通過原位加熱生產頁巖油後的水處理的製作方法

2023-06-07 20:25:21

專利名稱：通過原位加熱生產頁巖油後的水處理的製作方法
技術領域：
本說明書涉及從地下地層採收烴的領域。更具體地，本發明涉及從富含有機物巖層原位採收烴流體，所述巖層包括例如油頁巖地層、煤地層和浙青砂地層。本說明書還涉及在通過原位加熱生產頁巖油之後處理用於衝洗雜質層(formation of impurity)的水的方法。技術討論已知某些地質地層包含被稱為「乾酪根(kerogen) 」的有機物。乾酪根是固體含碳物質。當乾酪根被嵌在巖層中時，該混合物被稱為油頁巖。事實是不管該礦物質在技術上實際上是不是頁巖，它都是由緻密粘土形成的巖石。乾酪根暴露於熱一段時間後經歷分解。加熱後，乾酪根在分子水平上分解以產生油、氣和含碳焦炭。還可以產生少量的水。油、氣和水流體在該巖石基體內是流動的，而含碳焦炭保持基本上不動。在世界範圍內的各個地區包括美國都發現了油頁巖地層。這種地層顯著地在懷俄明州、科羅拉多州和猶他州發現。油頁巖地層往往位於相對淺的深度並且通常的特徵在於有限的滲透性。一些人認為油頁巖地層是這樣的烴沉積物，其還沒有經歷認為是形成常規油和氣儲量所需的多年熱和壓力。乾酪根分解產生流動烴的速率依賴於溫度。在許多歲月的期間一般超過 2700C (518 T)的溫度對於實質性轉化來說可能是必需的。在更高的溫度下實質性轉化可以在更短的時間內發生。當乾酪根被加熱至必要的溫度時，化學反應將形成固體乾酪根的較大分子斷裂成較小的油和氣分子。熱轉化工藝被稱為熱解或乾餾。從油頁巖地層提取油已經嘗試了許多年。近地表油頁巖在地表被開採並乾餾已經一個多世紀。在1862年，James Young開始加工蘇格蘭油頁巖。該工業持續了大約100年。 商業上通過地表開採的油頁巖乾餾也已經在其它國家進行。這樣的國家包括澳大利亞、巴西、中國、愛沙尼亞、法國、俄國、南非、西班牙、約旦和瑞典。然而，因為它證實是不經濟的或者由於枯竭頁巖處理上的環境限制，該實踐在最近幾年已經大部分停止。(參見T. F. Yen和 G. V. Chilingarian, "Oil Shale, 」 Amsterdam，Elsevier, p.四2，其全部公開內容通過引用方式並如本文。)此外，地表乾餾需要開採油頁巖，這限於對非常淺地層的具體應用。在美國，自從20世紀OO年代早期就已經知道在西北的科羅拉多州存在油頁巖沉積物。儘管時不時在該地區開展研究項目，但是還沒有進行真正的商業開發。大部分對油頁巖生產的研究在20世紀OO年代後期進行。該研究主要是針對頁巖油地質學、地球化學以及在地表設施中的乾餾。在1947年，美國專利號2，732，195授予Ljungstrom0該發明名稱為『『Method of Treating Oil Shale and Recovery of Oil and Other Mineral Products Therefrom(處理油頁巖的方法以及從中回收油和其它礦物產品)」的專利提議在高溫下將熱原位應用於油頁巖地層。這樣原位加熱的目的是將烴蒸餾和開採至地表。該'195 Ljimgstrom專利通過引用併入本文。Ljungstrom杜撰了短語「熱供給通道(heat supply channels) 」以描述鑽到地層中的井筒。該井筒接收將熱傳遞到周圍油頁巖的電熱導體。因此，熱供給通道充當熱注入井。熱注入井中的電熱元件被放在砂或水泥或其它導熱材料內，以允許熱注入井將熱傳送到周圍的油頁巖中，同時防止流體的流入。根據Ljimgstrom，在某些應用中，該「集合體 (aggregate) 」被加熱至 500°C與 1，000°C之間。與熱注入井一起，流體生產井在熱注入井附近完井。將熱導入巖石基體中後，乾酪根被熱解，產生的油和氣將通過鄰近的生產井被回收。Ljungstrom通過Swedish Shale Oil Company實施了他的從加熱井筒進行熱傳導的方法。完全規模的工廠被建立，其從1944年運行至20世紀50年代。(參見 G. Salamonsson, "The Ljungstrom In Situ Method for Shale-Oil Recovery,，，2nd Oil Shale and Cannel Coal Conference, v. 2, Glasgow,Scotland,Institute of Petroleum, London, p.沈0_觀0 (1951)，其全部公開內容通過引用併入本文)。另外的原位方法已經被提出。這些方法一般涉及將熱和/或溶劑注入地下油頁巖地層中。熱可以為加熱的甲烷(參見J. L. Dougan的美國專利號3，241, 611)、煙道氣或過熱蒸汽(參見D. W. Peacock的美國專利號3，400，762)的形式。熱還可以為電阻加熱、電介體加熱、射頻(RF)加熱(美國專利號4，140，180，其被轉讓給位於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。在某些情況下，人工滲透性已經在該基巖中形成以有助於熱解流體的運動。滲透性產生方法包括挖掘、碎石化 (rubblization)、水力壓裂(參見 M. L. Slusser 的美國專利號 3，468，376 以及 J. V. Vogel 的美國專利號3，513，914)、爆炸壓裂(參見W. W. Hoover等的美國專利號1，422，204)、熱壓裂(參見R. W. Thomas的美國專利號3，284, 281)以及蒸汽壓裂(參見H. Purre的美國專利號 2，952，450)。在1989年，美國專利號4，886，118授予Shell Oil Company (殼牌石油公司)， 其全部公開內容通過引用併入本文。該名稱為「Conductively Heating a Subterranean Oil Shal e to Create Permeability and Subsequently Produce Oil (傳導性力口熱地下油頁巖以產生滲透性以及隨後生產油)」的專利聲明「[(Contrary to the implications of···prior teachings and beliefs···the presently described conductive heatingprocess is economically feasible for use even in a substantially impermeable subterranean oil shale.(與…在先的教導和看法的暗示相反…目前描述的傳導加熱工藝對於甚至在基本上不可滲透的地下油頁巖中的應用來說是經濟上可行的。)」(第6欄， 第50-M行)。儘管有該聲明，但應當注意，除了 Ljimgstrom的申請外，幾乎沒有——如果有的話——出現商業性原位頁巖油生產。該'118專利提出控制每個熱注入井周圍的巖石內的熱傳導速率以提供均勻的熱前緣。如上指出，已經考慮電阻加熱技術用於地下地層。F. S. Chute and F. Ε. Vermeulen,Present and Potential Applications of Electromagnetic Heating in the In Situ Recovery of 0il(電磁加熱在原位開採油中的當前和可能的應用)，AOSTRA J. Res.，v. 4, p. 19-33(1988)描述重油控制器(heavy-oil pilot)檢驗，其中使用"電預熱(electric preheat)「在兩個井之間流動電流，以降低粘度，並在井之間產生通信信道， 用以跟著蒸汽驅隨動。已經公開在疊加傳導壓裂或同一井中電極之間運用交流電或射頻電能，以便加熱地下巖層。參見美國專利號3，149，672，其名稱為「Method and Apparatus for Electrical Heating of Oil-Bearing Formations (電加熱含油地層的方法和設備)」; 美國專利號 3，620，300，其名稱為 「Method and Apparatus for Electrically Heating a Subsurface Formation(電加熱地下地層的方法和設備)」；美國專利號4，401，162，其名稱為「In Situ Oil Shale Process (原位油頁巖方法)」；和美國專利號4，705，108，其名稱為「Method for In Situ Heating of Hydrocarbonaceous Formations (原位力口熱含經地層的方法)」。美國專利號 3，642，066，其名稱為 「Electrical Method and Apparatus for the Recovery of Oil (用於回收油的電學方法和裝置)」，提供了通過在不同的井之間運用交流電在地下巖層中電阻加熱的描述。其他已經描述在井筒內產生有效電極的方法。參見美國專利號 4，567，945，其名稱為 「Electrode Well Method and Apparatus (電極井方法和設備)」；和美國專利號 5，620，049，其名稱為「Method for Increasing the Production of Petroleum From a Subterranean Formation Penetrated bv a Wellbore (增力口從井筒穿過的地下巖層開採汽油的方法)」。美國專利號3，137，347，其名稱為「In Situ Electrolinking of Oil Siale (油頁巖的原位電連接)」，描述了一種方法，通過該方法，電流被流過連接兩個井的壓裂，以得到在周圍地層的體相(bulk)中開始的電流動。主要由於地層的體電阻發生地層加熱。油頁巖乾餾和頁巖油回收的另外歷史可以在名稱為「Methods of Treating a Subterranean Formation to Convert Organic Matter into Producible Hydrocarbons (處理地下地層以將有機物轉化成可採出烴的方法)」的共有美國專利號 7, 331,385中找到。該專利的背景和技術公開內容通過引用併入本文。不管使用的原位加熱方法如何，熱解方法可以產生殘留的汙染物。當乾酪根被原位轉化成烴流體時，也可以產生許多潛在的汙染物——有機的和無機的。期望通過枯竭頁巖除去這樣的汙染物以防止這樣的汙染物移入含水層中。存在的需求是生產頁巖油的改良方法。此外，存在的需求是，通過枯竭頁巖除去汙染物的改良方法。仍進一步，存在的需求是，處理循環通過含有枯竭頁巖的地下地層的水的方法，以便除去揮發性有機化合物和其它汙染物。概述
