīng)當(dāng)理解，在實(shí)際的油頁(yè)巖開發(fā)中可能有許多水注入和水 生產(chǎn)井。此外，該體系可包括可以用在油頁(yè)巖加熱階段、頁(yè)巖油生產(chǎn) 階段、瀝濾階段或者在這些階段任意組合期間的監(jiān)控井(28和29)，以 便監(jiān)控遷移污染物種類和/或水溶性礦物。在- 些油田中，地層烴諸如油頁(yè)巖可以存在于-一個(gè)以上的 地下地層中。在一些情況中，富含有機(jī)物巖石地層可以被不含烴的巖 石層或者具有很少或沒(méi)有商業(yè)價(jià)值的巖石層分開。因此，對(duì)于烴開發(fā) 內(nèi)油田的經(jīng)營(yíng)者來(lái)說(shuō)，可以期望進(jìn)行分析將哪個(gè)地下富含有機(jī)物巖石 地層作為目標(biāo)或者它們應(yīng)當(dāng)以什么順序進(jìn)行開發(fā)。富含有機(jī)物巖石地層可以基于不同因素進(jìn)行選擇以便開 發(fā)。 一個(gè)這樣的因素是地層內(nèi)含烴層的厚度。較大的產(chǎn)油氣帶厚度可 以表明更大潛在體積的烴流體生產(chǎn)。每個(gè)含烴層可具有這樣的厚度， 所述厚度取決于例如該含地層烴層形成的條件而變化。因此，如果富 含有機(jī)物巖石地層包括至少--個(gè)厚度足以經(jīng)濟(jì)生產(chǎn)采出液的含地層烴 層，那么該地層將一般被選擇進(jìn)行處理。
如果緊密間隔在-一起的幾個(gè)層的厚度足以進(jìn)行采出液的經(jīng) 濟(jì)生產(chǎn)，那么富含有機(jī)物巖石地層也可以被選擇。例如，地層烴的原
位轉(zhuǎn)化過(guò)程可包括選擇并處理厚度大于約5米、10米、50米或者甚至 IOO米的富含有機(jī)物巖石地層內(nèi)的層。以這種方式，到富含有機(jī)物巖石 地層上面和下面形成的層的熱損失(作為總注入熱的部分)可小于從
--薄層地層烴的這種熱損失。然而，本文描述的過(guò)程也可包括選擇并 處理可基本上不含地層烴的層或者薄層地層烴。 —個(gè)或多個(gè)富含有機(jī)物巖石地層的豐富度也可以被考慮。 豐富度可取決于諸多因素，包括含地層烴層的形成條件、該層中地層 烴的量和/或該層中地層烴的組成。薄且豐富的地層烴層可以能產(chǎn)生比 更厚、不太豐富的地層烴層明顯更多有價(jià)值的烴。當(dāng)然，從既厚又豐 富的地層生產(chǎn)烴是期望的。富含有機(jī)物巖石地層的千酪根含量可以使用各種數(shù)據(jù)從露 頭或巖心樣品確定。這樣的數(shù)據(jù)可以包括有機(jī)碳含量、含氫指標(biāo)以及 修正的Fischer試驗(yàn)分析。Fischer試驗(yàn)是這樣的標(biāo)準(zhǔn)方法，其涉及在一 小時(shí)中將含地層烴層的樣品加熱至約500t:，收集從加熱樣品產(chǎn)生的流
體，以及量化所產(chǎn)生的流體的量。地下地層滲透性也可以通過(guò)巖石樣品、露頭或地下水流的 研究進(jìn)行評(píng)估。此外，開發(fā)區(qū)域與地下水源的連通性可以進(jìn)行評(píng)估。 因此，富含有機(jī)物巖石地層可以基于地層基體的滲透性或孔隙率選擇 以進(jìn)行開發(fā)，即使地層的厚度相對(duì)薄。石油工程師已知的其它因素可以在選擇開發(fā)地層吋被考 慮。這樣的因素包括發(fā)現(xiàn)的產(chǎn)油氣帶的深度、新鮮地下水與含千酪根 區(qū)域的地層學(xué)接近性、厚度的連續(xù)性和其它因素。例如，地層內(nèi)被評(píng) 估的流體生產(chǎn)含量也將影響最后的體積生產(chǎn)量。
〖0099]在從油頁(yè)巖油田生產(chǎn)烴流體中，可以期望控制熱解流體的
遷移。在一些情況中，這包括注入井的使用，尤其是在該油田的周圍。 這樣的井可以注入水、蒸汽、C02、加熱的甲垸或其它流體，以驅(qū)使裂 化的干酪根流體向內(nèi)進(jìn)入生產(chǎn)井。在一-些實(shí)施方式中，可以將物理?yè)?板放在開發(fā)的富含有機(jī)物巖石地層的區(qū)域周圍。物理?yè)醢宓?--個(gè)實(shí)例 涉及冷凍壁的產(chǎn)生。冷凍壁通過(guò)穿過(guò)周邊的井循環(huán)制冷劑以大大降低巖石地層的溫度而形成。這又防止了油田周邊存在的千酪根熱解以及 油和氣向外遷移。冷凍壁也將導(dǎo)致周邊的地層中天然水凍結(jié)。將地下冷凍用于穩(wěn)定加固差的土壤或者給流體流動(dòng)提供擋
板在本領(lǐng)域中是已知的。Shell Exploration and Production Company (殼
牌勘探和生產(chǎn)公司)已經(jīng)在幾個(gè)專利中討論了冷凍壁用于油頁(yè)巖生產(chǎn)， 包括美國(guó)專利號(hào)6,880,633和美國(guó)專利號(hào)7,032,660。殼牌的'660專利
使用地.F冷凍以防止原位頁(yè)巖油生產(chǎn)期間地下水流動(dòng)和地'F水污染。
公開了所謂冷凍壁的應(yīng)用的另外的專利是美國(guó)專利號(hào)3,528,252、美國(guó) 專利號(hào)3,943,722、美國(guó)專利號(hào)3,729,965、美國(guó)專利號(hào)4,358,222、美國(guó) 專利號(hào)4,607,488和WO專利號(hào)98996480?？捎糜谙拗屏黧w流入或流出油頁(yè)巖油田的物理?yè)醢宓牧硪?實(shí)例是形成灌漿壁。灌漿壁是通過(guò)將水泥注入地層中以充滿滲透性通 道而形成的。在油頁(yè)巖油田的環(huán)境中，水泥將沿著油田的周邊被注入。 這防止熱解的流體移動(dòng)到開發(fā)油田外邊以及水從鄰近的含水層移動(dòng)到如......I::所示，幾個(gè)不同類型的井可被用于富含有機(jī)物巖石地
層的開發(fā)，包括例如油頁(yè)巖油田。例如，富含有機(jī)物巖石地層的加熱 可以通過(guò)使用加熱井完成。加熱井可包括，例如，電阻加熱元件。烴 流體從地層中的生產(chǎn)可以通過(guò)使用用于流體生產(chǎn)的完井而實(shí)現(xiàn)。含水 流體的注入可以通過(guò)使用注入井而實(shí)現(xiàn)。最后，含水溶液的生產(chǎn)可以 通過(guò)使用溶液生產(chǎn)井而實(shí)現(xiàn)。 il面所列的不同井可以用于一個(gè)以....匕的目的。換一種說(shuō)法 就是，初始完成用于一種目的的井后來(lái)可用于另一目的，由此降低項(xiàng) 目成本和/或減少執(zhí)行某些任務(wù)所需要的時(shí)間。例如，---個(gè)或多個(gè)生產(chǎn) 井也可被用作隨后將水注入富含有機(jī)物巖石地層中的注入井?？蛇x地， 一個(gè)或多個(gè)生產(chǎn)井也可被用作隨后從富含有機(jī)物巖石地層生產(chǎn)含水溶 液的溶液生產(chǎn)井。在其它方面，生產(chǎn)井(以及在一些情況中加熱井)最初可被 用作脫水井(例如在加熱開始前和/或當(dāng)加熱最初被啟動(dòng)時(shí))。此外， 在一^情況屮，脫水井可隨后被用作生產(chǎn)井(以及在一些情況中用作加 熱井)。因此，脫水井可以被放置和/或設(shè)計(jì)以便這種井可隨后被用作生產(chǎn)井和/或加熱井。加熱井可以被放置和/或設(shè)計(jì)以便這種井可隨后被用 作生產(chǎn)井和/或脫水井。生產(chǎn)井可以被放置和/或設(shè)計(jì)以便這種井可隨后 被用作脫水井和/或加熱井。類似地，注入井可以是最初被用作其它目 的(例如加熱、生產(chǎn)、脫水、監(jiān)控等)的井，并且注入井可隨后被用 于其它目的。類似地，監(jiān)控井可以是最初用作其它目的(例如加熱、 生產(chǎn)、脫水、注入等)的井。最后，監(jiān)控井可隨后被用于其它目的， 例如水生產(chǎn)。不同井的井筒可以相對(duì)靠近地定位，分開10英尺至高達(dá)
300英尺。可選地，井筒可以間隔30至200英尺或者50至100英尺。 典型地，井筒也在淺的深度處完成，總深度200至5,000英尺。可選地， 井筒可以在從1,000至4，000英尺或者1，500至3,500英尺的深度處完 成。在 些實(shí)施方式中，目標(biāo)為原位千餾的油頁(yè)巖地層處于地表F200
英尺以上的深度處。在可選實(shí)施方式中，目標(biāo)為原位千餾的油頁(yè)巖地
層處于地表下500、 1,000或1,500英尺以......匕的深度處。在可選實(shí)施方
式中，目標(biāo)為原位干餾的油頁(yè)巖地層處于地表下200與5,000英尺之間 的深度處，可選地在1,000與4,000英尺之間，在1，200與3，700英尺 之間或者1,500與3,500英尺之間。期望的是以預(yù)先計(jì)劃的布井方式為油頁(yè)巖油田安排不同的 井。例如，加熱井可以以各種布井方式安排，包括但不限于三角形、 正方形、六邊形和其它多邊形。該布井方式可以包括規(guī)則的多邊形以 促進(jìn)均勻的加熱穿過(guò)放置了加熱井的至少部分地層。該布井方式還可 以是行列驅(qū)井網(wǎng)。行列驅(qū)井網(wǎng)一般包括第一加熱井線性陣列、第二加 熱井線性陣列，以及位于第一和第二加熱井線性陣列之間的生產(chǎn)井或 者生產(chǎn)井線性陣列。在加熱井之間散布的典型是 -個(gè)或多個(gè)生產(chǎn)井。 注入井同樣可以被布置在重復(fù)性布井方式的單元內(nèi)，其可類似于或不 同于加熱井所用的布井方式。減少井?dāng)?shù)目的一個(gè)方法是使用單個(gè)井，既作為加熱井又作 為生產(chǎn)井。通過(guò)使用單一井用于連續(xù)目的來(lái)降低井的數(shù)目可以降低項(xiàng) 目成本。 一個(gè)或多個(gè)監(jiān)控井可以被布置在油田中選擇的位置上。監(jiān)控 井可以被配置有一個(gè)或多個(gè)測(cè)量井筒中溫度、壓力和/或流體特性的裝 置。在一些情況中，加熱井還可以作為監(jiān)控井，或者另外用儀器裝備。
減少加熱井?dāng)?shù)目的另一方法是采用井網(wǎng)?？梢允褂门c生產(chǎn) 井等距離間隔的加熱井的規(guī)則井網(wǎng)。該井網(wǎng)可以形成等邊三角形排列、 六邊形排列或其它排列井網(wǎng)。加熱井的排列可以被這樣放置，從而每
個(gè)加熱井之間的距離小于約70英尺(21m) 。
- 部分地層可以用加熱 井加熱，所述加熱井基本上與烴地層的邊界平行地放置。在可選實(shí)施方式中，加熱井的排列可以被這樣放置，使得 每個(gè)加熱井之間的距離可以小于約IOO英尺、或50英尺、或30英尺。 無(wú)論加熱井的排列或之間的距離如何，在某些實(shí)施方式中，在富含有 機(jī)物巖石地層內(nèi)放置的加熱井與生產(chǎn)井之間的比例可大于約5、 8、 10、 20或更多。在 ---種實(shí)施方式中，單個(gè)生產(chǎn)井被至多 -層加熱井環(huán)繞。 這可包括排列諸如5點(diǎn)、7點(diǎn)或9點(diǎn)陣歹U，其中生產(chǎn)和加熱井交互成行。 在另一實(shí)施方式中，兩層加熱井可以環(huán)繞生產(chǎn)井，但是其中加熱井是 錯(cuò)列的，以便存在無(wú)障礙通道用于遠(yuǎn)離另外的加熱井的大部分流動(dòng)。 可以應(yīng)用流動(dòng)和儲(chǔ)層模擬以評(píng)估原位產(chǎn)生的烴流體當(dāng)它們從其原始地 點(diǎn)遷移到生產(chǎn)井吋的通道和溫度歷史。圖4提供例證性的使用一層以.....匕加熱井的加熱井排列的平 面圖。該加熱井排列的使用與從頁(yè)巖油開發(fā)區(qū)400生產(chǎn)烴相關(guān)。在圖4 中，加熱井排列使用第一層加熱井410，其被第二層加熱井420環(huán)繞。 第 一層410中的加熱井以431被提及，而第一層420中的加熱井以432 被引用。生產(chǎn)井440被顯示在井層410和420中央。應(yīng)當(dāng)注意，相 對(duì)于生產(chǎn)井440，井第二層420中的加熱井432與井第一層410中的加 熱井431有所偏移。目的是為轉(zhuǎn)化的烴提供這樣的流動(dòng)通道，其使加 熱井第 -層410中的加熱井附近的行程最小化。這又使得當(dāng)烴從第二 層井420流動(dòng)到生產(chǎn)井440時(shí)從千酪根轉(zhuǎn)化的烴的二次裂化最小化。在圖4例證性的排列中，第一層410和第二層420每個(gè)都 限定5點(diǎn)布井。然而，應(yīng)當(dāng)理解可以使用其它布井，諸如3點(diǎn)或6點(diǎn) 布井。在任何情況中，包括加熱井第-- 層410在內(nèi)的多個(gè)加熱井431 被置于生產(chǎn)井440周圍，其中包括加熱井第二層420在內(nèi)的第二多個(gè) 加熱井432被置干第一層410周圍。
兩層中的加熱井也可以被這樣按排，使得通過(guò)加熱從第二
層420中的每個(gè)加熱并432中產(chǎn)生的大部分烴能遷移到生產(chǎn)井440，而 基本上不通過(guò)第一層41.0中的加熱井431附近。兩層410、 420中的加 熱井431、 432進(jìn)一步可以被這樣安排，使得通過(guò)加熱從第二層420中 的每個(gè)加熱井432中產(chǎn)生的大部分烴能遷移到生產(chǎn)井440，而不通過(guò)基 本......匕增加地層溫度的區(qū)域。
〖0115]減少加熱井?dāng)?shù)目的 一種方法是采用井網(wǎng)，所述井網(wǎng)在特定 方向上伸長(zhǎng)，尤其在最有效的熱傳導(dǎo)率的方向。熱對(duì)流可以受不同因 素影響，諸如層面和地層內(nèi)的應(yīng)力。例如，熱對(duì)流可在與地層上最小 水平主應(yīng)力垂直的方向更有效。在一些情況中，熱對(duì)流可在與最小水 平主應(yīng)力平行的方向更有效。與油頁(yè)巖油田的開發(fā)相關(guān)，可期望的是，按照步驟130和 135熱通過(guò)地下的前進(jìn)是均勻的。然而，由亍多種原因，盡管加熱井和 生產(chǎn)井規(guī)則安排，地下地層中地層烴的加熱和熟化不可能均勻進(jìn)行。 油頁(yè)巖特性和地層結(jié)構(gòu)的不均勻性可以使得某些局部區(qū)域更多產(chǎn)或更 少產(chǎn)。而且，由于油頁(yè)巖加熱和熟化發(fā)生的地層壓裂可能導(dǎo)致優(yōu)選通 道不均勻分布，并且由此增加了向某些生產(chǎn)井的流動(dòng)以及減少了向其 它生產(chǎn)井的流動(dòng)。不均勻的流體熟化可能是不期望的條件，因?yàn)槟承?地—F區(qū)域可能接受比所需更多的熱能而其它區(qū)域接受得比期望的更 少。這又導(dǎo)致采出液不均勻的流動(dòng)和回收。采出油質(zhì)量、總生產(chǎn)速率 禾卩/或最終的回收可能減少。為了檢測(cè)不均勻的流動(dòng)條件，生產(chǎn)和加熱井可以被安裝有 傳感器。傳感器可包括測(cè)量溫度、壓力、流速和/或組成信息的設(shè)備。 來(lái)自這些傳感器的數(shù)據(jù)可以簡(jiǎn)單的規(guī)則進(jìn)行加工或者被輸入進(jìn)行詳細(xì) 的模擬，以進(jìn)行如何調(diào)節(jié)加熱和生產(chǎn)井以改進(jìn)地下性能的決策。生產(chǎn) 井性能可以通過(guò)控制井上的背壓或節(jié)流進(jìn)行調(diào)節(jié)。加熱井性能也可以 通過(guò)控制能量輸入進(jìn)行調(diào)節(jié)。傳感器讀數(shù)有時(shí)也可以指示需要修理、 替換或廢棄的井或井下設(shè)備的機(jī)械問(wèn)題。在一種實(shí)施方式中，利用來(lái)自兩個(gè)或多個(gè)井的流速、組成、 溫度和/或壓力數(shù)據(jù)作為計(jì)算機(jī)算法的輸入以控制加熱速率和/或生產(chǎn) 速率。井內(nèi)或井附近的未測(cè)量條件然后被評(píng)估并用于控制井。例如，原位壓裂行為和千酪根熟化基亍來(lái)自--組井的熱、流動(dòng)和組成數(shù)據(jù)進(jìn) 行評(píng)估。在另 一實(shí)例中，井完整性基于壓力數(shù)據(jù)、井溫度數(shù)據(jù)以及估 計(jì)的原位應(yīng)力進(jìn)行評(píng)價(jià)。在相關(guān)實(shí)施方式中，傳感器的數(shù)目通過(guò)僅使 一亞組井裝備有設(shè)備并且使用結(jié)果內(nèi)插、計(jì)算或估計(jì)未儀表化的井匕 的條件而得以減少。某些井可只具有有限的一組傳感器(例如僅僅井 口溫度和壓力)而其它井具有更大的-一組傳感器(例如井口溫度和壓 力、井底溫度和壓力、生產(chǎn)組成、流速、電信號(hào)、套管應(yīng)變等)。如上所示，有多種將熱施加到富含有機(jī)物巖石地層的方法。 例如， 一種方法可以包括置于井筒中或井筒外的電阻加熱器。 -種這 樣的方法涉及將電阻加熱元件用在下套管井筒或裸眼井筒中。電阻加 熱涉及直接將電通過(guò)導(dǎo)電材料，從而電阻損耗使其加熱導(dǎo)電材料。其 它加熱方法包括使用井—F燃燒室、原位燃燒、射頻(RF)電能或微波 能量。仍然是其它的加熱方法包括將熱流體直接注入到油頁(yè)巖地層中
以直接將其加熱。熱流體nT以進(jìn)行或者可以不進(jìn)行循環(huán)。 一種方法可 包括通過(guò)在地—F地層外部或內(nèi)部燃燒燃料而產(chǎn)生熱。例如，熱可以通
過(guò)地表燃燒器或井下燃燒器或者通過(guò)經(jīng)由例如天然或人造壓裂穿過(guò)例 如井筒循環(huán)熱流體(諸如甲垸氣體或石腦油)到地層中而供給。 一些 燃燒器可以被配置以進(jìn)行無(wú)火焰燃燒?？蛇x地， 一些方法可包括諸如 通過(guò)天然分布式燃燒室在地層內(nèi)燃燒燃料，所述天然分布式燃燒室--般是指使用氧化劑以氧化地層內(nèi)至少部分碳以產(chǎn)生熱的加熱器，并且 其中氧化發(fā)生在最接近井筒的附近。除非在權(quán)利要求書中如此聲明，
本方法不限于所應(yīng)用的加熱技術(shù)。地層加熱的一種方法涉及電阻器的使用，其中電流穿過(guò)電 阻材料.，所述電阻材料將以熱分散電能。這種方法區(qū)別于電介質(zhì)加熱， 電介質(zhì)加熱中高頻振蕩電流在附近材料中感應(yīng)出電流并且把它們加 熱。電加熱器可包括絕緣導(dǎo)體、置于開孔中的細(xì)長(zhǎng)元件和/或置于導(dǎo)管 中的導(dǎo)體。公開了使用電阻加熱器以原位生產(chǎn)油頁(yè)巖的早期專利是美 國(guó)專利號(hào)1，666，488。 '488專利在1928年授予Crawshaw。自從1928年， 已經(jīng)提出了各種井下電加熱器的設(shè)計(jì)。例證性的設(shè)計(jì)在美國(guó)專利號(hào) 1,701,884、美國(guó)專利號(hào)3,376,403、美國(guó)專利號(hào)4,626,665、美國(guó)專利號(hào) 4,704,514和美國(guó)專利號(hào)6,023,554中介紹。
重油儲(chǔ)層電加熱方法應(yīng)用的評(píng)述由R. Sierra禾卩S. M. Farouq Ali在"Promising Progress in Field Application of Reservoir Electrical Heating Methods", Society of Petroleum Engineers Paper 69709, 200〗'l'給出。該參考文獻(xiàn)的全部公開內(nèi)容通過(guò)引用并入木文。原位電阻加熱器的某些在先設(shè)計(jì)利用了固體、連續(xù)加熱元 件(例如金屬線或條)。然而，這樣的元件可能缺少長(zhǎng)期、高溫應(yīng)用如油 頁(yè)巖熟化所必需的堅(jiān)韌性。隨著地層加熱和油頁(yè)巖熟化，巖石發(fā)生顯 著的膨脹。這導(dǎo)致和地層交叉的井上高的應(yīng)力。這些應(yīng)力可導(dǎo)致井筒 管和內(nèi)部組件的彎曲和拉伸。膠結(jié)(例如美國(guó)專利號(hào)4,886，118)或者填 裝(例如美國(guó)專利號(hào)2,732,.95)加熱元件在適當(dāng)位置可對(duì)于應(yīng)力提供一 些保護(hù)，但是 "些應(yīng)力仍可以被傳播到加熱元件。作為可選方案，國(guó)際專利公布號(hào)WO2005/010320教導(dǎo)使用 電導(dǎo)壓裂加熱油頁(yè)巖。加熱元件通過(guò)形成井筒以及然后水力壓裂井筒 周圍的油頁(yè)巖地層而構(gòu)造。壓裂中填充有形成加熱元件的電導(dǎo)材料。 煅燒石油焦炭是示例性的合適的傳導(dǎo)材料。優(yōu)選地，壓裂在沿著通過(guò) 水平井筒形成的縱向、水平而的垂直方向上產(chǎn)生。電可以通過(guò)傳導(dǎo)性 壓裂從每個(gè)井的根部被傳導(dǎo)到每個(gè)井的趾部。電流可以通過(guò)與靠近趾 部的-個(gè)或多個(gè)垂直壓裂相交叉的、用于提供相反電極的另外水平井 形成。該WO 2005/010320方法產(chǎn)生"原位烘爐"，所述原位烘 爐通過(guò)施加電熱而人工熟化油頁(yè)巖。建模表明，緊靠壓裂附近的溫度 可超過(guò)600。C。熱傳導(dǎo)加熱油頁(yè)巖至超過(guò)300"C的轉(zhuǎn)化溫度，其引起人