在一個一般方面，用於從開發區中的地下地層採收烴的方法包括使用原位熱將熱施加至地下地層以便將地層烴熱解為烴流體。從一個或多個烴生產井生產烴流體。從注入泵將水泵入一個或多個注水井。使水從一個或多個注水井循環通過地下地層，進入一個或多個出水井，並上至開發區地表處的水處理設備。在水處理設備處處理水以便(i)充分地從水中分離出烴。水處理設備也被配置為(ii)充分地從水和/或一個或多個其它水處理過程除去有機物質。該方面的實施可以包括一個或多個以下特徵。例如，水處理設備也可以被配置為完成以下的一個或多個(iii)充分減小水的硬度和鹼度，(iv)充分地從水中除去溶解的無機固體和/或(ν)充分地從水中除去懸浮的固體，由此提供處理過的水。水處理設備可以被配置為在水處理設備處處理水以便(i)充分地從水中分離出烴，( )充分地從水中除去有機物質，(iii)充分地減小水的硬度和鹼度，(iv)充分地從水中除去溶解的無機固體， 和(ν)充分地從水中除去懸浮的固體。在水處理設備處處理水可以包括充分地從水中除去有機物質、充分地減小水的硬度和鹼度、充分地從水中除去溶解的無機固體和/或充分地從水中除去懸浮的固體中的一種或多種。在水處理設備處處理水以提供處理過的水可以包括以下中的兩種、三種、四種或多種(i)充分地從水中分離出烴，(ii)充分地從水中除去有機物質，(iii)充分地減小水的硬度和鹼度，(iv)充分地從水中除去溶解的無機固體，和 (ν)充分地從水中除去懸浮的固體。水被處理後可以測試水。地層烴可以包括固體烴，例如油頁巖。可以使用電阻加熱如井筒加熱器或在適當位置例如導電的壓裂處形成的熱源來加熱地下地層。水處理設備可以包括一個或多個加氣浮選分離器，處理水以便充分地從水中分離出烴可以包括使水通過一個或多個加氣浮選分離器。處理水以便充分地從水除去懸浮的固體可以包括使水部分地通過一個或多個加氣浮選分離器。水處理設備可以包括一個或多個多孔介質過濾器，處理水以便充分地從水除去懸浮的固體可以包括使水通過一個或多個多孔介質過濾器。水處理設備可以包括一個或多個重力沉降器、一個或多個離心分離器和/或其組合，處理水以便充分地從水中分離出烴可以包括使水通過一個或多個重力沉降器、一個或多個離心分離器和/或其組合。水處理設備可以包括一個或多個生物氧化反應器，處理水以便充分地從水除去有機物質可以包括使水通過一個或多個生物氧化反應器。在水通過一個或多個加氣浮選分離器之後，水可以通過一個或多個生物氧化反應器。水處理設備可以包括一個或多個熱石灰軟化器，處理水以便充分地減小水的硬度和鹼度可以包括使水通過一個或多個熱石灰軟化器。減小硬度可以包括充分地除去鈣離子和鎂離子。減小鹼度可以包括充分地除去碳酸鹽和碳酸氫鹽種類。水處理設備可以包括一個或多個反滲透過濾器，處理水以便充分地減小鹼度可以包括，在使水通過一個或多個熱石灰軟化器之後，使水通過一個或多個反滲透過濾器。在使水通過一個或多個加氣浮選分離器之後，可以使水通過一個或多個多孔介質過濾器。水處理設備可以包括一個或多個熱石灰軟化器和一個或多個反滲透過濾器，處理水以便充分地減小水的硬度和鹼度可以包括使水通過一個或多個熱石灰軟化器和一個或多個反滲透過濾器。在使水通過一個或多個生物氧化反應器之後，水可以通過一個或多個熱石灰軟化器和一個或多個反滲透過濾器。水處理設備可以包括一個或多個反滲透過濾器，處理水以便充分地從水中除去溶解的無機固體可以包括使水通過一個或多個反滲透過濾器。
處理過的水循環通過的一部分地下地層的孔體積可以被確定。處理過的水可以隨時間以一定體積從注入泵循環通過地下地層，所述一定體積表示所確定的孔體積的大約2 至6倍。在水被處理後可以測試水。測試處理過或部分處理過的水可以包括在至少兩孔體積的水已經循環通過地下地層之後測試所述水，以符合規定的地下水標準。例如，規定的地下水標準可以包括科羅拉多州環境監管機構的規定。在確定地下地層中的水已經滿足規定的地下水標準後，處理過的水的循環可以被中斷。在產生烴流體預先確定的時間段之後，並且在將水循環進入注水井之前，可以允許地下地層進行冷卻。多個烴生產井的一個或多個可以被轉換為一個或多個出水井。在另一個一般方面，在水處理設備處處理水的方法，所述水已經循環通過頁巖油開發區中的地下地層，並且所述地下地層包括由於地層烴的熱解已經枯竭的頁巖，所述方法包括在水處理設備處接收所述水。在水處理設備處處理水以(i)充分地從水中分離出油，( )充分地從水中除去有機物質，(iii)充分地減小水的硬度和鹼度，(iv)充分地從水中除去溶解的無機固體，和/或(ν)充分地從水中除去懸浮的固體，由此提供處理過的水。 處理過的水被傳輸至泵並再注入地下地層以通過枯竭頁巖淋濾出汙染物。該方面的實施可以包括一個或多個以下特徵。例如，水可以在處理之後進行測試。 汙染物可以包括有機化合物、重金屬化合物和離子種類。有機化合物可以包括苯、甲苯、二甲苯、三甲基苯、蒽、萘、芘和/或其組合。重金屬汙染物可以包括砷、鉻、汞、硒、鉛、釩、鎳、 鋅和/或其組合。離子種類可以包括硫酸根、氯根、氟根和/或其組合。汙染物可以包括硼。 水處理設備可以包括一個或多個加氣浮選分離器。處理水以充分地從水中分離出油可以包括使水通過一個或多個加氣浮選分離器。處理水以充分地從水中除去懸浮的固體可以包括部分地使水通過一個或多個加氣浮選分離器。水處理設備可以包括一個或多個多孔介質過濾器，處理水以充分地從水中除去懸浮的固體可以包括使水通過一個或多個多孔介質過濾
器ο水處理設備可以包括一個或多個重力分離器。處理水以充分地從水中分離出油可以包括使水通過一個或多個重力分離器。水處理設備可以包括一個或多個生物氧化反應器。處理水以充分地從水中除去有機物質可以包括使水通過一個或多個生物氧化反應器。 處理水以充分地從水中除去有機物質可以包括使水通過包含活性炭、漂白土或兩者的吸附介質。在水通過一個或多個加氣浮選分離器之後，水可以通過一個或多個生物氧化反應器。 水處理設備可以包括一個或多個熱石灰軟化器。處理水以便充分地減小水的硬度和鹼度可以包括使水通過一個或多個熱石灰軟化器。水處理設備可以包括一個或多個熱石灰軟化器。處理水以便充分地減小水的硬度和鹼度可以包括使水通過一個或多個熱石灰軟化器。 在使水通過一個或多個生物氧化反應器之後，水可以通過一個或多個熱石灰軟化器。除去硬度可以包括充分地除去鈣離子和鎂離子。除去鹼度可以包括充分地除去碳酸鹽和碳酸氫鹽種類。水處理設備可以包括一個或多個反滲透過濾器。處理水以便充分地除去鹼度可以包括，在使水通過一個或多個熱石灰軟化器之後，使水通過一個或多個反滲透過濾器。水處理設備可以包括一個或多個熱石灰軟化器和一個或多個反滲透過濾器。處理水以便充分地減小水的硬度和鹼度可以包括使水通過一個或多個熱石灰軟化器和一個或多個反滲透過濾器。在水通過一個或多個生物氧化反應器之後，水可以通過一個或多個熱石灰軟化器和一個或多個反滲透過濾器。水處理設備可以包括一個或多個反滲透過濾器。處理水以便充分地從水中除去溶解的無機固體可以包括使水通過一個或多個反滲透過濾器。在水通過一個或多個加氣浮選分離器之後，水可以通過一個或多個反滲透過濾器。水處理設備可以包括一個或多個多孔介質過濾器。處理水以便充分地從水中除去懸浮的固體可以包括使水通過一個或多個多孔介質過濾器。在水通過一個或多個加氣浮選分離器之後，水可以通過一個或多個多孔介質過濾器。處理過的水循環通過的一部分地下地層的孔體積被確定。從泵再注入處理過的水可以包括隨時間注入一定體積的處理過的水，所述一定體積表示所確定的孔體積的大約2至6倍。測試水可以包括測試水以符合規定的地下水標準。規定的地下水標準包括科羅拉多州環境監管機構的規定。在確定地下地層中的水已經滿足規定的地下水標準後，處理過的水的再注入可以被中斷。地層烴可以包括油頁巖或其它重烴如浙青砂。在另一個一般方面，從開發區的地下地層採收烴的系統可以包括至少一個原位熱源，其被配置為使用原位熱向地下地層施加熱以將地層烴熱解為烴流體。系統包括至少一個用於生產烴流體的烴生產井、至少一個注入泵和至少一個注水井。所述至少一個注入泵被配置為將水泵入所述至少一個注水井。系統包括在開發區地表的水處理設備。水處理設備與至少一個注入泵和至少一個注水井流動連通，所述流動連通允許水從一個或多個注水井循環通過地下地層，進入一個或多個出水井，並上至在開發區地表的水處理設備。水處理設備可以被配置為通過以下處理方法的兩種或更多種處理所述循環的水(i)充分地從水中分離出烴，( )充分地從水中除去有機物質，(iii)充分地減小水的硬度和鹼度，(iv)充分地從水中除去溶解的無機固體，和/或(ν)充分地從水中除去懸浮的固體。地層烴可以包括重烴如油頁巖或浙青砂。原位熱源可以包括一個或多個電阻熱源。提供了從開發區中的地下地層採收烴的方法。一方面，方法包括使用原位熱向地下地層施加熱以便將地層烴熱解為烴流體，然後從多個烴生產井生產烴流體持續期望的時間期間。優選地，地層烴包括固體烴。固體烴可以是例如油頁巖。在該情況下，開發區可以是頁巖油開發區。方法也可以包括從開發區地表處的注入泵將水循環並至一個或多個注水井中，並進一步將水循環通過地下地層，進入一個或多個出水井，並返回地表處的水處理設備。優選地，在期望的時間期間之後，水被循環進入注水井之前，地下地層允許被冷卻。方法也可以包括在水處理設備處處理水。處理水的目的是(i)充分地從水中分離出油，( )充分地從水中除去有機物質，(iii)充分地減小水的硬度和鹼度，(iv)充分地從水中除去溶解的無機固體，和(ν)充分地從水中除去懸浮的固體，由此提供處理過的水。一方面，水處理設備包括一個或多個加氣浮選分離器。此外，水處理設備可以包括一個或多個重力分離器。在這些情況下，處理水以充分地從水中分離出油包括使水通過一個或多個加氣浮選分離器以及任選地一個或多個重力分離器。另一方面，水處理設備包括一個或多個生物氧化反應器。在該情況下，處理水以充分地從水中除去有機物質可以包括使水通過一個或多個生物氧化反應器。優選地，在水通過一個或多個加氣浮選分離器之後，使水通過一個或多個生物氧化反應器。另一方面，水處理設備包括一個或多個熱石灰軟化器。在該情況下，處理水以充分地減小水的硬度和鹼度包括使水通過一個或多個熱石灰軟化器和一個或多個反滲透過濾器。優選地，在水通過一個或多個生物氧化反應器之後，使水通過一個或多個熱石灰軟化器和一個或多個反滲透過濾器。另一方面，水處理設備包括一個或多個固體過濾器如多孔介質過濾器。在該情況下，處理水以充分地從水中除去懸浮的固體可以包括使水通過一個或多個多孔介質過濾器。優選地，在水通過一個或多個熱石灰軟化器之後，使水通過一個或多個多孔介質過濾