工熟化。國(guó)際專利公布號(hào)WO 2005/045192教導(dǎo)了在油頁(yè)巖地層內(nèi) 應(yīng)用熱流體循環(huán)的可選加熱手段。在WO 2005/045192的方法中，超臨 界加熱的石腦油通過(guò)地層中的壓裂縫進(jìn)行循環(huán)。這意味著，油頁(yè)巖通 過(guò)循環(huán)致密的、熱的烴蒸汽穿過(guò)間隔緊密的水力壓裂縫組而被加熱。 一方面，壓裂是水平形成的并且通常被支撐。32(TC-400。C的壓裂溫度 被保持高達(dá)五至十年。汽化的石腦油由亍在加熱溫度下其高的體積熱 容、簡(jiǎn)便可用性和相對(duì)低的降解速度可以是優(yōu)選的加熱介質(zhì)。在WO2005/045192方法中，隨著干酪根熟化，流體壓力將驅(qū)動(dòng)產(chǎn)生的油至熱 壓裂中，其中壓力隨循環(huán)烴蒸汽產(chǎn)生。加熱富含有機(jī)物巖石地層的目的是熱解至少一部分固體地 層烴以產(chǎn)生烴流體。固體地層烴可以通過(guò)將富含有機(jī)物巖石地層(或 者地層內(nèi)的區(qū)域)升高至熱解溫度而原位產(chǎn)生。在某些實(shí)施方式中， 地層溫度可以通過(guò)熱解溫度范圍而慢慢升高。例如，原位轉(zhuǎn)化過(guò)程可 包括加熱至少-j部分富含有機(jī)物巖石地層以將該區(qū)域的平均溫度以小
于每天選定量(例如大約io。c、 5°c、 3°c、 rc、 0.5。c或o.rc)的速
度升高至大約27(TC以.......匕在進(jìn)一步的實(shí)施方式中，該部分可以被加熱，
從而選定區(qū)域的平均溫度可小于約375。C，或者在一些實(shí)施方式中，小 于400r。該地層可以被加熱，從而地層內(nèi)的溫度(至少)達(dá)到初始熱 解溫度(例如熱解開始發(fā)生的溫度范圍低限處的溫度)。熱解溫度范圍可以根據(jù)地層內(nèi)地層烴的種類、加熱方法和
熱源分布而變化。例如，熱解溫度范圍可包括約270t:與約9oot:之間
的溫度?？蛇x地，地層目標(biāo)區(qū)域的體相可以被加熱至300匸與600i:之 間。在可選實(shí)施方式中，熱解溫度范圍可以包括約270'C與約500"C之
間的溫.度。優(yōu)選地，對(duì)于原位方法，生產(chǎn)區(qū)的加熱發(fā)生在幾個(gè)月或者 甚至四年或更多年的吋間內(nèi)?？蛇x地，地層可以被加熱一年至十五年，
可選地，3至10年，1.5至7年，或者2至5年。地層目標(biāo)區(qū)的體相可 以被加熱至27(TC與80(TC之間。優(yōu)選地，地層目標(biāo)區(qū)的體相可以被加 熱至30(TC與60(TC之間?？蛇x地，目標(biāo)區(qū)的體相可最終被加熱至400 。C (752。F)以下的溫度。在本發(fā)明方法的某些實(shí)施方式中，井下燃燒器可被用于加 熱R標(biāo)油頁(yè)巖區(qū)段。不同設(shè)計(jì)的井下燃燒器已經(jīng)在專利文獻(xiàn)中被討論 用于油頁(yè)巖和其它主要的固體烴沉積物。實(shí)例包括美國(guó)專利號(hào) 2,887,160;美國(guó)專利號(hào)2,847,071;美國(guó)專利號(hào)2,895，555;美國(guó)專利號(hào) 3,109,482;美國(guó)專利號(hào)3,225,829;美國(guó)專利號(hào)3,241,615;美國(guó)專利號(hào) 3,254,721;美國(guó)專利號(hào)3,127,936;美國(guó)專利號(hào)3,095,031;美國(guó)專利號(hào) 5,255,742;和美國(guó)專利號(hào)5,899,269。井下燃燒器通過(guò)將可燃燃料(典 型地天然氣)和氧化劑(典型地空氣)運(yùn)輸?shù)骄仓械牡叵挛恢枚\(yùn)行。燃料和氧化劑在井下反應(yīng)以產(chǎn)生熱。燃燒氣體被去除(一般通過(guò) 運(yùn)輸?shù)降乇?，但是可能通過(guò)注入到地層中)。時(shí)常地，井—F燃燒器利 用管套管布置以運(yùn)輸燃料和氧化劑到井下，并且然后移去燃?xì)夥祷氐?地表....匕面。
一些井K燃燒器產(chǎn)生火焰，而其它的可以不產(chǎn)生火焰。井下燃燒器的使用是另一種形式的被稱為蒸汽發(fā)生的井.卩
發(fā)熱的替代方案。在井.F蒸汽發(fā)生中，井中的燃燒器被用于煮沸放在
井筒中的水以注入到地層中。井F熱技術(shù)的應(yīng)用已經(jīng)被描述在F.M. Smith, "ADown-hole burner - Versatile tool for well heating," 25th Technical Conference on Petroleum Production, Pennsylvania State University, pp 275-285 (Oct. 19-21， 1966); H. Brandt， W.G. Poynter和J.D. Hum.mell, "Stimulating Heavy Oil Reservoirs with Downhole Air-Gas Burners," World Oil, pp. 91-95 (Sept.965);和C.I. DePriester和A丄 Pantaleo, "Well Stimulation by Downhole Gas-Air Burner," Journal of Petroleum Technology, pp. 1297-1302 (Dec. 1%3)中。井下燃燒器由于減少的基礎(chǔ)設(shè)施成本相對(duì)于電加熱方法具 有優(yōu)點(diǎn)。在這方面，不需要昂貴的發(fā)電廠和配電系統(tǒng)。而且，具有增 加的熱效率，因?yàn)楸苊饬嗽诎l(fā)電期間固有經(jīng)歷的能量損耗。由于各種設(shè)計(jì)問(wèn)題，井下燃燒器很少應(yīng)用。這種井下燃燒 器設(shè)計(jì)問(wèn)題包括溫度控制和冶金學(xué)限制。在這方面，火焰溫度可能使 管和燃燒器硬件過(guò)熱并且通過(guò)熔化、熱應(yīng)力、拉伸強(qiáng)度嚴(yán)重?fù)p失或者 蠕變而使它們失效。某些不銹鋼，其典型地具有高鉻含量，可以容忍 高達(dá) 700t:的溫度長(zhǎng)期時(shí)間。(參見例如H.E. Boyer和T丄.Gall (eds.), Metals Handbook, "Chapter 16: Heat-Resistant Materials", American Society for Metals, (1985.)火焰的存在可能在燃燒器內(nèi)和環(huán)繞燃燒器的 地層中引起熱點(diǎn)。這是由于來(lái)自火焰照明區(qū)域的輻射傳熱。然而，典 型的氣焰可以產(chǎn)生高達(dá)約1,65(TC的溫度。燃燒器的建造材料必須足以 經(jīng)得起這些熱點(diǎn)的溫度。此加熱器因此比沒(méi)有火焰的類似加熱器更貴。對(duì)于井 F燃燒器應(yīng)用，傳熱可以以幾種方式之一發(fā)生。這 些包括傳導(dǎo)、對(duì)流和輻射方法。輻射傳熱對(duì)于明火來(lái)說(shuō)可能特別強(qiáng)。 此外，煙道氣由于C02和水含量可能是腐蝕性的。耐火金屬或陶瓷的 使川可有助于解決這些問(wèn)題，但是一般成本更高。在超過(guò)900。C的溫度下具有可接受強(qiáng)度的陶瓷材料般是高氧化鋁含量陶瓷?？赡苡杏玫?其它陶瓷包括基于氧化絡(luò)、氧化鋯和氧化鎂的陶瓷。此外，根據(jù)井下 燃燒的特性，N(X產(chǎn)生可能是大量的。在井—F燃燒器的管套管布置中的傳熱也可能引起困難。向 下行進(jìn)的燃料和空氣將與向上行進(jìn)的熱煙道氣熱交換。在井中，高度 絕緣的空間最小，因此一般預(yù)期有大量的傳熱。這種交叉熱交換隨著 燃料和空氣預(yù)熱，可導(dǎo)致更高的火焰溫度。此外，交叉熱交換可以限 制燃燒器下游熱的傳輸，因?yàn)闊岬臒煹罋饪梢钥焖贀p失熱能到上升的 較冷煙道氣。在油和氣源的生產(chǎn)中，可以期望將采出的烴用作正在進(jìn)行
的操作的能源。這可被應(yīng)用于從油頁(yè)巖開發(fā)油和氣源。在這方面，當(dāng) 電阻加熱器連同原位頁(yè)巖油回收使用時(shí)，需要大量的能量。電能可以從轉(zhuǎn)動(dòng)發(fā)電機(jī)的渦輪獲得。通過(guò)利用來(lái)自油田的 采出氣供以氣體渦輪動(dòng)力，可能在經(jīng)濟(jì)上是有利的。然而，這種采出 氣必須被小心控制以便不損壞渦輪、導(dǎo)致渦輪點(diǎn)火不良或者產(chǎn)生過(guò)量 的污染物(例如NO》。氣體渦輪問(wèn)題的一個(gè)來(lái)源是在燃料內(nèi)存在污染物。污染物 包括固體、水、作為液體存在的重組分以及硫化氫。此外，燃料的燃 燒行為是重要的。要考慮的燃燒參數(shù)包括熱值、比重、絕熱火焰溫度、 可燃性限度、自燃溫度、自然延遲時(shí)間和火焰速度。沃泊指數(shù)(Wobbe index，WI)經(jīng)常被用作燃料質(zhì)量的關(guān)鍵量度。W:I等于低熱值與氣體比 重的平方根的比值。將燃料的沃伯指數(shù)控制到目標(biāo)值并且在例如+10% 或±20%的范圍可允許渦輪設(shè)計(jì)簡(jiǎn)化以及性能優(yōu)化改進(jìn)。燃料質(zhì)量控制可用于頁(yè)巖油開發(fā)，其中采出氣組成在油田 壽命期間可能變化，并且其中氣體除了輕烴外一般還有大量的C02、 CO和H2。商業(yè)規(guī)模的油頁(yè)巖干餾被預(yù)期產(chǎn)生隨時(shí)間變化的氣體組成。渦輪燃料中的惰性氣體可以通過(guò)增加物質(zhì)流動(dòng)同時(shí)保持火 焰溫度在期望范圍內(nèi)而增加發(fā)電。此外惰性氣體可以降低火焰溫度并 且由此減少NOx污染物產(chǎn)生。從油頁(yè)巖熟化產(chǎn)生的氣體可具有大量的 C02含量。因此，在生產(chǎn)方法的某些實(shí)施方式中，燃料氣的C02含量 通過(guò)在地表設(shè)備中分離或加入進(jìn)行調(diào)節(jié)以使渦輪性能優(yōu)化。
對(duì)于低BTU (British Thermal Units,英國(guó)熱單位)燃料來(lái) 說(shuō)，達(dá)到一定的氫含量也可以期望實(shí)現(xiàn)適當(dāng)?shù)娜紵阅?。在本文方?br> 的某些實(shí)施方式中，燃料氣的H2含量通過(guò)地表設(shè)備中的分離或加入進(jìn)
行調(diào)節(jié)以使渦輪性能優(yōu)化。利川低BTU燃料調(diào)節(jié)非頁(yè)巖油地表設(shè)備中 的H2含量己經(jīng)在專利文獻(xiàn)(例如美國(guó)專利號(hào)6，684，644和美國(guó)專利號(hào) 6,858,049,其全部公開內(nèi)容通過(guò)引用并入本文)中進(jìn)行了討論。例如通過(guò)熱解加熱富含有機(jī)物巖石地層內(nèi)的地層烴的方法 可以產(chǎn)生流體。熱生成的流體可包括地層內(nèi)蒸發(fā)的水。此外，加熱干 酪根的作用產(chǎn)生加熱后傾向于膨脹的熱解流體。產(chǎn)生的熱解流體不但 可包括水，而且可包括例如烴、碳的氧化物、氨、分子氮和分子氫。 因此，隨著地層內(nèi)加熱部分內(nèi)的溫度增加，加熱部分內(nèi)的壓力由于流 體產(chǎn)生增加、分子膨脹以及水的蒸發(fā)也可能增加。因此， 一些必然的 結(jié)果存在于油頁(yè)巖地層內(nèi)的地下壓力與熱解期間產(chǎn)生的流體壓力之 間。這又表明，地層壓力可以被監(jiān)控以檢測(cè)千酪根轉(zhuǎn)化過(guò)程的進(jìn)展。富含有機(jī)物巖石地層的加熱部分內(nèi)的壓力取決于其它儲(chǔ)層 特征。這些可包括，例如，地層深度、與加熱井的距離、富含有機(jī)物 巖石地層內(nèi)地層烴的豐富度、加熱程度、和/或與生產(chǎn)井的距離。油頁(yè)巖油田的開發(fā)者可以期望開發(fā)期間監(jiān)控地層壓力。地 層內(nèi)的壓力可以在多個(gè)不同位置處進(jìn)行測(cè)定。這樣的位置可包括但不 限于井口處以及井筒內(nèi)的不同深度處。在--^些實(shí)施方式中，壓力可以 在牛產(chǎn)井處進(jìn)行測(cè)量。在可選實(shí)施方式中，壓力可以在加熱井處進(jìn)行 測(cè)量。在仍然是另一實(shí)施方式中，壓力可以在專用監(jiān)控井的井F進(jìn)行 鄰!!jft 。加熱富含有機(jī)物巖石地層至熱解溫度范圍的過(guò)程不但將增 加地層壓力，而且也將增加地層滲透性。熱解溫度范圍應(yīng)當(dāng)在富含有 機(jī)物巖石地層內(nèi)已經(jīng)產(chǎn)生基本的滲透性之前達(dá)到。初始缺乏滲透性可 以防止從熱解區(qū)段產(chǎn)生的流體在地層內(nèi)傳輸。照此方式，隨著熱最初 從加熱井轉(zhuǎn)移至富含有機(jī)物巖石地層，富含有機(jī)物巖石地層內(nèi)的流體 壓力可以更加接近于該加熱井。這種流體壓力增加可能是由于例如在 地層中至少一些地層經(jīng)的熱解期間流體的產(chǎn)生引起的。
可選地，可使由地層內(nèi)產(chǎn)生的熱解流體或其它流體的膨脹 產(chǎn)生的壓力增加。這假定生產(chǎn)井的開放通道或其它壓力降還不存在于 地層中。 一方面，流體壓力可被允許增加到巖石靜應(yīng)力或之上。在這 種情況中，當(dāng)流體壓力等于或超過(guò)巖石靜應(yīng)力時(shí)，含烴地層中的壓裂 可形成。例如，壓裂可以從加熱井形成到生產(chǎn)井。加熱部分內(nèi)壓裂的 產(chǎn)生可以減小該部分內(nèi)的壓力，這是由于通過(guò)生產(chǎn)井采出液的生產(chǎn)。 —旦熱解在富含有機(jī)物巖石地層內(nèi)已經(jīng)開始，流體壓力可
根據(jù)不同因素而變化。這些包括例如烴的熱膨脹、熱解流體的產(chǎn)生、 轉(zhuǎn)化速率以及從地層中取出產(chǎn)生的流體。例如，隨著流體在地層內(nèi)產(chǎn) 生，孔內(nèi)的流體壓力可能增加。從地層屮移出產(chǎn)生的流體則可減小地
層井筒區(qū)域附近內(nèi)的流體壓力。在某些實(shí)施方式中，至少一部分富含有機(jī)物巖石地層的質(zhì) 量可以被降低，這是由于例如地層烴的熱解以及從地層中生產(chǎn)烴流體。 因此，至少 部分地層的滲透性和孔隙率可能增加。任何有效地從油 頁(yè)巖產(chǎn)生油和氣的原位方法將在原先非常低滲透性的巖石中產(chǎn)生滲透 性。這發(fā)生的程度通過(guò)大的膨脹量闡明，如果從千酪根產(chǎn)生的流體不 能流動(dòng)，必須具有所述膨脹。該觀點(diǎn)在圖5中被闡明。圖5提供了一柱狀圖，其比較了在模擬的原位千餾工藝之 前50和之后51的-噸Green River油頁(yè)巖。模擬的過(guò)程是在2,400 psi 和750°:F下、在總有機(jī)碳含量22 wt. %以及Fisher試驗(yàn)42加侖/噸的油 頁(yè)巖上進(jìn)行的。轉(zhuǎn)化前，存在總共15.3ftS的巖石基體52。該基體包括 嵌入在頁(yè)巖內(nèi)的7.2 ftH礦物53，即白云石、石灰石等以及8.1 ft4灼 千酪根54。由于轉(zhuǎn)化該材料膨脹至26.1 ft3 55。這提供了 7.2 ft3的礦物 56 (與轉(zhuǎn)化前相同的數(shù)目)、6.6 ft3的烴流體57、 9.4 ft3的烴蒸汽58以及 2.9f^的焦炭59?？梢钥闯?，基本的體積膨脹發(fā)生在轉(zhuǎn)化過(guò)程期間。這 又增加了巖石結(jié)構(gòu)的滲透性。在一種實(shí)施方式中，原位加熱--部分的富含有機(jī)物巖石地 層至熱解溫度可以增加加熱部分的滲透性。例如，滲透性可由于通過(guò) 施加熱引起的加熱部分內(nèi)熱壓裂的形成而增加。隨著加熱部分的溫度 增加，水可由于蒸發(fā)而被去除。汽化的水可以溢出禾口/或從地層中去除。此外，加熱部分的滲透性也可以增加，這是在宏觀規(guī)模上由于加熱部 分內(nèi)至少 些地層烴的熱解而產(chǎn)生烴流體的結(jié)果。本文描述的某些體系和方法可用于處理至少一部分相對(duì)低 滲透性地層中(例如在含有地層烴的"致密"地層中)的地層烴。這 樣的地層烴可以被加熱以在地層的選定區(qū)中熱解至少一些地層烴。加 熱也可以增加至少一部分選定區(qū)的滲透性。從熱解中產(chǎn)生的烴流體可 以從地層中產(chǎn)生，由此進(jìn)- 步增加地層滲透性。富含有機(jī)物巖石地層的加熱部分內(nèi)選定區(qū)的滲透性也可以 在該選定區(qū)由于傳導(dǎo)被加熱時(shí)迅速增加。例如，不可滲透的富含有機(jī) 物巖石地層的滲透性在加熱前可小亍約0.1毫達(dá)西。在一些實(shí)施方式 中，熱解至少一部分富含有機(jī)物巖石地層可以將該部分選定區(qū)內(nèi)的滲
透性增加至約IO毫達(dá)西、100毫達(dá)西、l達(dá)西、IO達(dá)西、20達(dá)西或50 達(dá)西以上。因此，該部分選定區(qū)的滲透性可以增加大約10、 100、 1,000、 10,000或100,000以上的因數(shù)。在一種實(shí)施方式中，富含有機(jī)物巖石地
層在加熱該富含有機(jī)物巖石地層之前具有1毫達(dá)西以一F的初始總滲透
性，可選地0.1或0.01毫達(dá)西以下。在一種實(shí)施方式中，富含有機(jī)物
巖石地層在加熱該富含有機(jī)物巖石地層之后具有1毫達(dá)西以...Il的加熱
后總滲透性，可選地，10、 50或100毫達(dá)西以上。與加熱富含有機(jī)物巖石地層相關(guān)，富含有機(jī)物巖石地層可 任選地被壓裂以有助于傳熱或烴流體生產(chǎn)。在一種情況中，壓裂可以 通過(guò)施加熱在地層內(nèi)產(chǎn)生熱壓裂而自然實(shí)現(xiàn)。熱壓裂形成是通過(guò)巖石 和流體的熱膨脹以及干酪根轉(zhuǎn)變成油和氣的化學(xué)膨脹引起的。熱壓裂 可發(fā)生在經(jīng)受加熱的中間區(qū)域以及更冷的附近區(qū)域。附近區(qū)域屮的熱 壓裂是由于壓裂的蔓延以及更熱區(qū)域中膨脹所引起的張應(yīng)力。因此， 通過(guò)加熱富含有機(jī)物巖石以及將干酪根轉(zhuǎn)變成油和氣，滲透性不但通 過(guò)流體形成和蒸發(fā)而且通過(guò)熱壓裂形成而增加。增加的滲透性有助于 地層內(nèi)的流體流動(dòng)以及從千酪根產(chǎn)生的烴流體的采出。此外，可以使用被稱為水力壓裂的方法。水力壓裂是油和 氣回收領(lǐng)域中已知的方法，其中壓裂流體在井筒內(nèi)被加壓到地層的壓 裂壓力之上，因此在地層內(nèi)形成壓裂面以釋放井筒內(nèi)產(chǎn)生的壓力。水 力壓裂可被用于產(chǎn)生附加滲透性和/或被用于給加熱井提供拉伸的幾何形狀。上面所并入的WO 2005/010320專利出版物描述了一種這樣的方法。與從巖石基體尤其是淺深度的那些中生產(chǎn)烴相關(guān)， 一個(gè)考 慮因素可能與地下沉有關(guān)。這特別在原位加熱富含有機(jī)物巖石中是實(shí) 際情況，其中一部分基體本身被熱轉(zhuǎn)化并且移去。最初，該地層可包 含固體形式的地層烴諸如，例如，千酪根。該地層也可最初包含水溶 性礦物。最初，該地層也可以對(duì)流體流動(dòng)是基本......匕不可滲透的。原位加熱該基體熱解了至少一部分地層烴以產(chǎn)生烴流體。 這又在富含有機(jī)物地層中的熟化(熱解的)富含有機(jī)物巖石區(qū)內(nèi)產(chǎn)生 滲透性。熱解和滲透性增加相組合允許烴流體從地層中產(chǎn)生。同時(shí)， 支撐基體的材料的損耗也產(chǎn)生相對(duì)于地表下沉的可能。在一些情況中，為了避免環(huán)境或水文地質(zhì)影響，—F沉被尋 求以最小化。在這方面，改變地表的等高線和地形甚至幾英寸都可能 改變徑流(runofO型式、影響植被型式以及影響分水嶺。此外，卜沉具 有損壞在生產(chǎn)區(qū)域中形成的生產(chǎn)或加熱井的可能。這種下沉可以對(duì)井 筒套管、水泥工件和井下設(shè)備產(chǎn)生破壞性的環(huán)帶以及壓縮性應(yīng)力。為了避免或最小化 F沉，提出留F選定部分的基本......匕未熱
解的地層烴。這有助于保護(hù)一個(gè)或多個(gè)未熟化的富含有機(jī)物巖石區(qū)。 在一些實(shí)施方式中，未熟化的富含有機(jī)物巖石區(qū)可以成形為基本垂直 的柱，其延伸穿過(guò)富含有機(jī)物巖石地層的厚度的生要部分。地層內(nèi)的加熱速度和熱分布可以被設(shè)計(jì)和執(zhí)行，以便留下 足夠的未熟化柱以防止下沉。 一方面，熱注入井筒在布井中形成，從 而油頁(yè)巖未處理的柱被留在其中以支撐上覆巖層和防止下沉。優(yōu)選的是，油和氣的熱回收在地層中存在的蘇打石或其它 水溶性礦物的任何溶液采礦(solution mining)之前進(jìn)行。溶液采礦可以 在巖石地層中產(chǎn)生大的空穴并且在油頁(yè)巖開發(fā)區(qū)域中使角礫巖塌方。 這些空穴和角礫化區(qū)段可給原位和采礦回收油頁(yè)巖造成問(wèn)題，這進(jìn)一 歩增加了支撐柱的效用。在--些實(shí)施方式中，通過(guò)原位轉(zhuǎn)化過(guò)程產(chǎn)生的烴流體的組 成和特性可根據(jù)例如富含有機(jī)物巖石地層內(nèi)的條件變化?？刂茻岷?或富含有機(jī)物巖石地層中選定部分的加熱速度可以增加或減少選定的采 出液的生產(chǎn)。在一種實(shí)施方式中，操作條件可以通過(guò)測(cè)量富含有機(jī)物巖 石地層的至少一種特性進(jìn)行確定。測(cè)量的特性可以被輸入到計(jì)算機(jī)可 執(zhí)行程序中。從地層中生產(chǎn)的采出液的所選至少一種特性也可以被輸 入到計(jì)算機(jī)可執(zhí)行程序中。該程序可以是可操作的，以從至少--個(gè)或 多個(gè)測(cè)量的特性中確定--組操作條件。該程序也可以被配置以從所選 擇的采出液的至少一種特性確定該組操作條件。照此，所確定的這組 操作條件可以被配置以增加從該地層生產(chǎn)選定釆出液。某些加熱井實(shí)施方式可包括例如通過(guò)絕緣導(dǎo)體或其它類型