ο方法也可以包括在處理水之後測試水。測試的目的是確定符合規定的地下水標準。例如，標準可以是美國科羅拉多州或另一個州的監管機構建立的環境標準。方法也可以包括以下步驟確定處理過的水循環通過的一部分地下地層的孔體積，然後從注入泵將處理過的水隨時間以一定體積循環通過地下地層，該一定體積表示所確定的孔體積的大約2至6倍。優選地，在至少兩孔體積的水已循環通過地下地層之後，測試水。本文也提供了在水處理設備處處理水的方法。一方面，水已被循環通過頁巖油開發區的地下地層。地下地層包括由於地層烴的熱解而已枯竭的頁巖。在一個實施方式中，方法包括在水處理設備處接收水，並在設備處處理水以便(i)充分地從水中分離出油，(ii) 充分地從水中除去有機物質，(iii)充分地減小水的硬度和鹼度，(iv)充分地從水中除去溶解的無機固體，和(ν)充分地從水中除去懸浮的固體。方法進一步包括將已在地表設備處處理過的水作為處理過的水傳輸至泵，並且將處理過的水再次注入地下地層以持續通過枯竭頁巖淋濾出遷移性汙染物種類。遷移性汙染物種類可以包括例如有機化合物。有機化合物可以包括苯、甲苯、二甲苯、三甲基苯、蒽、萘、芘、硼或其組合。可選地，或附加地，遷移性汙染物種類可以包括重金屬化合物。重金屬化合物可以包括例如砷、鉻、汞、硒、鉛、釩、鎳、鋅或其組合。可選地，或附加地，遷移性汙染物種類可以包括離子種類。離子種類可以包括硫酸根、氯根、氟根或改變地下地層中水的PH的其它物質。方法還可以包括確定處理過的水循環通過的一部分地下地層的孔體積。然後從泵再注入處理過的水的步驟可以包括隨時間注入一定體積的處理過的水，該一定體積表示所確定的孔體積的大約2至6倍。再注入的水通過出水井採出並返回水處理設備。方法也可以包括在處理後測試水。這可以意味著例如測試水以符合規定的地下水標準。規定的地下水標準可以是科羅拉多州或另一個州的環境監管機構的規定。然後方法可以包括，在確定地下地層中的水已經滿足規定的地下水標準後，中斷處理過的水的循環。附圖簡述為了能夠更好地理解本發明，在此附上一些圖、圖表、曲線圖和流程圖。然而，應當注意，這些圖僅僅圖解了本發明所選的實施方式並且因此不應當認為限制了範圍，因為本發明可以容許其它等效的實施方式和應用。

圖1是例證性烴開發區域的橫截面等距視圖。該地下區域包括限定地下地層的富含有機物巖石基體。圖2A-2B表示圖解了在一種實施方式中從富含有機物巖層原位熱回收油和氣的一般方法的統一流程圖。圖3是在地下水含水層內或連接到地下水含水層的例證性油頁巖地層以及地層淋濾操作的橫截面側視圖。
圖4提供例證性加熱井模式的平面圖。在各自的生產井周圍顯示的是兩層加熱井。圖5是一柱狀圖，其比較了在模擬的原位乾餾工藝前後的一噸Green River油頁
山。圖6是用於地下地層開發的示例性表面處理設備的工藝流程圖。圖7是流程圖，顯示在地層烴熱解後可以在來自水處理設備的、通過地下地層的循環水中進行的步驟。圖8A和8B —起呈現本發明一個實施方式中的水處理設備的示意圖。圖9是流程圖，其顯示在一個實施方式中可以在從開發區的地下地層中採收烴中進行的步驟。詳述定義如本文所用，術語「烴(一種或多種)」是指具有包含與氫結合的碳的分子結構的有機物。烴還可包括其它元素，例如但不限於滷素、金屬元素、氮、氧和/或硫。如本文所用，術語「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境條件(15°C以及1個大氣壓)下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、頁巖油、熱解油、熱解氣、煤的熱解產物以及其它處於氣態或液態的烴。如本文所用，術語「採出液(producedfluids) 」和「產出液(production fluids)」 是指從包括例如富含有機物巖層在內的地下地層移出的液體和/或氣體。採出液可以包括但不限於熱解頁巖油、合成氣、煤的熱解產物、二氧化碳、硫化氫和水(包括蒸汽)。採出液可以包括烴流體以及非烴流體。採出液可以包括烴流體以及非烴流體。如本文所用，術語「可冷凝烴」是指在25°C和一個大氣絕對壓強下冷凝的那些烴。 可冷凝烴可以包括碳數大於4的烴的混合物。如本文所用，術語「非冷凝烴」是指在25°C和一個大氣絕對壓強下不冷凝的那些烴。非冷凝烴可以包括碳數小於5的烴。如本文所用，術語「重烴Qieavy hydrocarbons) 」是指在環境條件(15°C以及1個大氣壓)下高粘性的烴流體。重烴可包括高粘性烴流體，諸如重油、焦油和/或浙青。重烴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於重烴中。重烴可按照API (美國石油學會)比重進行分類。重烴的API比重一般在約20度以下。例如，重油的API比重一般為約10-20度，而焦油的API比重一般在約10度以下。重烴的粘度在15°C 下一般大於約100釐泊。如本文所用，術語「固體烴」是指在地層條件下以基本固體形式天然發現的任何烴物質。非限制性實例包括乾酪根、煤、不純石墨、浙青巖和天然地蠟。如本文所用，術語「地層烴(formation hydrocarbons) 」是指在富含有機物巖層中包含的重烴和固體烴。地層烴可以是但不限於乾酪根、油頁巖、煤、浙青、焦油、天然地蠟和
浙青巖。如本文所用，術語「焦油」是指在15°C下粘度一般大於約10，000釐泊的粘性烴。 焦油的比重一般大於1.000。焦油的API比重可小於10度。「浙青砂(tar sands) 」指其中具有焦油的地層。如本文所用，術語「乾酪根」是指主要含有碳、氫、氮、氧和硫的固體不溶性烴。油頁巖含有乾酪根。如本文所用，術語「浙青」是指在二硫化碳中可充分溶解的非晶固體或粘性烴物質。如本文所用，術語「油」是指含有可冷凝烴混合物的烴流體。如本文所用，術語「地下(subsurface) 」是指出現在地球表面以下的地質層。如本文所用，術語「富含烴地層」是指任何含有痕量以上烴的地層。例如，富含烴地層可以包括以大於按體積計5%的水平含有烴的部分。位於富含烴地層中的烴可以包括例如油、天然氣、重烴和固體烴。如本文所用，術語「富含有機物巖石」是指任何擁有固體烴和/或重烴的巖石基體。巖石基體可包括但不限於沉積巖、頁巖、粉砂巖、砂、沉積石英巖、碳酸鹽和硅藻土。富含有機物巖石可包含乾酪根。如本文所用，術語「地層」是指任何有限的地下區域。該地層可包含任何地下地質地層的一個或多個含有烴的層、一個或多個不含烴的層、上覆巖層和/或下伏巖層。「上覆巖層」是目標地層上面的地質物質，而「下伏巖層，，是目標地層下面的地質物質。上覆巖層或下伏巖層可包括一個或多個不同類型的基本上不可滲透性物質。例如，上覆巖層和/或下伏巖層可包括巖石、頁巖、泥巖或溼/緊密碳酸鹽(即不含烴的不可滲透性碳酸鹽)。上覆巖層和/或下伏巖層可包括相對不可滲透的含烴層。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，術語「富含有機物巖層」是指任何含有富含有機物巖石的地層。富含有機物巖層包括，例如，油頁巖地層、煤地層和浙青砂地層。如本文所用，術語「熱解」是指通過施加熱將化學鍵斷裂。例如，熱解可包括僅通過熱或通過熱與氧化劑結合將化合物轉換成一種或多種其它物質。熱解可包括通過加入氫原子將化合物的性質改變，所述氫原子可以從分子氫、水、或二氧化碳中得到。熱可以被轉移到一部分地層以引起熱解。如本文所用，術語「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)、鹼灰(碳酸鈉)、片鈉鋁石(NaAl (CO3) (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，術語「地層水溶性礦物」是指在地層中天然發現的水溶性礦物。如本文所用，術語「遷移性汙染物種類(migratory contaminant species)」是指在水或含水流體中可溶或可移動的種類，並且被認為對人類健康或環境有潛在危害或有利害關係。遷移性汙染物種類可包括無機和有機汙染物。有機汙染物可包括飽和烴、芳烴和含氧烴。無機汙染物可包括各種類型的金屬汙染物和離子汙染物，其可顯著改變PH或地層流體化學。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、窟和芘。含氧烴可包括，例如醇、酮、酚和有機酸如羧酸。金屬汙染物可包括，例如， 砷、硼、鉻、鈷、鉬、汞、硒、鉛、釩、鎳、鋅、鋰、鐵和鍶。離子汙染物包括，例如，硫根(sulfide)、 硫酸根、氯根、氟根、氨、硝酸根、鈣、鎂和鉀。如本文所用，術語「下沉」是指地表相對於該地表的原始海拔向下移動。
如本文所用，術語層的「厚度」是指層橫截面的上下邊界之間的距離，其中該距離是與該橫截面的通常斜面垂直地測量的。如本文所用，術語「熱壓裂(thermal fracture) 」是指地層中所產生的壓裂，所述壓裂是通過一部分地層和/或地層內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於加熱通過增加/降低該地層和/或該地層內流體的溫度和/或通過增加/降低該地層內流體的壓強而引起的。熱壓裂可以傳播到比加熱區域冷很多的附近區域或者在該附近區域形成。如本文所用，術語「水力壓裂(hydraulic fracture) 」是指至少部分傳播到地層中的壓裂，其中所述壓裂是通過將加壓流體注射到地層中產生的。儘管使用術語「水力壓裂」， 但是本文的發明不限於在水力壓裂中使用。本發明適合在以任何方式產生的、本領域普通技術人員考慮適合的任何壓裂中使用。該壓裂可通過注入支撐劑材料人工地保持開放。水力壓裂可在方向上基本水平、在方向上基本垂直或者沿著任何其它平面定向。如本文所用，術語「井筒」是指在地下通過鑽孔或將管道插入到地下所製成的孔。 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、長方形、三角形、裂縫或其它規則或不規則形狀)。如本文所用，當提及地層中的開孔時，術語「井」可以與術語「井筒」交換使用。本發明連同某些具體實施方式