的線路與任何加熱井連通的操作系統(tǒng)。該操作系統(tǒng)可以被配置以與加 熱井對(duì)接。操作系統(tǒng)可以接受來(lái)自加熱器的信號(hào)(例如電磁信號(hào))， 其表示加熱井的溫度分布。此外，操作系統(tǒng)可以被進(jìn)一步配置以本地 控制或遙控加熱井。例如，操作系統(tǒng)可通過(guò)改變與加熱井連接的設(shè)備 的參數(shù)，改變加熱井的溫度。因此，操作系統(tǒng)可以監(jiān)控、改變和/或控 制至少-一部分地層的加熱。在 些實(shí)施方式中，在地層中的平均溫度可能已經(jīng)達(dá)到選 定溫度后，加熱井可以被調(diào)小和/或關(guān)閉。調(diào)小和/或關(guān)閉加熱井可減少 輸入能量成本，基本.....匕抑制了地層的過(guò)熱，并且允許熱基本上傳遞到 地層更冷的區(qū)域。加熱的富含有機(jī)物巖石地層內(nèi)的溫度(和平均溫度)可以 變化，這取決于例如與加熱井的接近度、地層的熱傳導(dǎo)性和熱擴(kuò)散性、 發(fā)生反應(yīng)的類型、地層烴的類型以及富含有機(jī)物巖石地層內(nèi)水的存在。 在油田中建立監(jiān)控井的位置，溫度測(cè)量可以在井筒內(nèi)直接進(jìn)行。此外， 在加熱井處，在地層緊接周圍的溫度被相當(dāng)充分地了解。然而，期望 將溫度插入到地層中間溫度傳感器和加熱井中的位置上。根據(jù)本發(fā)明生產(chǎn)過(guò)程的--- 個(gè)方面，富含有機(jī)物巖石地層內(nèi) 的溫度分布可以采用數(shù)字模擬模型迸行計(jì)算。數(shù)字模擬模型可通過(guò)已 知數(shù)據(jù)點(diǎn)的內(nèi)插以及地層傳導(dǎo)率的假定計(jì)算地表溫度分布。此外，數(shù) 值模擬模型可被用于測(cè)定處于評(píng)估溫度分布下的地層的其它參數(shù)。例 如，地層的各種特性可包括但不限于地層的滲透性。
數(shù)字模擬模型也可包括評(píng)估處于評(píng)估溫度分布下的富含有 機(jī)物巖石地層內(nèi)形成的流體的各種特性。例如，所形成流體的各種特 性可包括但不限于地層內(nèi)形成的流體的累積體積、流體粘度、流體密 度和地層內(nèi)形成的流體的組成。這種模擬可被用于評(píng)估商業(yè)規(guī)模操作 或小規(guī)橫油田試驗(yàn)的性能。例如，基于，但不限亍，可從研究規(guī)模操 作中生產(chǎn)的產(chǎn)物總體積，可以評(píng)估商業(yè)規(guī)模開發(fā)的性能。 些實(shí)施方式包括從富含有機(jī)物巖石地層生產(chǎn)至少---部分
烴流體。烴流體可以通過(guò)生產(chǎn)井進(jìn)行生產(chǎn)。生產(chǎn)井可以是下套管井或 裸眼井并且通過(guò)本領(lǐng)域中已知的方法進(jìn)行鉆井和完井。
些實(shí)施方式進(jìn)一歩包括從富含有機(jī)物巖石地層生產(chǎn)采出 液，其中采出液包含烴流體和含水流體。含水流體可包含水溶性礦物
和/或遷移污染物種類。在這樣的情況中，采出液可以在地表設(shè)備中被 分離成烴流和含水流。此后水溶性礦物和/或遷移污染物種類可以從含 水流中進(jìn)行回收。該實(shí)施方式可以與本文所討論的發(fā)明的其它方面中 任何方面進(jìn)行組合。生產(chǎn)的烴流體可包括熱解油成分(或可冷凝成分)以及熱 解氣成分(或非冷凝成分)。從地層中生產(chǎn)的可冷凝烴將一般包括石 蠟、環(huán)烷、單環(huán)芳烴和雙環(huán)芳烴作為成分。這種可冷凝烴還可包括其 它成分諸如三環(huán)芳香烴和其它烴種類。在某些實(shí)施方式中，采出液中大部分烴可具有小于約25的 碳數(shù)。可選地，流體中按重量計(jì)小于約15%的烴可具有大亍約25的碳 數(shù)。非冷凝徑可包括但不限于碳數(shù)小于5的烴。在某些實(shí)施方式中，采出液中可冷凝烴的API比重可為大 約20或以上(例如25、 30、 40、 50等)。在某些實(shí)施方式中，采出液中 氫與碳原子比可為至少約1.7 (例如1.8、 1.9等)。 —些生產(chǎn)過(guò)程包括在從富含有機(jī)物巖石地層基本上去除地 層水溶性礦物之前，原位加熱包含地層烴和地層水溶性礦物的富含有 機(jī)物巖石地層。在本發(fā)明的一些實(shí)施方式中，在原位加熱之前不需要 部分、基本上或完全去除水溶性礦物。例如，在含有天然發(fā)生的蘇打 石的油頁(yè)巖地層中，油頁(yè)巖可以在通過(guò)溶液采礦基本上去除蘇打石之 前被加熱?；旧先コ苄缘V物可表示水溶性礦物的去除程度，其從本領(lǐng)域中已知的任何商業(yè)溶液采礦操作中發(fā)生。基本上去除水溶性 礦物可近似為去除富含有機(jī)物巖石地層內(nèi)烴流體生產(chǎn)的目標(biāo)區(qū)域中存 在的特定水溶性礦物總量的按重量計(jì)5%以上。在可選實(shí)施方式中，富 含有機(jī)物巖石地層的原位加熱以熱解地層烴可以在從富含有機(jī)物巖石 地層去除按重量計(jì)3%以上的地層水溶性礦物之前開始，可選地，按重 量計(jì)7%、按重量計(jì)10%或按重量計(jì)13%。在采出蘇打石之前加熱油頁(yè)巖以生產(chǎn)油和氣的影響是將蘇 打石轉(zhuǎn)化成更可回收形式(堿灰)，并且提供滲透性，有助于其隨后 的回收。水溶性礦物回收可以在干餾油生產(chǎn)后就發(fā)生，或者它可以被 留下幾年的時(shí)期用于后面的回收。如果期望的話，堿灰可在地表匕容 易被轉(zhuǎn)化冋蘇打石。這種轉(zhuǎn)化可容易實(shí)行使得兩種礦物可有效地互換。在一些生產(chǎn)方法中，加熱富含有機(jī)物巖石地層包括通過(guò)蘇 打石的分解產(chǎn)生堿灰。該方法可包括在地表設(shè)備中處理含水溶性礦物 的含水溶液以去除一部分水溶性礦物。該處理步驟可包括通過(guò)由于改 變含水溶液的溫度引起的沉淀除去水溶性礦物。水溶性礦物可包括鈉。水溶性礦物還可包括蘇打石(碳酸 氫鈉)、堿灰(碳酸鈉)、片鈉鋁石(NaAl(C03)(OH)2)或其組合。表面 處理可進(jìn)一步包括在地表設(shè)備中通過(guò)與C02反應(yīng)將堿灰轉(zhuǎn)化成碳酸氫 鈉(蘇打石)。在部分或完全去除水溶性礦物后，含水溶液可被再注 入到地下地層，在那里它可以被隱蔽。該地下地層可以與原始富含有 機(jī)物巖石地層相同或不同。在一些生產(chǎn)方法中，加熱富含有機(jī)物巖石地層既熱解至少 一部分地層烴以產(chǎn)生烴流體并且使得在富含有機(jī)物巖石地層中在先結(jié) 合的遷移污染物種類可以得到。遷移污染物種類可以通過(guò)地層烴的熱 解形成，可以在加熱后從地層本身中釋放，或者可以在加熱地層后通 過(guò)產(chǎn)生增加的滲透性而使其可接近。在富含有機(jī)物巖石地層|:13存在的 或注入其中的水或其它含水流體中，遷移污染物種類可以是可溶的。從熱解的油頁(yè)巖中產(chǎn)生烴一般留下一些至少部分水溶的遷 移污染物種類。取決于熱解頁(yè)巖油與較淺區(qū)段的水文連通性，這些成 分可最后遷移到濃度匕環(huán)境不可接受的地下水中。潛在的遷移污染物 種類的類型取決T"油頁(yè)巖熱解的特性以及正被轉(zhuǎn)化的油頁(yè)巖的組成。如果熱解是在氧或空氣不存在—F進(jìn)行的，污染物種類可包括芳烴(例如 苯、甲苯、乙苯、二甲苯)、多芳烴(例如蒽、芘、萘、蓆)、金屬污染
物(例如As、 Co、 Pb、 Mo、 Ni和Zn)，及其它種類諸如硫酸鹽、氨、 Al、 K、 Mg、氯化物、氟化物和酚。如果使用的是氧或空氣，污染物 種類還可包括酮、醇和氰化物。此外，存在的具體的遷移污染物種類 可包括....匕述種類的任何次組或組合。油田開發(fā)者可以期望評(píng)估富含有機(jī)物巖石地層與含水層的 連通性。這可以進(jìn)行以確定富含有機(jī)物巖石地層中的地層烴的原位熱 解是否可產(chǎn)生傾向于遷移到含水層的遷移種類，或者其程度。如果富 含有機(jī)物巖石地層與含水層是水文相連的，可以采取防范措施以減少 或防止在熱解期間產(chǎn)生或釋放的種類進(jìn)入含水層?？蛇x地，富含有機(jī) 物巖石地層可以在如這里所述熱解后用水或含水流體沖洗以去除水溶 性礦物和/或迀移污染物種類。在其它實(shí)施方式中，富含有機(jī)物巖石地 層可以與任何地F"水源基本上水文不連接。在這樣的情況中，沖洗富 含有機(jī)物巖石地層可能對(duì)于遷移污染物種類的去除來(lái)說(shuō)不是必需的， 但是盡管如此對(duì)于水溶性礦物的回收來(lái)說(shuō)可能是期望的。在從富含有機(jī)物地層生產(chǎn)烴后， 一些遷移污染物種類可保 持在巖石地層中。在這樣的情況下，可以期望將含水流體注入到富含 有機(jī)物巖石地層中并且使注入的含水流體溶解至少部分水溶性礦物禾口/ 或遷移污染物種類以形成含水溶液。含水溶液然后可通過(guò)例如溶液生 產(chǎn)井從富含有機(jī)物巖石地層中采出。含水流體可進(jìn)行調(diào)節(jié)以增加遷移 污染物種類和/或水溶性礦物的溶解度。調(diào)節(jié)可包括加入酸或堿以調(diào)節(jié) 溶液的pH。所得含水溶液然后可從富含有機(jī)物巖石地層中采出到地表 進(jìn)行加工。在初始含水流體采出后，可進(jìn)一步期望用含水流體沖洗熟 化的富含有機(jī)物巖石區(qū)和未熟化的富含有機(jī)物巖石區(qū)。含水流體可被 用于進(jìn)一步溶解水溶性礦物和遷移污染物種類。沖洗可以任選地在大 部分的烴流體已經(jīng)從熟化的富含有機(jī)物巖石區(qū)段采出后完成。在一些 實(shí)施方式中，沖洗步驟可以被延遲到烴流體生產(chǎn)步驟之后。沖洗可以 被延遲以允許從加熱步驟產(chǎn)生的熱向更深處傳遞，進(jìn)入周圍未熟化的 富含有機(jī)物巖石區(qū)段，以便將周圍未熟化的富含有機(jī)物巖石區(qū)段內(nèi)的蘇打石轉(zhuǎn)化成堿灰。