在本文被描述。然而，就下面的詳述具體到特定實施方式或特定應用來講，這意圖只是例證性的並且不應當解釋為限制本發明的範圍。如本文所討論，本發明的一些實施方式包括或具有與回收自然資源的原位方法相關的應用。自然資源可以從含有富含有機物巖石的地層包括例如油頁巖地層回收。富含有機物巖石可包括地層烴，其包括例如於酪根、煤和重烴。在本發明的一些實施方式中，自然資源可包括烴流體，其包括，例如，地層烴諸如頁巖油的熱解產物。在本發明的一些實施方式中，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Na2HCO3)、鹼灰 (碳酸鈉或Na2CO3)和片鈉鋁石(NaAl (CO3) (OH)2)。圖1呈現了例證性油頁巖開發區域10的透視圖。開發區域10的地表12被顯示。 地表12下面是各種地下地層20。地層20包括例如富含有機物巖層22和其下的不富含有機物巖層觀。圖解的富含有機物巖層22包含地層烴(諸如，例如乾酪根)以及可能有價值的水溶性礦物(諸如，例如蘇打石)。應當理解，代表性地層22可以是任意富含有機物巖層，例如，其包括含有煤或浙青砂的巖石基體。此外，構成地層22的巖石基體可以是滲透性的、半滲透性的或基本非滲透性的。本發明在最初具有非常有限的或實際上無流體滲透性的油頁巖開發區域是特別有利的。為了進入地層22以及從中回收自然資源，形成了多個井筒。首先，某些井筒14沿所示開發區域12的外周被示出。這些井筒14最初被設計用作加熱井。加熱井提供熱解富含有機物巖層22中的烴固體的熱。在熱解過程之後，外周井筒14可被轉換為注水井。選擇的注入井14用向下的箭頭「I」表示。圖解的井筒14以所謂的「行列驅」排列。然而，如連同圖4更充分討論的，可以提供各種其他的排列。本文公開的發明不限定於加熱井或注水井選擇的排列或方法。附加井筒16以開發區域10內部的14顯示。這些代表生產井。生產井的代表性井筒16相對於地表12在方向上基本上垂直。然而，應當理解，生產井的一些或全部井筒14 可以偏離成鈍角或甚至水平的方向。選擇的生產井16以向上的箭頭「P」表示。在圖1的排列中，每個井筒14、16在油頁巖地層22中完井。完井可以是裸眼井或下套管井。生產井井筒16的井完成還可包括從中發散的支撐或未支撐的水力壓裂。生產完成之後，這些內部井筒16的一些可以被轉換成出水井。在圖1的視圖中，對於注入井，只有八個井筒14被顯示，並且對於生產井，只有八個井筒16被顯示。然而，應當理解，在油頁巖開發項目中，許多附加的井筒14、16將被鑽出。生產井的井筒16可定位在相對近的鄰近，分開300英尺至低至10英尺。在一些實施方式中，提供15英尺或25英尺的井間隔。典型地，井筒16還可以在淺的深度處完井，其真實的垂直深度為200至5，000英尺。在一些實施方式中，以原位乾餾為目標的油頁巖地層在地表下大於200英尺的深度處，或可選地，在地表下大於400英尺的深度處。可選地，在 500和2500英尺之間的深度處發生轉化和生產。如所述，井筒14、16在被轉換為注水井和產油井和/或水溶性礦物溶液生產井之前，選擇用於某些初始功能。一方面，形成井筒14、16的尺寸以用於指定順序的兩個、三個或四個不同目的。適合的工具和設備可以順序地進入井筒14、16中和從井筒14、16中取出以用於各種目的。採出液處理設備60也在圖1中示意地顯示。處理設備60被安裝以通過一個或多個管線或流線18接受產生自富含有機物巖層22中的流體。流體處理設備60可包括適於接受和分離從加熱地層22產生的油、氣和水的設備。流體處理設備60可進一步包括這樣的設備，所述設備用於分離出溶解的水溶性礦物和/或遷移性汙染物種類。用於分離出組分和處理產生的水的設備將在以下結合圖6更充分地討論。為了回收油、氣和碳酸氫鈉(或其它水溶性礦物)，可以採取一系列步驟。圖2呈現了在一種實施方式中從富含有機物巖層原位熱回收油和氣的方法200的流程圖。應當理解，圖2中一些步驟的順序可以進行變化，並且該步驟順序僅僅用於說明。首先，鑑定油頁巖開發區域12。該步驟顯示在方框210中。油頁巖開發區域包括油頁巖(或其他富含有機物巖石)地層22。任選地，油頁巖地層22包含蘇打石或其它鈉礦物。油頁巖地層22內的目標開發區域12可以通過測量或模擬油頁巖的深度、厚度和有機物豐富度以及評價地層22相對於其它巖石類型的位置、結構特徵(例如斷層、背斜層或向斜層)或水文地質單元(即含水層)進行鑑別。這是通過從有效的測試和資源建立和解釋深度、厚度、有機物豐富度和其它數據的圖和/或模型實現的。這可包括進行地質學表面勘測、研究露頭、進行地震勘測和/或鑽井筒以從地下巖石獲得巖心樣品。在一些油田中，地層烴諸如油頁巖可以存在於一個以上的地下地層中。在一些情況中，富含有機物巖層可以被不含烴的巖層或者具有很少或沒有商業價值的巖層分開。因此，對於烴開發油田的經營者來說，可以期望分析將哪個地下富含有機物巖層作為目標或者它們應當以什麼順序進行開發。富含有機物巖層可以基於不同因素進行選擇以便開發。一個這樣的因素是地層內含烴層的厚度。較大的產油氣帶厚度可以表明更大潛在體積的烴流體生產。每個含烴層可具有這樣的厚度，所述厚度取決於例如該含地層烴層形成的條件而變化。因此，如果富含有機物巖層22包括至少一個厚度足以經濟生產烴流體的含地層烴層，那麼該地層將一般被選擇進行處理。如果緊密間隔在一起的幾個層的厚度足以進行採出液的經濟生產，那麼富含有機物巖層22也可以被選擇。例如，地層烴的原位轉化過程可包括選擇並處理厚度大於約5米、 10米、50米或者甚至100米的富含有機物巖層內的層。以這種方式，到富含有機物巖層上面和下面形成的層的熱損失(作為總注入熱的部分)可小於從一薄層地層烴的這種熱損失。一個或多個富含有機物巖層的豐富度也可以被考慮。對於油頁巖地層，豐富度通常是乾酪根含量的函數。油頁巖地層的乾酪根含量可以使用各種數據從露頭或巖心樣品確定。這樣的數據可以包括有機碳含量、含氫指數以及修正的Fischer試驗分析。Fischer試驗是這樣的標準方法，其涉及在一小時中將含地層烴層的樣品加熱至約500°C，收集從加熱樣品產生的流體，以及量化所產出的流體的量。豐富度可取決於諸多因素，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生比更厚、不太豐富的地層烴層明顯更有價值的烴。當然，從既厚又豐富的地層生產烴是期望的。地下地層滲透性也可以通過巖石樣品、露頭或地下水流的研究進行評估。此外，開發區域與地下水源的連通性可以進行評估。因此，富含有機物巖層可以基於地層基體的滲透性或孔隙度選擇以進行開發，即使地層的厚度相對薄。相反地，如果出現與含有地下水的地層流動連通的可能性，那麼富含有機物巖層可被放棄。石油工程師已知的其它因素可以在選擇開發地層時被考慮。這樣的因素包括發現的產油氣帶的深度、厚度的連續性和其它因素。例如，地層內被評估的流體生產含量也將影響最後的體積生產。其次，多個井筒14、16橫跨目標開發區10形成。該步驟示意地顯示在方框215中。 井筒14、16的目標在上面闡述並且不需要再重複。但是，應當注意，為了方框215的井筒地層步驟的目的，最初只有一部分井需要完成。例如，在項目開始時，熱注入井是需要的，而大部分烴生產井還不需要。生產井可以在一旦轉換開始後引入，例如在加熱4-12個月後。加熱富含有機物巖層的目的是熱解至少一部分固體地層烴以產生烴流體。固體地層烴可以通過將富含有機物巖層(或者地層內的區域)升高至熱解溫度而原位熱解。在某些實施方式中，地層溫度可以被緩慢升高至熱解溫度範圍。例如，原位轉化過程可包括加熱至少一部分富含有機物巖層以將該區域的平均溫度以小於每天選定量(例如大約10°c、 5°〇、31、11、0.51或0.1°0的速度升高至大約270°C以上。在進一步的實施方式中，該部分可以被加熱，從而選定區域的平均溫度可小於約375°C，或者在一些實施方式中，小於 400 0C (752 0F )。該地層可以被加熱，從而地層內的溫度(至少)達到初始熱解溫度，即熱解開始發生的溫度範圍下限處的溫度。熱解溫度範圍可以根據地層內地層烴的種類、加熱方法和熱源分布而變化。例如，熱解溫度範圍可包括約270°C與約900°C之間的溫度。可選地，地層目標區域的體相可以被加熱至300°C與600°C之間。在可選實施方式中，熱解溫度範圍可以包括約270°C與約500°C之間的溫度。應當理解，石油工程師將研究出井筒14、16最佳深度和安排的方案，這取決於預期儲層特性、經濟約束因素和工作進度安排約束因素。此外，工程人員將決定何種井筒14或16應當用於初始地層22加熱。該選擇步驟通過方框220表示。關於熱注入井，存在多種將熱施加到富含有機物巖層22的方法。本文公開的方法不限於所應用的加熱技術，除非在權利要求中明確地這樣指明。加熱步驟一般由方框225表不。富含有機物巖層22被加熱至足以熱解至少一部分油頁巖以便將乾酪根轉化成烴流體的溫度。轉化步驟在圖2中通過方框230表示。所形成的液體和烴氣可以被精製成類似普通商業石油產品的產品。這樣的液體產品包括運輸燃料諸如柴油機、噴氣機燃料和石腦油。產生的氣體包括輕烷烴、輕烯烴、H2, CO2, CO和NH3。油頁巖轉化成烴流體將在起初不可滲透的地層22中的巖石中增加滲透性。例如， 滲透性可由於通過施加熱引起的加熱部分內熱壓裂的形成而增加。隨著加熱部分的溫度增加，水可由於蒸發而被去除。蒸發的水可以溢出和/或從地層中去除。此外，加熱部分的滲透性也可以增加，這是在宏觀規模上由於加熱部分內至少一些地層烴的熱解而產生烴流體的結果。在一個實施方式中，富含有機物巖層在加熱該富含有機物巖層之前具有小於1毫達西的初始總滲透性，可選地小於0. 1或0. 01毫達西。富含有機物巖層22的加熱部分內選定區的滲透性也可以在該選定區由於傳導被加熱時迅速增加。例如，熱解至少一部分富含有機物巖層可以將該部分選定區內的滲透性增加至約1毫達西，可選地大於10毫達西、 50毫達西、100毫達西、1達西、10達西、20達西或50達西。