可選地，沖洗可以被延遲以允許加熱步驟產(chǎn)生的 熱在周圍未熟化的富含有機(jī)物巖石區(qū)段內(nèi)產(chǎn)生滲透性。此外，沖洗可 基于碳酸氫鈉、堿灰或兩者的目前和/或預(yù)測(cè)的市場(chǎng)價(jià)而被延遲，如本 文進(jìn) 一步討論的。該方法可以與本文所討論的本發(fā)明其它方面的任何 一個(gè)進(jìn)行組合。含水溶液沖洗后，可以期望在地表設(shè)備中處理含水溶液以 去除至少一些遷移污染物種類。遷移污染物種類可通過(guò)使用例如吸水 材料、反滲透、化學(xué)氧化、生物氧化和/或離子交換去除。這些方法的 實(shí)例在本領(lǐng)域中都是己知的。示例性吸收材料可包括活性炭、粘土或 漂白土。在油頁(yè)巖源的某些區(qū)域中，另外的烴源可以存在亍較低的 深度處。其它烴源可包括更深的油頁(yè)巖地層。其它烴源也可包括更深、 低滲透性地層中的天然氣。這樣的地層存在于美國(guó)西部所謂的"致密 氣"地層中的 些部分。其它烴源可包括夾帶在煤中和吸附到煤上的 天然氣。這樣的地層有時(shí)被稱為"煤層甲烷"。挑戰(zhàn)在于同時(shí)開發(fā)需要熱解的地層和更深的地層。在這方 面，熱解油頁(yè)巖或焦油砂地層用于生產(chǎn)油和氣要求地層被加熱。這樣 的溫度經(jīng)常超過(guò)600°F。沒(méi)有現(xiàn)存的技術(shù)存在以鉆井穿過(guò)此類高溫巖石 以便進(jìn)入更深的烴源。即使井被預(yù)先鉆到更深的地層，傳統(tǒng)的井設(shè)計(jì) 也沒(méi)有意圖經(jīng)受得住這些溫度所產(chǎn)生的極限熱應(yīng)力。因此，本文提出，保留基本未被加熱的烴開發(fā)區(qū)域內(nèi)的某 些區(qū)域。在地表，這樣的區(qū)域可被稱為襯墊(pad)。目標(biāo)為更深源的井 從地表井襯墊垂直或定向鉆井。更深源的定向井可以在油頁(yè)巖區(qū)段下 面偏離，從而它們避免與原位油頁(yè)巖加熱相關(guān)的高溫。圖6是烴開發(fā)區(qū)域600的一部分的橫截面圖。開發(fā)區(qū)域600 描繪了地表602以及地表602下面的地層610。地下地層610是富含有 機(jī)物巖石地層，諸如油頁(yè)巖。油頁(yè)巖地層610包括可被轉(zhuǎn)化成烴流體 的千酪根。開發(fā)區(qū)域600用于從地下油頁(yè)巖地層610開發(fā)烴的目的。 這通過(guò)原位加熱和熱解過(guò)程實(shí)現(xiàn)。地層610在深度"d,處。深度"cV， 一般是通過(guò)地表602 與地層610的頂部之間的距離測(cè)量的。在一些實(shí)施方式中，目標(biāo)為原位熱解的油頁(yè)巖地層610位于地表下200英尺以上的深度處。在可選
實(shí)施方式中，目標(biāo)為原位熱解的油頁(yè)巖地層610位于地表602 卜'500、 ]000或1500英尺以上的深度處，但是一般不超過(guò)5,000英尺深。在可 選實(shí)施方式中，目標(biāo)為原位熱解的油頁(yè)巖地層610位于地表602下500 與4,000英尺之間的深度處，可選地在600與3,500英尺之間，或者在 700與3,000英尺之間。地層610可以是最初具有非常有限的滲透性的油頁(yè)巖，例 如小于5毫達(dá)西。為了開發(fā)油頁(yè)巖地層610，必要的是熱解地層610 中的固體烴或千酪根。這是通過(guò)在熱解溫度或以...il加熱地層610延長(zhǎng) 的時(shí)間段而進(jìn)行的。為了加熱地層610和產(chǎn)生烴，提供了多個(gè)加熱井 632。在例證性開發(fā)區(qū)域600中，加熱井632以多行或線性排列布置。 每個(gè)加熱井632具有向F延伸到地層610并在其中完井的井筒634。在 圖6布置中的每個(gè)井筒634基本上是垂直的。然而，本發(fā)明不受加熱 井632完井或布置的特性限制。優(yōu)選地，加熱井632被設(shè)計(jì)以在選定溫度下向地層610提 供電阻熱。 一方面，熱解的汕頁(yè)巖地層610在加熱后將具有IO毫達(dá)西 以......h的平均滲透性。加熱井632可相對(duì)近的定位，分開10英尺至高達(dá)
300英尺。可選地，井筒可以被隔開20至200英尺或者30至100英尺。加熱井632的行之間散布的是生產(chǎn)636。每個(gè)生產(chǎn)井636 也具有向下延伸到地層610并在其中完井的井筒638。圖6布置中的每 個(gè)生產(chǎn)井筒636也基本上是垂直的。然而，本發(fā)明不受生產(chǎn)井636完
井或布置的特性限制?？梢钥闯?，加熱井632和生產(chǎn)井636以重復(fù)的5點(diǎn)布井進(jìn) 行布置。該布井以630表示。5點(diǎn)布井僅僅是例證性的；加熱井632 到生產(chǎn)井636的相對(duì)布置可以以任何其它的布井方式，包括任何其它 的多邊形布井諸如3點(diǎn)布井或7點(diǎn)布井(未顯示)。應(yīng)當(dāng)注意，采用加熱井632加熱油頁(yè)巖地層610的方法也 改變了地層610的滲透性。通過(guò)加熱油頁(yè)巖以及將千酪根轉(zhuǎn)化成油和 氣，滲透性通過(guò)將千酪根逐漸轉(zhuǎn)變成流體而增加。熱解的烴流體在地 層610中遷移到生產(chǎn)井636的井筒638。
在圖6的開發(fā)區(qū)域600中，另一烴源位于油頁(yè)巖地層下面。 更深的源以620表示，并且位于第二深度"d2"處。深度"d2"又是通 過(guò)地表602與更深的源620頂部之間的距離測(cè)量的。在一些實(shí)施方式 中，目標(biāo)為開采的更深的源620位于地表F 3，000英尺以上的深度處。 在可選實(shí)施方式|:f'，更深的資源620位于地表602下面5,000、 7,500 或10,000英尺以......匕的深度處。更深的烴源620可包括更深的油頁(yè)巖地層?？蛇x地，更深 的源620可以是"致密氣"地層。仍然是可選地，更深的烴源可以是 "煤層甲烷"地層。仍然是進(jìn)--步地，更深的源620可以是更常見的 油和氣源。為了評(píng)估更深的烴源620，提供多個(gè)更深的生產(chǎn)井642。每 個(gè)更深的生產(chǎn)井642具有在更深的源620中完井的井筒644。在這種情 況中，至少一些井筒644是偏離的。以這種方式，完井延伸到更深的 源620的不同部分。 —個(gè)或多個(gè)襯墊605被保留在井網(wǎng)630中。襯墊605代表 地表602中沒(méi)有加熱井632的區(qū)域。襯墊605進(jìn)--步代表基本...t:未加 熱的巖石支柱，其向下延伸到油頁(yè)巖(或更淺的)地層610。在這方面， 井襯墊605的地表位置可以進(jìn)行選擇以與留下未處理的油頁(yè)巖地層 610部分相符，從而充當(dāng)支撐—匕覆巖層的支柱，而處理的油頁(yè)巖應(yīng)當(dāng)失 去了其機(jī)械完整性。支柱代表未加熱的區(qū)帶607。在圖6的圖中，顯示了三個(gè)井襯墊605。井襯墊605被設(shè) 定尺寸以允許 個(gè)至20個(gè)要鉆到更深的烴源620的更深的生產(chǎn)井642。 在一種實(shí)施方式中，2英畝間距的高達(dá)IO個(gè)鉆井位置(未顯示)被提 供在襯墊605 ....t:。在加熱井632和襯墊605之間期望有一些距離。
方面， 50英尺的間距被提供在襯墊605和最近的加熱井632之問(wèn)。另一方面， 100英尺、或150英尺或200英尺的間距被提供在襯墊605和最近的加 熱井632之間。該間距應(yīng)當(dāng)足以防止更深的生產(chǎn)井642的井筒644暴 露于大約300。F以上的溫度。在井開發(fā)區(qū)域600 '=f'，襯墊605位于開發(fā)區(qū)域600內(nèi)部。 然而，在可選的實(shí)施方式中，襯墊也可以沿著開發(fā)區(qū)域的周邊。
圖7是在這樣的可選實(shí)施方式中烴開發(fā)區(qū)域700的平面圖。 這里，提供多個(gè)襯墊705。襯墊705位于地球表面702上。每個(gè)襯墊 705具有至少一個(gè)更深的生產(chǎn)井742。更深的生產(chǎn)井742向下延伸至更 深的源，諸如圖6中所示的源620。 一些襯墊705被置于開發(fā)區(qū)域700 內(nèi)。定位在這種襯墊705 ......匕的更深的生產(chǎn)井742優(yōu)選地是垂直的。然
而，-- 些襯墊705被置亍開發(fā)區(qū)域705的周邊....匕在那種情況中，更
深的生產(chǎn)井742可以是偏離的并且被完井用于開發(fā)區(qū)域700內(nèi) 位置 上的生產(chǎn)。在例證性的開發(fā)區(qū)域700中，用于將井鉆到更深的源的井 襯墊705約為850英尺乘350英尺。如果更深的源在約20英畝間距處 被開發(fā)，那么21 口井將從每個(gè)墊705中被鉆出。開發(fā)區(qū)域700也是用于從更淺的地層(諸如圖6的油頁(yè)巖 地層610)生產(chǎn)烴的目的。對(duì)于該操作，提供了多個(gè)加熱井7]0。加熱 井710諸如通過(guò)電阻熱加熱地層，以便熱解富含有機(jī)物巖石。以這種 方式，烴流體被產(chǎn)生以回收。為了生產(chǎn)烴流體，形成了多個(gè)生產(chǎn)井。生產(chǎn)井以720顯示。 在例證性開發(fā)區(qū)域布置700中，加熱井710與生產(chǎn)井720的比值為6: 1 。 然而，任何比例可被用于本文的方法。同一區(qū)域中頁(yè)巖油源和天然氣源的同時(shí)開發(fā)可協(xié)作地利用 某些設(shè)備和后勤運(yùn)作。例如，氣體處理可以在單個(gè)工j 進(jìn)行。同樣， 職員可以開發(fā)中共享。仍是進(jìn)一步，開發(fā)區(qū)域700內(nèi)襯墊705的放置 有助于防止從地表702的F沉。更深的烴源應(yīng)當(dāng)進(jìn)行開發(fā)，而不留下 比減緩下沉所必需的任何更多的未處理油頁(yè)巖。圖8提供在仍然另外的布置中例證性烴開發(fā)區(qū)域800的透 視圖。這里，地表區(qū)域以802顯示。地表802下面是油頁(yè)巖地層810。 油頁(yè)巖地層810可表示相互靠近的多個(gè)區(qū)。油頁(yè)巖地層810下面是更 深的烴源820。為了將油頁(yè)巖熱解成烴流體，提供了多個(gè)加熱井832。例 證性的加熱井832水平地在油頁(yè)巖地層810中完井。兩個(gè)例證性的水 平井筒以虛線顯示在834。加熱井832被提供以在油頁(yè)巖地層810內(nèi)產(chǎn) 生熱解的烴流體。