因此，該部分選定區的滲透性可以增加大於大約10、100、1，000、10，000或100,000的因數。優選地，對於原位過程，方框225和230的加熱和轉化過程發生在長的時間期間內。一方面，加熱期間為3個月至四年或更多年。可選地，地層可被加熱1至15年，可選地， 3至10年、1.5至7年、或2至5年。還有作為方框230的任選部分，地層22可以被加熱至足以將至少一部分蘇打石轉化為鹼灰的溫度，如果存在蘇打石的話。在這方面，熟化油頁巖並且回收油和氣所施加的熱也會將蘇打石轉化成碳酸鈉(鹼灰)——相關的鈉礦物。將蘇打石(碳酸氫鈉)轉化成鹼灰(碳酸鈉)的方法在本文中被描述。與加熱步驟225和轉化步驟230有關，富含有機物巖層22可以任選地被壓裂以有助於傳熱或隨後的烴流體採出。任選的壓裂步驟顯示在方框235中。壓裂可以通過施加熱在地層內產生熱壓裂而實現。通過加熱富含有機物巖層並將乾酪根轉化成油和氣，地層22 的部分的滲透性可以經過熱壓裂形成和隨後採出從乾酪根產生的一部分烴流體而增加。可選地，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域中已知的工藝，其中注入流體在井筒內被加壓超過地層的壓裂壓力，由此在地層內產生壓裂面以將井筒內產生的壓力釋放。水力壓裂可被用於在部分地層22中產生附加滲透性和/或被用於提供平面加熱源。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物轉化成可採出烴的方法)」的國際專利出版物WO 2005/010320描述了水力壓裂的一種用途，並且其通過引用方式以其全部內容併入本文。該國際專利教導使用電導壓裂加熱油頁巖。加熱元件通過形成井筒以及然後水力壓裂井筒周圍的油頁巖地層而構造。壓裂中填充有形成加熱元件的電導材料。煅燒石油焦炭是示例性的合適的傳導材料。優選地，壓裂在從水平井筒延伸的垂直方向上產生。電可以通過傳導性壓裂從每個井的根部被傳導到每個井的趾部。電流可以通過與靠近趾部的一個或多個垂直壓裂相交叉的、用於提供相反電極的另外水平井形成。該 WO 2005/010320方法產生「原位烘爐」，所述原位烘爐通過施加電熱而人工熟化油頁巖。熱傳導加熱油頁巖至超過300°C的轉化溫度，其引起人工熟化。應當注意，美國專利號3，137，347也描述了使用粒狀導電材料連接地下電極用於原位加熱油頁巖。『347專利設想粒狀材料是熱的主要來源直至油頁巖經歷熱解。此時，油頁巖本身被說成是電導性的。由於電流通過頁巖油物質本身而在地層內產生的熱和傳導至周圍地層的熱被宣稱產生了烴流體，用於生產。共同擁有的美國臨時專利申請號61/109，369也是說明性的。該申請在2008年 10 月 29 ^1 ，g禾爾々「Electrically Conductive Methods for Heating a Subsurface Formation to Convert Organic Matter into Hydrocarbon Fluids (力口熱地下地層以將有機物轉化為烴流體的導電方法)」。該申請教導使用兩種或更多種材料，所述材料置於富含有機物巖層內並具有不同的電阻性能。電流通過地層中的物質以產生電阻熱。原位放置的物質提供電阻熱而不在井筒附近產生熱點。該未決申請中的技術公開內容通過引用以其整體併入本文。作為烴流體生產工藝200的部分，某些井筒16可被指定為油和氣生產井。該步驟通過方框240進行描述。直到確定乾酪根已經被充分乾餾以允許來自地層22的油和氣的穩定流，才可以啟動油和氣生產。在某些情況中，專用生產井直到熱注入井14(方框225)已經運行幾周或幾月後才被鑽井。因此，方框240可以包括用於生產的附加井筒16的形成。 在其它實例中，選定的加熱井被轉變成生產井。在某些井筒16已經被指定作為油和氣生產井後，油和/或氣從井筒16中被採出。 油和/或氣採出工藝被顯示在方框M5中。在這個階段(方框對幻，任何水溶性礦物諸如蘇打石和轉化的鹼灰可作為油頁巖床內良好分散的晶體或團塊傾向於保持基本上限制在富含有機物巖層22中，而沒有被採出。然而，一些蘇打石和/或鹼灰可以被溶解於在地層內熱轉化(方框23 期間產生的水中。因此，採出液可不但含有烴流體，而且含有包含水溶性礦物的含水流體。在這種情況中，在採出液處理設備60，採出液可被分成烴蒸汽和水蒸氣。此後，水溶性礦物和任何遷移性汙染物種類可從水蒸汽回收，如下面更充分討論的。方框250表示油和氣回收方法100中的任選下一步驟。這裡，某些井筒14被指定為水或含水流體注入井。在生產井已經停止作業後，這是優選進行的。用於注入井的含水流體是水與其它種類的溶液。該水可以構成「鹽水」，並且可包括溶解的元素周期表第I和II族元素的氯化物、硫酸鹽和碳酸鹽的無機鹽。有機鹽也可存在於含水流體中。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改變 PH0可選地，其它種類可以反映微鹹水的可用性，所述微鹹水在希望從地下浙濾的種類中是不飽和的。優選地，用於注水井的井筒14選自最初用於熱注入或油和/或氣生產的井筒中的一些或全部。然而，方框250的步驟的範圍可以包括用作專用注水井的仍然是附加的井筒14的鑽井。注意，在圖1的布置中，用於注水井的井筒14沿開發區域10的外周完井。這用作產生高壓的邊界。然而，如上討論的，可以使用注水井的其他布置。其次，水或含水流體通過注水井被注入並且進入油頁巖地層22。該步驟顯示在方框255中。水可以處於蒸汽或加壓熱水的形式。可選地，注入水可以是冷的並且隨著它接觸預先加熱的地層而變熱。注入工藝可進一步引起壓裂。該工藝可以在距離注水井筒14 一些距離例如高達200英尺外的具有蘇打石的層段中產生指狀空穴和角礫區域。一方面， 氣頂，諸如氮氣，可以被保持在每一 「空穴」頂端以防止垂直生長。隨著某些井筒14被指定為注水井，設計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井。該步驟顯示在方框沈0中。這些井可以與用於先前生產烴的井相同。這些採收井可被用於產生溶解的水溶性礦物的水溶液。例如，該溶液可以主要是溶解的鹼灰的溶液。該步驟顯示在方框沈5中。可選地，單個井筒可以被用於注入水並且然後回收鈉礦物溶液。因此，方框265包括使用同一井筒14用於水注入和水或水溶液生產的選擇(方框265)。在一個方面，在完成開採後，操作員可計算油頁巖地層的孔體積。然後，操作者循環等於一孔體積量的水，其主要目的是產生溶解的鹼灰和其他水溶性鈉礦物的水溶液。然後，操作員可循環等於二、三、四、五或甚至六額外孔體積量的水，其目的是浙濾出任何殘留的水溶性礦物和其他非含水種類，包括例如烴和遷移性汙染物種類。攜帶採出的水或淋濾物通過水處理設備，如以下結合圖7至9所描繪的。注入水、然後採出具有浙濾出的礦物的注入水的步驟在方框270中顯示。在熱解過程中，通過產生其中地層溫度被保持在熱解溫度以下的外周區域，獲得烴流體和遷移性汙染物種類的遷移。優選地，地層溫度被保持在原位水的冷凍溫度以下。 將地下冷凍用於穩定加固差的土壤或者給流體流動提供擋板在本領域中是已知的。Shell Exploration and Production Company(殼牌勘探和生產公司)已經在幾個專利中討論了將冷凍壁用於油頁巖生產，包括美國專利號6，880，633和美國專利號7，032，660。殼牌的'660專利使用地下冷凍以防止原位頁巖油生產期間地下水流動和地下水汙染。公開了所謂冷凍壁的應用的另外的專利是美國專利號3，528，252、美國專利號3，943，722、美國專利號3，729，965、美國專利號4，358，222、美國專利號4，607，488和WO專利號98996480。冷凍壁可通過穿過周邊的井循環製冷劑以大大降低巖層22的溫度而形成。這又防止了油田周邊存在的乾酪根熱解以及油和氣向外遷移。冷凍壁也將導致周邊的地層中天然水凍結。這用於防止熱解流體遷移入油田外的地下水。一旦烴開採開始，控制烴和遷移性汙染物種類的遷移也可以通過選擇性布置注入井16和生產井14以使流出加熱區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域周圍以便引起壓力梯度，該壓力梯度防止加熱區域內部的流離開該區域。注入井可以注入水、蒸汽、CO2、加熱的甲烷或其它流體，以驅使裂化的乾酪根流體向內進入生產井。水通過頁巖油地層的循環在圖3的一個實施方式中示出。圖3表示烴開採情況下的油田300。圖3是在油田300內的例證性油頁巖地層22的橫截面圖。地層22在地下水含水層內或連接到地下水含水層以及地層淋濾操作。四個分開的油頁巖地層區域23、24、25 和26被描繪在油頁巖地層內。含水層在地表面12下面，並且被分為上部含水層30和下部含水層32。上部30和下部32含水層中間是弱透水層31。可以看出，地層22的某些區域既是含水層或弱透水層又是油頁巖區域。一對井34、36被顯示穿過含水層30、32垂直向下前進。這些井中一個被充當注水井34，而另外一個充當出水井36。以這種方式，水通過至少較低的含水層32進行循環38。圖3圖解顯示了穿過被加熱的油頁巖體積37的水循環38，所述油頁巖體積位於下部含水層32內或者與下部含水層32相連，並且烴流體先前從油頁巖體積37中回收。通過注水井34將水注入促使水進入預先加熱的油頁巖37，水溶性礦物和遷移性汙染物種類被衝到出水井36。水然後可以在水處理設備(沒有示出)中進行處理，其中水溶性礦物(例如蘇打石或鹼灰)和遷移汙染物可基本上從水流中去除。水被再注入到油頁巖體積37中並重複地層淋濾。該用水淋濾意欲持續直至先前加熱的油頁巖區37中遷移性汙染物種類的水平處於環境可接受的水平。這可能需要1個循環、2個循環、5個循環或更多循環的地層浙濾，其中單個循環表示注入和採出大約一孔體積的水。應當理解，在實際的油頁巖開發10中可能有許多水注入井34和出水井36。此外， 該體系可包括在油田的選定點放置的一個或多個監控井39。監控井39可以在油頁巖加熱階段、頁巖油生產階段、浙濾階段或者在這些階段任意組合期間使用，以便監控遷移性汙染物種類和/或水溶性礦物。此外，監控井39可被配置有測量井筒內溫度、壓力和/或流體性質的一個或多個儀器。在一些實例中，生產井也可用作監控井或者以另外方式實施。