在開發(fā)區(qū)域800的地表802 .匕還可以看見的是各個(gè)襯墊 805。襯墊805包含用于從更深的烴源820生產(chǎn)烴的更深的生產(chǎn)井842。 每個(gè)更深的生產(chǎn)井842具有相應(yīng)的井筒844?？梢钥闯觯?44是偏 離的，以便從油頁(yè)巖地層810 F面的不同位置生產(chǎn)烴。最重要地，更 深的生產(chǎn)井842的井筒844被安排以避免從加熱井832的井筒834產(chǎn) 生的熱。從—..t面的描述和例證中，可以看出提供了從不同深度處的 地下地層中生產(chǎn)烴的方法。 一方面，該方法包括在第一深度d,處的地 F地層(諸如地層610)內(nèi)原位加熱富含有機(jī)物巖石的步驟。加熱步驟 的結(jié)果是地層610內(nèi)至少一部分富含有機(jī)物巖石被熱解成烴流體。優(yōu) 選地，第一深度山的地層610的富含有機(jī)物巖石是油頁(yè)巖。該方法還包括在第一深度dj的地F地層610內(nèi)提供至少-- 個(gè)基本上未加熱的區(qū)段(如區(qū)域607)。以這種方式，剩下該區(qū)域607 內(nèi)的富含有機(jī)物巖石基本上未被熱解。該方法進(jìn)一步包括穿過(guò)未加熱 的區(qū)域607鉆出至少一個(gè)更深的生產(chǎn)井(如井642)，以及在比第一深 度d,更深的第二深度d2處的地下地層(如地層620)中完成所述至少 一個(gè)更深的生產(chǎn)井642。此后，烴流體通過(guò)所述至少一個(gè)更深的生產(chǎn)井 642采出。在--種實(shí)施方式中，加熱第一深度山處的地F地層610的 步驟包括完成多個(gè)加熱井(如加熱井632),其被設(shè)計(jì)以原位加熱富含有 機(jī)物巖石。加熱井632可以是電阻加熱井。可選地，加熱井632可以 被設(shè)計(jì)以循環(huán)加熱的流體，以便通過(guò)熱對(duì)流加熱周圍地層?？蛇x地， 加熱井632可提供井下燃燒。無(wú)論該方法如何，加熱第一深度山處的 地下地層610的步驟優(yōu)選地導(dǎo)致至少一部分富含有機(jī)物巖石地層610 達(dá)到300"C或更高的溫度。從所述至少一個(gè)更深的生產(chǎn)井642生產(chǎn)的烴流體可包括天 然氣。這類天然氣的實(shí)例是甲烷。 一方面，該方法進(jìn)一步包括使用從 所述至少一個(gè)生產(chǎn)井642生產(chǎn)的天然氣進(jìn)行至少部分發(fā)電的步驟。一 方面，所述電被用于給加熱井632提供電源，其中加熱井632是電阻 加熱井。
在本發(fā)明的--種實(shí)施方式中，所述至少 一個(gè)更深的生產(chǎn)井
642包括穿過(guò)未加熱的區(qū)域607鉆出的多個(gè)生產(chǎn)井。更深的生產(chǎn)井642 可以從相對(duì)于開發(fā)區(qū)域(例如區(qū)域600)的多個(gè)位置鉆出。例如，生產(chǎn) 井642可以從未加熱區(qū)域607正上方的地表區(qū)域或襯墊605中鉆出。 在這種情況中，至少一些生產(chǎn)井642可以在第一深度d,下面偏離，并 且然后以至少10英畝的間距在第二深度d2的地下地層620中完成。另 一方面，生產(chǎn)井642可以從不是在未加熱區(qū)域正上方的地表區(qū)域602 中鉆出。例如，地表區(qū)域可以是在油頁(yè)巖開發(fā)區(qū)域600周邊上的襯墊 605。多個(gè)更深的生產(chǎn)井642中一些或全部是從地表602 ......匕共同
的位置中鉆出。例如，共同的位置可以是位于加熱區(qū)域......L:方的地表上
的地表井襯墊605。井襯墊605可具有小于100,000 ft2的表面積。襯墊 605可以位于未加熱區(qū)域的正上方，以便限定容納例如約3個(gè)至約10 個(gè)生產(chǎn)井的鉆井襯墊。多個(gè)生產(chǎn)井642中一些或全部可以是偏離的。 在這種情況中，偏離的生產(chǎn)井642可以在比加熱的油頁(yè)巖地層610的 最低深度更深的深度處基本偏離。無(wú)論生產(chǎn)井是否偏離，多個(gè)生產(chǎn)井 642中一些或全部可以在更深的地 F地層620中完成?？蛇x地，多個(gè)生 產(chǎn)井中一些或全部可以在第一深度d,下面不同的地下地層中完成。本公開內(nèi)容的方法可包括在第--深度dj的地下地層610的 富含有機(jī)物巖石中生產(chǎn)熱解的烴流體的另外步驟。在--種實(shí)施方式中， 從富含有機(jī)物巖石中生產(chǎn)熱解的烴流體與從比第一深度更深的地下地 層620中生產(chǎn)烴流體全部或部分地同吋發(fā)生。在可選的方面，通過(guò)所 述至少一個(gè)生產(chǎn)井642生產(chǎn)烴流體被中止，并且然后進(jìn)行加熱步驟以 便將未加熱區(qū)域607中的至少- 部分富含有機(jī)物巖石熱解成烴流體。在上述方法的 --.個(gè)方面，從在第二深度d2的所述至少- 個(gè) 生產(chǎn)井642生產(chǎn)的烴流體限定了包含甲烷和硫化氫的氣流。第一深度 山的地P地層610的富含有機(jī)物巖石可包括煤層。在這種情況中，該 方法可進(jìn)一步包括將氣流注入煤層的步驟，以便從氣流中去除至少一 部分硫化氫。這種方法可進(jìn)-步包括從煤層中生產(chǎn)氣。從第一深度620 生產(chǎn)的氣流還可包括二氧化碳。在這種情況中，該方法可進(jìn)一步包括 從氣流中去除至少一部分二氧化碳的步驟。
在..匕述方法的另一方面，從第二深度d2的至少一生產(chǎn)井642 中生產(chǎn)的烴流體包括硫化氫。第一深度山的地—F地層610的富含有機(jī) 物巖石還可包括煤層。在這種情況中，該方法進(jìn)一歩可以包括將來(lái)自 具有大部分硫化氫的烴流體的氣流注入煤層的步驟。仍然是進(jìn)一步地， 該方法可包括從煤層'=fJ生產(chǎn)富含甲垸的氣體。在一種實(shí)施方式中，該方法包括穿過(guò)未加熱區(qū)域607完成 至少一個(gè)冷卻井的步驟，以便防止未加熱區(qū)域607中的富含有機(jī)物巖 石熱解。冷卻井優(yōu)選地具有循環(huán)冷卻流體的井下管道裝置。冷卻流體 可使未加熱區(qū)域不達(dá)到超過(guò)25(TC，或者更優(yōu)選地125t:的溫度。開發(fā)區(qū)域600內(nèi)不在未加熱區(qū)域607內(nèi)的地表部分602推 理......匕是加熱區(qū)域。加熱區(qū)域與未加熱區(qū)域607的表面積比可以變化。
- 方面，至少一個(gè)基本....I:未加熱區(qū)域607占油頁(yè)巖開發(fā)區(qū)域的至多
50%?？蛇x地，至少一個(gè)基本上未加熱區(qū)域607占油頁(yè)巖開發(fā)區(qū)域的至 多20%，或者，仍然是可選地，占油頁(yè)巖開發(fā)區(qū)域的至多1.0%。在一 種實(shí)施方式中，至少一個(gè)基本上未加熱區(qū)域607包括多個(gè)未加熱區(qū)域， 其屮每- 個(gè)單獨(dú)地占油頁(yè)巖開發(fā)區(qū)域的至多20%。在該實(shí)施方式中， 多個(gè)未加熱區(qū)域可在油頁(yè)巖開發(fā)區(qū)域的加熱區(qū)域內(nèi)形成拼接物。此外， 穿過(guò)多個(gè)未加熱區(qū)域607鉆出至少一個(gè)生產(chǎn)井的步驟可包括在地表 602 .....t選擇與基本上未加熱區(qū)域地.F對(duì)應(yīng)的襯墊605。加熱后冷卻加熱區(qū)域可以是期望的。因此，在一種實(shí)施方 式屮該方法進(jìn)一步包括將水注射到第一深度山處的地下地層610和/或 比第一深度d,更深的地下地層620的一個(gè)或多個(gè)中，從而冷卻至少一 部分加熱區(qū)域。在一種特別優(yōu)選的實(shí)施方式中，未加熱區(qū)域607充當(dāng)防止 地下沉的支柱。在該實(shí)施方式中，多個(gè)未加熱區(qū)域可以在油頁(yè)巖開發(fā) 區(qū)域(如區(qū)域600)的加熱區(qū)域內(nèi)形成拼接物。在第一深度d,的地下 地層610內(nèi)選擇基本上未加熱區(qū)域的襯墊605的步驟可包括確定在油 頁(yè)巖開發(fā)內(nèi)區(qū)域600內(nèi)防止地下沉所需的未加熱區(qū)域607的最小數(shù)量。各種順序可被用于從不同深度處的地下地層生產(chǎn)烴的方 法。 一方面，穿過(guò)未加熱區(qū)域607鉆出地少 -、個(gè)生產(chǎn)井642的步驟發(fā) 生在加熱位于第一深度山處的地下地層610內(nèi)的富含有機(jī)物巖石的步驟之前。另一方面，穿過(guò)未加熱區(qū)域607鉆出至少-一個(gè)生產(chǎn)井642的 步驟發(fā)生在第一次加熱位于第---深度d,處的地—F地層610內(nèi)的富含有 機(jī)物巖石的第1周至第26周期間。在仍然另一方面，穿過(guò)未加熱區(qū)域 607鉆出至少一個(gè)生產(chǎn)井642的步驟發(fā)生在第一深度d,處的地下地層 610內(nèi)富含有機(jī)物巖石中至少一部分已經(jīng)被加熱到至少IO(TC之后。圖9圖解了地表設(shè)備970的- -種實(shí)施方式的示意圖，所述 地表設(shè)備970可被配置來(lái)處理采出液。采出液985可以通過(guò)如本文描 述的生產(chǎn)井971從地下地層984中生產(chǎn)。采出液985可包括通過(guò)本文 描述的任何方法生產(chǎn)的任何采出液。地下地層984可以是任何地F地 層，其包括，例如，包含諸如油頁(yè)巖、煤、或焦油砂中任何一種的富 含有機(jī)物巖石地層。生產(chǎn)方案可以涉及將采出液淬火972至300°F、 200。F或者 甚至100°F以下的溫度，在油分離器973中分離出可冷凝成分(即油 974和水975)，在氣體處理單元977中處理非冷凝成分976 (即氣) 以去除水978和硫種類979，在天然氣〗一 981中從氣體(例如丙烷和丁 烷)中去除較:墜的成分以形成要出售的液態(tài)石油氣(LPG) 980，并且 在電廠988從剩余的氣體983產(chǎn)生電能982。電能982可被用作通過(guò)本文描述的任何方法加熱地下地層 984的能源。例如，電能982可以在高壓例如132,000V下輸入變壓器 986，并且在被輸入到位于加熱井987"其位于地下地層984中—— 中的電阻加熱器元件之前逐步下降至更低的電壓例如6,600V。以這種 方式，加熱地F地層984所需能量的全部或部分可以從采出液985的 非冷凝成分976中產(chǎn)生。過(guò)量的氣體——如果有的話——可以被輸出 銷售。來(lái)自原位油頁(yè)巖生產(chǎn)的采出液包含多種可以在地表設(shè)備中 被分離的成分。采出液典型地包含水、非冷凝烴垸種類(例如甲烷、 乙烷、丙烷、正丁烷、異'] 烷)、非冷凝烴烯種類(例如乙烯、丙烯)、 由垸烴、烯烴、芳烴和多芳烴等組成的可冷凝烴種類以及C02、 CO、 H2、貼和麗3。在地表設(shè)備中，可冷凝成分可以通過(guò)降低溫度和/或增加壓 力從非冷凝成分中分離出來(lái)。溫度降低可以利用被周圍空氣或可利用的水冷卻的熱交換器實(shí)現(xiàn)。可選地，熱的采出液可以通過(guò)與先冷卻的 采出烴液熱交換進(jìn)行冷卻。壓力可以通過(guò)離心式或往復(fù)式壓縮機(jī)增加。 可選地，或者聯(lián)合地，擴(kuò)散器-膨脹器裝置可被用于從氣流冷凝出液體。 分離可以涉及冷卻和/或壓力變化的幾個(gè)階段。當(dāng)降低溫度或增加壓力時(shí)，除了可冷凝烴980夕卜，水可以 從氣體中滴出。液體水可以通過(guò)重力沉降器或離心分離器與冷凝的烴 分開。破乳劑可被用于促進(jìn)水分離。從生產(chǎn)的烴氣中去除C02以及其它所謂的酸氣(如H2S) 的方法包括使用化學(xué)反應(yīng)方法和物理溶劑方法。化學(xué)反應(yīng)方法-- 般包 括在高壓和/或低溫下使氣流接觸胺的水溶液。這使得酸氣種類與胺發(fā) 生化學(xué)反應(yīng)并且進(jìn)入到溶液中。通過(guò)升溫和/或降壓，化學(xué)反應(yīng)可以被 逆轉(zhuǎn)并且濃縮的酸氣流可以被回收?？蛇x的化學(xué)反應(yīng)方法涉及熱的碳 酸鹽溶液， 一般地碳酸鉀。熱的碳酸鹽溶液被再生，并且濃縮的酸^( 流通過(guò)使該溶液接觸氣流而回收。物理溶劑方法一般涉及在高壓和/或 低溫下使氣流接觸二元醇。類似于胺方法，降壓或升溫允許溶劑再生 以及酸氣回收。某種胺或二元醇可以在去除的酸氣種類上或多或少地 具有選擇性。任何這些方法的規(guī)模大小調(diào)整需要測(cè)定要循環(huán)的化學(xué)品 的量、循環(huán)速率、再生所需的能量輸入以及氣體化學(xué)品接觸設(shè)備的尺 寸和類型。接觸設(shè)備可包括填料塔或多級(jí)塔板逆流塔。這些方面中每 -方面的最優(yōu)尺寸調(diào)整高度取決于氣體從地層中生產(chǎn)的速率以及氣流 中酸氣的濃度。酸氣去除還可以通過(guò)使用蒸餾塔而實(shí)現(xiàn)。這種塔可包括中 間的冷凍段，其中允許冷凍的C02和H2S顆粒形成。冷凍的顆粒和液 體的混合物向下落下進(jìn)入汽提段，其中更輕的烴氣體在塔內(nèi)逸出并且 上升。精餾段可以被提供在塔的.....h端以進(jìn)一步促進(jìn)塔頂氣流的凈化。氣流的氫含量可以通過(guò)取出全部或部分氫或者通過(guò)去除全 部或部分非氫種類(例如C02、 CH4等)進(jìn)行調(diào)整。分離可以利用低溫 冷凝、變壓或變溫吸附、或選擇性擴(kuò)散膜實(shí)現(xiàn)。如果需要另外的氫， 氫可以借助通過(guò)典型的水汽轉(zhuǎn)換反應(yīng)重整甲烷而制得。
結(jié)論
上述的方法可具有優(yōu)點(diǎn)，其中涉及在科羅拉多州的Piceance 盆地中回收烴。 一些人已經(jīng)進(jìn)行了評(píng)估，在美國(guó)西部的一些油頁(yè)巖沉 積物中，每地表英畝可以回收高達(dá)1百萬(wàn)桶油。 一項(xiàng)研究已經(jīng)進(jìn)行了 評(píng)估，Piceance盆地的油頁(yè)巖地層的有蘇打石部分內(nèi)在某些地方的油頁(yè) 巖資源為四千億桶頁(yè)巖油?？偟膩?lái)說(shuō)，僅僅在Piceance盆地可存在高 達(dá)l萬(wàn)億桶頁(yè)巖油。本發(fā)明的某些特征就一組數(shù)值......t:限和一組數(shù)值一n艱進(jìn)行了
描述。應(yīng)當(dāng)理解，除非另外指明，通過(guò)這些極限值的任何組合形成的 范圍在本發(fā)明的范圍內(nèi)。盡管按照美國(guó)實(shí)踐， 一些從屬權(quán)利要求具有 單一從屬關(guān)系，但這種從屬權(quán)利要求中任一項(xiàng)的每個(gè)特征可以與從屬 于相同的一個(gè)或多個(gè)獨(dú)立權(quán)利要求的其它從屬權(quán)利要求中---項(xiàng)或多項(xiàng) 的每一個(gè)特征進(jìn)行組合。盡管顯然的是本文描述的發(fā)明進(jìn)行了完滿地計(jì)算以實(shí)現(xiàn)上 面提到的益處和優(yōu)點(diǎn)，但是應(yīng)當(dāng)理解的是本發(fā)明容許進(jìn)行修改、變化 和改變，而沒(méi)有脫離其精神。
權(quán)利要求
1.從不同深度處的地下地層生產(chǎn)烴的方法，包括在第一深度處的地下地層內(nèi)原位加熱富含有機(jī)物巖石，從而將至少一部分所述富含有機(jī)物巖石熱解成烴流體；在所述第一深度的所述地下地層內(nèi)提供至少一個(gè)基本上未被加熱的區(qū)域，從而使所述區(qū)域中的所述富含有機(jī)物巖石基本上未被熱解；穿過(guò)所述未被加熱的區(qū)域鉆出至少一個(gè)生產(chǎn)井，以及在比所述第一深度更深的第二深度處的地下地層中完成所述至少一個(gè)生產(chǎn)井；和通過(guò)所述至少一個(gè)生產(chǎn)井生產(chǎn)烴流體。
2. 權(quán)利要求1的方法，其中所述第一深度的所述地下地層的所述 富含有機(jī)物巖石包含固體烴。
3. 權(quán)利要求2的方法，其中所述第一深度的所述地下地層的所述 富含有機(jī)物巖石是油頁(yè)巖。
4. 權(quán)利要求3的方法，其中所述加熱所述第一深度處的所述地下 地層的步驟包括完成被設(shè)計(jì)來(lái)原位加熱所述富含有機(jī)物巖石的多個(gè)加 熱井。
5. 權(quán)利要求3的方法，其中所述加熱井是電阻加熱井。
6. 權(quán)利要求3的方法，其中所述加熱所述第一深度處的所述地下 地層的步驟導(dǎo)致至少一部分所述富含有機(jī)物巖石地層達(dá)到30(TC或更咼的溫度。
7. 權(quán)利要求3的方法，其中從所述至少一個(gè)生產(chǎn)井生產(chǎn)的所述烴 流體包括天然氣。
8. 權(quán)利要求7的方法，進(jìn)一步包括下列步驟 使用從所述至少一個(gè)生產(chǎn)井生產(chǎn)的所述天然氣至少部分發(fā)電。
9. 權(quán)利要求8的方法，其中 所述加熱井是電阻加熱井；以及 所述電被用在所述加熱井的操作中。
10. 權(quán)利要求3的方法，其中所述至少一個(gè)生產(chǎn)井包括穿過(guò)所述未 加熱區(qū)域鉆出的多個(gè)生產(chǎn)井。
11. 權(quán)利要求10的方法，其中所述多個(gè)生產(chǎn)井是從所述未加熱區(qū) 域正上方的地表區(qū)域鉆出的。
12. 權(quán)利要求11的方法，其中至少一些所述多個(gè)生產(chǎn)井在所述第 一深度的所述地下地層下面偏離，并且然后以至少IO英畝的間距在所 述第二深度的所述地下地層中完成。
13. 權(quán)利要求3的方法，其中所述至少一個(gè)生產(chǎn)井從不在所述未加 熱區(qū)域正上方的地表區(qū)域鉆出。
14. 權(quán)利要求13的方法，其中所述地表區(qū)域位于油頁(yè)巖開發(fā)區(qū)域 的周邊，該油頁(yè)巖開發(fā)區(qū)域包括用于加熱所述第一深度處的所述地下 地層的多個(gè)加熱井。
15. 權(quán)利要求3的方法，其中從所述富含有機(jī)物巖石中生產(chǎn)熱解的 烴流體與從比所述第一深度更深的所述地下地層中生產(chǎn)烴流體全部或 部分地同時(shí)發(fā)生。
16. 權(quán)利要求3的方法，進(jìn)一步包括下列步驟 中止通過(guò)所述至少一個(gè)生產(chǎn)井生產(chǎn)烴流體；和 在所述第一深度處的所述地下地層的所述未加熱區(qū)域內(nèi)，原位加熱所述富含有機(jī)物巖石，從而將所述未加熱區(qū)域中的至少一部分所述 富含有機(jī)物巖石熱解成烴流體。
17. 權(quán)利要求3的方法，進(jìn)一步包括下列步驟開采出在所述第一深度的所述地下地層的所述富含有機(jī)物巖石中 熱解的烴流體。
18. 權(quán)利要求2的方法，其中從所述第二深度處的所述至少.一個(gè)生產(chǎn)井中生產(chǎn)的烴流體限定了 包括甲烷和硫化氫的氣流；所述第一深度的所述地.F地層的所述富含有機(jī)物巖石包括煤層；并且所述方法進(jìn)一步包括將所述地——F地層氣流注入所述煤層，以便從 所述氣流中去除至少一部分所述硫化氫。
19. 權(quán)利要求18的方法，進(jìn)一步包括 從所述煤層中生產(chǎn)富含甲烷的氣體。
20. 權(quán)利要求3的方法，進(jìn)一步包括穿過(guò)所述未加熱區(qū)域完成至少一個(gè)冷卻井，以便防止所述未加熱 區(qū)域中所述富含有機(jī)物巖石的熱解。
21. 權(quán)利要求20的方法，其中所述至少一個(gè)冷卻井包括用于循環(huán) 冷卻流體的井下管道裝置。
22. 權(quán)利要求21的方法，其中所述冷卻流體在循環(huán)前在地表已經(jīng) 被冷卻。
23. 權(quán)利要求3的方法，其中所述未加熱區(qū)域達(dá)到25(TC以下的最 大平均溫度。
24. 權(quán)利要求3的方法，其中所述至少一個(gè)基本......匕未加熱區(qū)域占油頁(yè)巖開發(fā)區(qū)域的至多50%。
25. 權(quán)利要求24的方法，其中所述至少一個(gè)基本上未加熱區(qū)域包括多個(gè)未加熱區(qū)域，其中每一 個(gè)單獨(dú)地占所述油頁(yè)巖開發(fā)區(qū)域的至多20%;并且所述未加熱區(qū)域充當(dāng)防止地下沉的支柱。
全文摘要
首先提供的是從不同深度處的地下地層生產(chǎn)烴的方法。一方面，該方法包括在第一深度處的地下地層內(nèi)原位加熱富含有機(jī)物巖石的步驟。加熱步驟的結(jié)果是至少一部分富含有機(jī)物巖石被熱解成烴流體。優(yōu)選地，第一深度的地下地層的富含有機(jī)物巖石是油頁(yè)巖。該方法還包括在第一深度的地層內(nèi)提供至少一個(gè)基本上未被加熱的區(qū)域。以這種方式，使得那個(gè)區(qū)域中的富含有機(jī)物巖石基本上未被熱解。該方法進(jìn)一步包括穿過(guò)該未被加熱的區(qū)域鉆出至少一個(gè)生產(chǎn)井，以及在比第一深度更深的第二深度處的地下地層中完成所述至少一個(gè)生產(chǎn)井。
文檔編號(hào)E21B43/24GK101563524SQ200780038078
公開日2009年10月21日 申請(qǐng)日期2007年10月10日 優(yōu)先權(quán)日2006年10月13日
發(fā)明者J·D·耶克爾, M·M·托馬斯, R·D·卡敏斯克, S·R·克勞恩, W·A·西明戈頓 申請(qǐng)人:?？松梨谏嫌窝芯抗?br>