如上所示，幾個不同類型的井可被用於富含有機物巖層的開發，包括例如油頁巖油田。例如，富含有機物巖層的加熱可以通過使用加熱井完成。加熱井可包括，例如，電阻加熱元件。一方面，電阻熱主要由從井筒注入地層的電導材料產生。電流然後通過導電材料以使電能轉化為熱能。通過傳熱，熱能被傳輸至地層以加熱富含有機物巖層。烴流體從地層中的生產可以通過使用用於流體生產的完井而實現。含水流體的注入可以通過使用注入井而實現。最後，水溶液的生產可以通過使用溶液生產井而實現。上面所列的不同井可以用於一個以上的目的。換一種說法就是，初始完成用於一種目的的井後來可用於另一目的，由此降低項目成本和/或減少執行某些任務所需要的時間。例如，一個或多個生產井也可被用作隨後將水注入富含有機物巖層中的注入井。可選地，一個或多個生產井也可被用作出水井，用於隨後將水溶液循環通過富含有機物巖層以便淋濾出遷移性汙染物種類。在其它方面，生產井(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/或當加熱最初被啟動時)。此外，在一些情況中，脫水井可隨後被用作生產井(以及在一些情況中用作加熱井)。因此，脫水井可以被放置和/或設計以便這種井可隨後被用作生產井和/或加熱井。加熱井可以被放置和/或設計以便這種井可隨後被用作生產井和/或脫水井。生產井可以被放置和/或設計以便這種井可隨後被用作脫水井和/ 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、脫水、監控等)的井，並且注入井可隨後被用於其它目的。類似地，監控井可以是最初用作其它目的(例如加熱、生產、脫水、注入等)的井。最後，監控井可隨後被用於其它目的，例如水生產。期望的是以預先計劃的布井方式為油頁巖油田安排加熱井和生產井。例如，加熱井可以以各種布井方式安排，包括但不限於三角形、正方形、六邊形和其它多邊形。該布井方式可以包括規則的多邊形以促進均勻的加熱穿過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井網。行列驅井網一般包括第一加熱井線性陣列、第二加熱井線性陣列，以及位於第一和第二加熱井線性陣列之間的生產井或者生產井線性陣列。
加熱井的排列可以被這樣放置，從而每個加熱井之間的距離小於約70英尺(21 米)。一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。在可選的實施方式中，加熱井的排列可以被這樣放置，使得每個加熱井之間的距離可以小於約 100英尺、或50英尺、或30英尺。無論加熱井的排列或之間的距離如何，在某些實施方式中，在富含有機物巖層內放置的加熱井與生產井之間的比例可大於約5、8、10、20或更多。在加熱井之間散布的典型地是一個或多個生產井。在一個實施方式中，單個生產井被至多一層加熱井環繞。這可包括排列諸如5點、7點或9點陣列，其中生產和加熱井交互成行。在另一實施方式中，兩層加熱井可以環繞生產井，但是其中加熱井是錯列的，以便存在無障礙通道用於遠離另外的加熱井的大部分流動。可以應用流動和儲層模擬以評估原位產生的烴流體在它們從其原始地點遷移到生產井時的通道和溫度歷史。圖4提供例證性的使用一層以上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巖油開發區400生產烴相關。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環繞。第一層410中的加熱井以431被提及，而第二層420中的加熱井以432被引用。生產井440被顯示在井層410和420中央。應當注意，相對於生產井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。目的是為轉化的烴提供這樣的流動通道，其使加熱井第一層410中的加熱井附近的行程最小化。這又使得當烴從第二層井420流動到生產井440時從乾酪根轉化的烴的二次裂化最小化。在圖4的例證性排列中，第一層410和第二層420每個都限定5點布井。然而，應當理解可以使用其它布井，諸如3點或6點布井。在任何情況中，包括加熱井第一層410在內的多個加熱井431被置於生產井440周圍，其中包括加熱井第二層420在內的第二多個加熱井432被置於第一層410周圍。兩層中的加熱井也可以被這樣安排，使得通過熱從第二層420中的每個加熱井 432中產生的大部分烴能遷移到生產井440，而基本上不通過第一層410中的加熱井431附近。兩層410、420中的加熱井431、432進一步可以被這樣安排，使得通過熱從第二層420 中的每個加熱井432中產生的大部分烴能遷移到生產井440，而不通過基本上增加地層溫度的區域。在一些情況中，期望使用在特定方向上伸長的井網，尤其在確定來提供最有效導熱率的方向。熱對流可以受不同因素影響，諸如層面和地層內的應力。例如，熱對流可在與地層上最小水平主應力垂直的方向更有效。在一些情況中，熱對流可在與最小水平主應力平行的方向更有效。可以進行伸長，例如以行列驅井網或點布井方式。與油頁巖油田的開發相關，可期望的是，按照步驟230和235熱通過地下的前進是均勻的。然而，由於多種原因，儘管加熱井和生產井規則安排，地下地層中地層烴的加熱和熟化可能不均勻進行。油頁巖特性和地層結構的不均勻性可以使得某些局部區域在熱解方面更有效或效率更低。而且，由於油頁巖加熱和熟化發生的地層壓裂可能導致優選通道不均勻分布，並且由此增加了向某些生產井的流動以及減少了向其它生產井的流動。不均勻的流體熟化可能是不期望的條件，因為某些地下區域可能接受比所需更多的熱能而其它區域接受得比期望的更少。這又導致採出液不均勻的流動和回收。採出油質量、總生產速率和/或最終的回收可能減少。
為了檢測不均勻的流動條件，生產和加熱井可以被安裝有傳感器。傳感器可包括測量溫度、壓力、流速和/或組成信息的設備。來自這些傳感器的數據可以簡單的規則進行處理或者被輸入進行詳細的模擬，以達成如何調節加熱井和生產井以改進地下性能的決策。生產井性能可以通過控制井上的背壓或節流進行調節。加熱井性能也可以通過控制能量輸入進行調節。傳感器讀數有時也可以指示需要修理、替換或廢棄的井或井下設備的機械問題。在一種實施方式中，利用來自兩個或更多個井的流速、組成、溫度和/或壓力數據作為計算機算法的輸入以控制加熱速率和/或生產速率。井內或井附近的未測量條件然後被評估並用於控制井。例如，原位壓裂行為和乾酪根熟化基於來自一組井的熱、流動和組成數據進行評估。在另一實例中，井完整性基於壓力數據、井溫度數據以及估計的原位應力進行評價。在相關實施方式中，傳感器的數目通過僅使一亞組井裝備有設備並且使用結果內插、計算或估計未儀表化的井上的條件而得以減少。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、生產組成、流速、電信號、套管應變等)。如上所示，有多種將熱施加到富含有機物巖層的方法。例如，一種方法可以包括置於井筒中或井筒外的電阻加熱器。一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導電材料，從而電阻損耗使其加熱導電材料。其它加熱方法包括使用井下燃燒室、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注入到油頁巖地層中以直接將其加熱。熱流體可以進行或者可以不進行循環。地層加熱的一種方法涉及電阻器的使用，其中電流穿過電阻材料，所述電阻材料將以熱分散電能。這種方法區別於電介質加熱，在電介質加熱中高頻振蕩電流在附近材料中感應出電流並且把它們加熱。電加熱器可包括絕緣導體、置於開孔中的細長元件和/或置於導管中的導體。公開了使用電阻加熱器以原位生產油頁巖的早期專利是美國專利號 1，666，488。『 488專利在1擬8年授予Crawshaw。自從1擬8年，已經提出了各種井下電加熱器的設計。例證性的設計在美國專利號1，701，884、美國專利號3，376，403、美國專利號 4，626，665、美國專利號4，704，514和美國專利號6，023，554中介紹。在油和氣資源的生產中，可以期望將採出的烴用作正在進行的操作的能源。這可被應用於從油頁巖開發油和氣資源。在這方面，當電阻加熱器連同原位頁巖油回收使用時， 需要大量的能量。電能可以從轉動發電機的渦輪獲得。通過利用來自油田的採出氣供以氣體渦輪動力，可能在經濟上是有利的。然而，這種採出氣必須被小心控制以便不損壞渦輪、導致渦輪點火不良或者產生過量的汙染物(例如NOx)。氣體渦輪問題的一個來源是在燃料內存在汙染物。汙染物包括固體、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、自然延遲時間和火焰速度。沃泊指數(Wobbe index, WI)經常被用作燃料質量的關鍵量度。WI等於低熱值與氣體比重的平方根的比值。 將燃料的沃伯指數控制到目標值並且在例如士 10%或士20%的範圍可允許渦輪設計簡化以及性能優化改進。
燃料質量控制可用於頁巖油開發，其中採出氣組成在油田壽命期間可能變化，並且其中氣體除了輕烴外一般還有大量的C02、CO和H2。商業規模的油頁巖乾餾被預期產生隨時間變化的氣體組成。渦輪燃料中的惰性氣體可以通過增加物質流動同時保持火焰溫度在期望範圍內而增加發電。此外惰性氣體可以降低火焰溫度並且由此減少NOx汙染物產生。從油頁巖熟化產生的氣體可具有大量的CO2含量。因此，在生產方法的某些實施方式中，燃料氣的(X)2 含量通過在地表設備中分離或加入進行調節以使渦輪性能優化。對於低BTU(British Thermal Units，英國熱單位)燃料來說，達到一定的氫含量也可以期望實現適當的燃燒性能。在本文方法的某些實施方式中，燃料氣的H2含量通過地表設備中的分離或加入進行調節以使渦輪性能優化。利用低BTU燃料調節非頁巖油地表設備中的吐含量已經在專利文獻(例如美國專利號6，684，644和美國專利號6，858，049，其全部公開內容通過引用併入本文)中進行了討論。如所述，例如通過熱解加熱富含有機物巖層內的地層烴的方法可以產生流體。熱生成的流體可包括地層內蒸發的水。此外，加熱乾酪根的作用產生加熱後傾向於膨脹的熱解流體。生成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，隨著地層內加熱部分內的溫度增加，加熱部分內的壓力由於流體產生增加、分子膨脹以及水的蒸發也可能增加。因此，一些必然的結果存在於油頁巖地層內的地下壓力與熱解期間產生的流體壓力之間。這又表明，地層壓力可以被監控以檢測乾酪根轉化過程的進展。富含有機物巖層的加熱部分內的壓力取決於其它儲層特徵。這些可包括，例如，地層深度、與加熱井的距離、富含有機物巖層內地層烴的豐富度、加熱程度和/或與生產井的距離。油頁巖油田的開發者可以期望開發期間監控地層壓力。地層內的壓力可以在多個不同位置處進行測定。這樣的位置可包括但不限於井口處以及井筒內的不同深度處。在一些實施方式中，壓力可以在生產井處進行測量。在可選實施方式中，壓力可以在加熱井處進行測量。在仍然是另一實施方式中，壓力可以在專用監控井的井下進行測量。加熱富含有機物巖層至熱解溫度範圍的過程不但將增加地層壓力，而且也將增加地層滲透性。熱解溫度範圍應當在富含有機物巖層內已經產生基本的滲透性之前達到。初始缺乏滲透性可以防止從熱解區段產生的流體在地層內傳輸。照此方式，隨著熱最初從加熱井轉移至富含有機物巖層，富含有機物巖層內的流體壓力可以更加接近於該加熱井。這種流體壓力增加可能是由於例如在地層中至少一些地層烴的熱解期間流體的產生引起的。可選地，可使由地層內生成的熱解流體或其它流體的膨脹產生的壓力增加。這假定生產井的開放通道或其它壓力降還不存在於地層中。一方面，流體壓力可被允許增加到巖石靜應力或之上。在這種情況中，當流體壓力等於或超過巖石靜應力時，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井。加熱部分內壓裂的產生可以減小該部分內的壓力，這是由於通過生產井採出液的生產。一旦熱解在富含有機物巖層內已經開始，流體壓力可根據不同因素而變化。這些包括例如烴的熱膨脹、熱解流體的產生、轉化速率以及從地層中取出產生的流體。例如，隨著流體在地層內產生，孔內的流體壓力可能增加。從地層中移出產生的流體則然後減小地層井筒區域附近內的流體壓力。在某些實施方式中，至少一部分富含有機物巖層的質量可以被降低，這是由於例如地層烴的熱解以及從地層中生產烴流體。因此，至少一部分地層的滲透性和孔隙度可能增加。任何有效地從油頁巖產生油和氣的原位方法將在原先非常低滲透性的巖石中產生滲透性。這發生的程度通過大的膨脹量闡明，如果從乾酪根產生的流體不能流動，必須具有所述膨脹。該觀點在圖5中被闡明。圖5提供了一柱狀圖，其比較了在模擬的原位乾餾工藝之前50和之後51的一噸 Green River油頁巖。模擬的過程是在2，400psi和750 0F (約400°C )下、在總有機碳含量 22wt. %以及Fisher試驗42加侖/噸的油頁巖上進行的。轉化前，存在總共16. 5ft3的巖石基體52。該基體包括嵌入在頁巖內的8. 4ft3的礦物53，即白雲石、石灰石等以及8. Ift3 的乾酪根M。由於轉化該材料膨脹至沈.lft%5。這提供了 8. 4ft3的礦物56(與轉化前相同的數目)、6.6ft3的烴流體57、9.4ft3的烴蒸汽58以及2. 9ft3的焦炭59。可以看出，基本的體積膨脹發生在轉化過程期間。這又增加了巖石結構的滲透性。流體開始從地下地層產生後，流體將被處理。圖6圖解了產出液處理設備60的一種實施方式的示意圖，所述產出液處理設備60可被配置來處理採出液。採出液85可以通過生產井71從在84處示意性示出的地下地層中生產。地下地層84可以是包括例如富含有機物巖層的任何地下地層，所述富含有機物巖層例如包括油頁巖、煤或浙青砂。在示例性的表面設備70中，將採出液淬火72至300 T、 200 者甚至100 T以下的溫度。這用於分離出可冷凝成分(即油74和水75)。採出液85可包括通過本文描述的任何方法生產的任何採出液。在原位油頁巖生產的情況中，採出液含有大量可在流體處理設備60中分離的成分。採出液85典型地包含水78、非冷凝烴烷烴種類(例如甲烷、乙烷、丙烷、正丁烷、界丁烷)、非冷凝烴烯烴種類(例如乙烯、丙烯)、由(烷烴、烯烴、芳烴和多芳烴等)組成的可冷凝烴種類、C02、CO、H2、H2S和 NH3。在地表設備例如採出液處理設備60中，可冷凝成分74可以通過降低溫度和/或增加壓力從非冷凝成分76中分離出來。溫度降低可以利用被周圍空氣或可利用的水72冷卻的熱交換器實現。可選地，熱的採出液可以通過與先前冷卻的採出烴液熱交換進行冷卻。壓力可以通過離心式或往復式壓縮機增加。可選地，或者聯合地，擴散器-膨脹器裝置可被用於從氣流冷凝出液體。分離可以涉及冷卻和/或壓力變化的幾個階段。在圖6的布置中，採出液處理設備60包括油分離器73，其用於將液體或油74與烴蒸汽或氣體76分離。在氣體處理單元77中處理非冷凝蒸汽成分76以去除水78和硫種類79。在天然氣廠81中從氣體(例如丙烷和丁烷)中去除較重的成分以形成液態石油氣 (LPG)80。LPG80可被進一步冷卻並裝入卡車或管道，進行銷售。當降低溫度或增加壓力時，除了可冷凝烴外，水78可以從氣體76中滴出。氣體處理77後，液態水可以通過重力沉降器或離心分離器與可冷凝烴分開。在圖6的布置中，可冷凝流體78被發送回油分離器73。在油分離器73，水75與油74分離。優選地，油分離73過程包括使用破乳劑促進水分離。水78可被引導至分離的水處理設備進行處理，並任選地進行儲存用於以後再注入。產出液處理設備60也在電廠88中操作以產生電能82。至此，殘留氣體83被用於產生電能82。電能82可被用作通過本文描述的任何方法加熱地下地層84的能源。例如， 電能82可以在高壓例如132，000V下輸入變壓器86，並且在被輸入到位於加熱井87——其位於地下地層84中——中的電阻加熱器元件89之前逐步下降至更低的電壓例如6600V。 以這種方式，加熱地下地層84所需的全部或部分能量可以從採出液85的非冷凝成分76中產生。過量的氣體——如果有的話——可以被輸出銷售。一些生產過程包括在從富含有機物巖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物巖層。在本發明的一些實施方式中，在原位加熱之前不需要部分地、基本上或完全地去除水溶性礦物。例如，在含有天然發生的蘇打石的油頁巖地層中，油頁巖可以在通過溶液採礦基本上去除蘇打石之前被加熱。基本上去除水溶性礦物可表示水溶性礦物的去除程度，水溶性礦物的去除通過本領域中已知的任何商業溶液採礦操作進行。基本上去除水溶性礦物可近似為去除富含有機物巖層內烴流體生產的目標區域中存在的特定水溶性礦物總量的按重量計5%以上。在可選實施方式中，富含有機物巖層的原位加熱以熱解地層烴可以在從富含有機物巖層去除按重量計3%以上的地層水溶性礦物之前開始，可選地，按重量計7%、按重量計10%或按重量計13%。在採出蘇打石之前加熱油頁巖以生產油和氣的影響是為了將蘇打石轉化成更可回收形式(鹼灰)，並且提供滲透性，有助於其隨後的回收。水溶性礦物回收可以在乾餾油生產後就發生，或者它可以被留下幾年的時期用於後面的回收。如果期望，鹼灰可在地表上被容易地轉化回蘇打石。這種轉化可容易地實行使得兩種礦物可有效地互換。在一些生產方法中，加熱富含有機物巖層包括通過蘇打石的分解產生鹼灰。該方法可包括在地表設備中處理含水溶性礦物的水溶液以去除一部分水溶性礦物。該處理步驟可包括通過改變水溶液的溫度引起沉澱而除去水溶性礦物。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)、鹼灰(碳酸鈉)、 片鈉鋁石(NaAl (CO3) (OH)2或其組合。表面處理可進一步包括在地表設備中通過與(X)2反應將鹼灰轉化成碳酸氫鈉(蘇打石)。在部分或完全去除水溶性礦物後，水溶液可被再注入到地下地層，在那裡它可以被包藏。該地下地層可以與原始富含有機物巖層相同或不同。在一些生產方法中，加熱富含有機物巖層既熱解至少一部分地層烴以產生烴流體又使得在富含有機物巖層中先前結合的遷移性汙染物種類可以得到。遷移性汙染物種類可以通過地層烴的熱解形成，可以在加熱後從地層本身中釋放，或者可以在加熱地層後通過產生增加的滲透性而使其可接近。在富含有機物巖層中存在的或注入其中的水或其它含水流體中，遷移性汙染物種類可以是可溶的。與從巖石基體特別是淺深度的那些巖石基體開採烴相關，對於地表下沉可能存在擔憂。在原位加熱富含有機物巖石中——其中一部分基體本身被熱轉換並被移除，尤其如此。最初，例如，地層可含有固體形式的地層烴，例如乾酪根。最初，地層也可含有水溶性礦物。最初，地層也可以是流體流基本上不可滲透的。原位加熱基體熱解至少一部分地層烴以產生烴流體。這又在富含有機物地層中的熟化(熱解的)富含有機物巖石區內產生滲透性。熱解和滲透性增加相結合允許烴流體從地層中產生。同時，支撐基體的材料的損耗也產生相對於地表下沉的可能。在一些情況下，期望最小化下沉以避免環境或水文地質影響。在這方面，甚至幾英寸地改變地表的等高線和地形可能改變徑流(rimoff)型式、影響植被型式以及影響分水嶺。此外，下沉具有損壞在生產區域中完井的加熱井、監控井和注入井的可能。這種下沉可以對井筒套管、水泥工件和井下設備產生破壞性的環帶應力以及壓應力。為了避免或最小化下沉，提出留下選定部分的基本上未熱解的地層烴。這有助於保存一個或多個未熟化的富含有機物巖石區。在一些實施方式中，未熟化的富含有機物巖石區可以成形為基本垂直的柱，其延伸穿過富含有機物巖層的厚度的主要部分。加熱速率和地層內的熱分布可以被設計和執行，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，從而油頁巖未處理的柱被留在其間以支撐上覆巖層和防止下沉。在一些實施方式中，通過原位轉化過程產生的烴流體的組成和特性可根據例如富含有機物巖層內的條件變化。控制熱和/或富含有機物巖層中選定部分的加熱速率可以增加或減少選定的採出液的生產。在一個實施方式中，操作條件可以通過測量富含有機物巖層的至少一種特性進行確定。測量的特性可以被輸入到計算機可執行程序中。從地層中生產的採出液的所選至少一種特性也可以被輸入到計算機可執行程序中。該程序可以是可操作的，以從至少一個或多個測量的特性中確定一組操作條件。該程序也可以被配置以從所選擇的採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選定採出液。某些加熱井實施方式可包括例如通過絕緣導體或其它類型的線路與任何加熱井連通的作業系統。該作業系統可以被配置以與加熱井對接。作業系統可以接受來自加熱器的信號(例如電磁信號)，其表示加熱井的溫度分布。此外，作業系統可以被進一步配置以本地控制或遙控加熱井。例如，作業系統可通過改變與加熱井連接的設備的參數，改變加熱井的溫度。因此，作業系統可以監控、改變和/或控制至少一部分地層的加熱。在一些實施方式中，在地層中的平均溫度可能已經達到選定溫度後，加熱井可以被調小和/或關閉。調小和/或關閉加熱井可減少輸入能量成本，基本上抑制了地層的過熱，並且允許熱基本上傳遞到地層更冷的區域。加熱的富含有機物巖層內的溫度(和平均溫度)可以變化，這取決於例如與加熱井的接近度、地層的熱傳導性和熱擴散性、發生反應的類型、地層烴的類型以及富含有機物巖層內水的存在。在油田中建立監控井的位置，溫度測量可以在井筒內直接進行。此外，在加熱井處，在地層緊接周圍的溫度被相當充分地了解。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。根據本發明生產過程的一個方面，富含有機物巖層內的溫度分布可以採用數值模擬模型進行計算。數值模擬模型可通過已知數據點的內插以及地層傳導率的假定計算地下溫度分布。此外，數值模擬模型可被用於測定處於評估溫度分布下的地層的其它特性。例如，地層的各種特性可包括但不限於地層的滲透性。數值模擬模型也可包括評估處於評估溫度分布下的富含有機物巖層內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於地層內形成的流體的累積體積、流體粘度、流體密度和地層內形成的流體的組成。這種模擬可被用於評估商業規模操作或小規模油田試驗的性能。例如，基於，但不限於，可從研究規模操作中生產的產物總體積， 可以評估商業規模開發的性能。
在採出液71已從地層84生產期望的時間期間之後，將水注入地層84可能是期望的。這通過使水通過一個或多個泵、然後進入注水井來完成。一個或多個注水井可以是轉化的加熱井或轉化的生產井。在一個方面，在完成開採後，操作員可計算油頁巖地層的孔體積。然後，操作員循環等於一孔體積量的水。其主要目的可以是產生溶解的鹼灰和其他水溶性鈉礦物的水溶液。可以將其它成分淋濾出地層，包括油和遷移性汙染物種類。以這種方式，通過減少油頁巖地層內和其附近的含水層的可能汙染物，可以以可對環境負責的方式進行操作。注入水通過出水井被採收返回地表。出水井可以是例如轉化的加熱井和/或轉化的生產井。當水返回至地表時，其被引入水處理設備。本文公開了用於將水循環至水處理設備的方法700。圖7是顯示可以在循環並處理水的方法700中進行的步驟的流程圖。方法700包括在水處理設備處接收水。該步驟顯示在圖7的方框710。所接收的水是從已經歷加熱的地下底層採收的水。水可以是在生產操作(示於圖6)期間從採出液71獲得的水75、78。水也可以是先前循環通過地下地層並且現在包含痕量的烴、鈉礦物、固體顆粒和遷移性汙染物種類中任一種的水。方法700也包括在水處理設備處處理水。該步驟在圖7的方框720顯示。這是專用的水處理設備，其優選地與產出液處理設備60分離。存在眾多處理水的目的。首先，分離出與所接收的水乳化或混合的油是期望的。可以通過使用重力沉降器、 離心分離器或其它本領域已知的分離器來分離油和水。破乳劑可以被用作分離方法的一部分。可選地或附加地，可以使用一個或多個加氣浮選分離器來分離油和水。第二，從水中除去有機物質尤其是遷移性汙染物種類是期望的。在該方面，由熱解油頁巖生產烴一般將留下一些至少部分地是水溶性的遷移性汙染物種類。潛在的遷移性汙染物種類的類型取決於油頁巖熱解的性質和被轉化的油頁巖的組成。如果在不存在氧或空氣的條件下進行熱解，汙染物種類可以包括芳烴(例如苯、甲苯、乙基苯、二甲苯和三甲基苯)，聚芳烴(例如蒽、芘、萘、屈)、金屬汙染物(例如AS、Co、Pb、Mo、Ni、Al、K、Mg和Si)以及其它種類如硫酸鹽、氨、氯化物、氟化物和酚類。如果利用氧或空氣，汙染物種類也可以包括酮、醇和氰化物。進一步，存在的具體遷移性汙染物種類可以包括上述種類的任何亞組或組合。其它類型的遷移性汙染物種類結合定義部分在以上列出。通過使用一個或多個生物氧化反應器可以從水中除去有機物質。生物氧化是自然反應，藉此微生物被用於捕獲有機物質中的能量並使用該能量用於氧化過程。本質上，有機物質是食物，氧化過程是消化。微生物是需氧細菌。需氧細菌分解可見於遷移性汙染物種類中的含氧化合物並釋放少量有害物質。生物氧化的最終副產物是CO2、水和惰性生物固體。使用該技術，重金屬和固體可以在生物固體中固結。例如，可以以下述方式將苯氧化為CO2和H2O i. C6H6+02 — C02+H20生物氧化反應器允許發生生物氧化而不引起溫度或能量消耗的大幅度增加。合適的生物氧化反應器的例子是用於處理家庭汙水和工業廢水的活化汙泥法。第三，減小水的硬度和鹼度是期望的。硬度一般指鈣和鎂離子。鹼度一般指碳酸鹽、碳酸氫鹽和氫氧化物種類。可以通過使用一個或多個熱石灰軟化器來減少硬度和鹼度。通過使水通過一個或多個反滲透過濾器可以進一步減小鹼度。第四，除去溶解的無機固體是期望的。這些可以包括來自水的無機遷移性汙染物種類如重金屬化合物。重金屬化合物可以包括例如砷、鉻、汞、硒、鉛、釩、鎳、鋅或其組合。可選地或此外地，溶解的無機固體可以包括離子種類。離子種類可以包括硫酸根、氯根、氟根、 鋰、鉀、氨或改變地下地層中水的PH的其它物質。一些溶解的無機固體可以在熱石灰軟化器中被回收為沉澱物，而其它可以通過反滲透然後是熱石灰軟化而除去。溶解的無機固體可以指各種陽離子如鐵(狗)、砷(As)、鉻 (Cr)、鋁(Al)、硒(Se)、氯根(CF)、鉀(K)、鈉(Na)、硝酸根(NO3O、硫酸根(SO42O、氟根(F—) 和二氧化矽(SiO2)。可以通過使用一個或多個反滲透過濾器來除去溶解的無機固體。反滲透過濾器本質上提供分子水平上的無機固體過濾。水壓迫使水通過半透膜，同時阻礙溶解的固體通過。最後，從水中除去懸浮的無機固體是期望的。在一定程度上，當使用空氣浮選系統時，除去固體與從水中分離油結合發生。通過使水通過固體過濾系統如一個或多個多孔介質過濾器提供進一步除去固體。方法700接下來包括將已經在地表設備處處理過的水作為處理過的水傳輸至泵站。該步驟呈現在圖7的方框730。處理過的水被處理為基本上除去油、無機沉澱物、無機溶解固體和有機汙染物種類。接下來，處理過的水被再注入地下地層。該步驟示於圖7的方框740。再注入處理過的水的目的是將水循環通過地下地層，到達一個或多個出水井，然後返回地表設備。以這種方式，仍有其它遷移性汙染物種類和其它物質通過枯竭頁巖(或其它已熱解地層)淋濾出來。方法700可以進一步包括確定處理過的水將循環通過的一部分地下地層的孔體積。該步驟呈現於圖7的方框750。這是為了淋濾出任何殘餘的水溶性礦物和其它非水性種類，包括例如烴和遷移性汙染物種類。應當理解，確定孔體積的步驟750可以在步驟710 之前進行。方法700也包括使至少一個額外孔體積的處理過的水循環通過地下地層並返回水處理設備。其示於方框760。為了更完全地說明在水處理設備處處理水的步驟720，提供了示例性水處理設備 800的示意圖。圖8A和8B—起表示顯示本發明一個實施方式中的水處理設備800的示意圖。水處理設備800被設計為處理這樣的水其已經循環通過枯竭油頁巖或一些其它熱解後的富含有機物巖層。在圖8A中，烴開發區示意性地顯示為10。這與用於圖1的開發區編號相同。開發區10具有地表12。應當理解，水處理設備800位於地表12上。地表之下是地下地層20。 富含有機物巖層22顯示為地下地層20的一部分。可見，水注入流88流入開發區10。應當理解，水注入流88表示正被注入頁巖油地層22的水的流動。這可以通過一個或多個注水井來完成(如圖1的井14)。在操作中，水循環通過頁巖油地層22，然後通過注水井原位產生的壓力至一個或多個出水井(如圖1的生產井16)，然後直至地表12。在圖8A中，顯示水生產流81。應當理解，水生產流81表示正通過一個或多個出水井產生的水性流體的流動。水生產流81被顯示流入水處理設備800。一個或多個閥(由閥801代表)沿流體生產流81放置以調節包含水生產流81的水性流體向水處理設備中的流動。增壓泵(未顯示)優選地與閥(一個或多個)801串聯放置以提供水進入水處理設備800時的壓力。一般而言，水處理設備800包括油/水分離器810、生物氧化系統820、一個或多個熱石灰軟化器處理器830、一個或多個多孔介質過濾器840以及任選地反滲透過濾器850。 此外，水處理設備800包括潔淨水儲存設備844，其連接通向水注入流88的水輸送線88' 和/或88"。應當注意，水生產流81不必是水進入水處理設備800的唯一來源。在一些情況下， 頁巖油開發區10可以仍在進行烴生產。在該情況下，烴生產將持續進入生產設備，如結合圖6顯示和描述的產出液處理設備60。在該情況下，在設備60中分離出來的產出水75也可以被輸送至水處理設備800。在圖8A中，示意性地顯示生產設備60。生產流被顯示在生產線71處進入生產設備。可見，分離的油74和分離的氣83離開產出液處理設備60。此外，可見，分離的水75離開設備60。離開產出液處理設備60的水75可以被立即引導回油頁巖地層22。在該情況下，引入水處理設備800的閥601被關閉，引至水注入流88的分離閥701被打開。水管線 702被提供為將產出水75引導回水注入流88。以這種方式，來自產出液處理設備60的水 75能夠與水注入流88合併並且被引導進入油頁巖地層22。優選地，來自設備60的產出水75在注入油頁巖地層22之前進入水處理設備800 進行處理。為此目的，水管線602被提供。在該情況下，閥701被關閉，閥601被打開。優選地，水管線602和伴隨的閥601與水生產流81和伴隨的閥801是分開的。產出水75和水生產流81可能在不同的壓力和溫度下流動。一方面，離開產出液處理設備60的產出水75在每分鐘400加侖的速率下和77 0F的溫度下進入均壓均衡罐803。 同時，進入均壓均衡罐803的水生產流81可以在每分鐘7，200加侖的速率下和68 T的溫度下流動。當然，應當理解，這些速率和溫度僅是示例性的。因此，在進入水處理設備800 時，產出水75和水生產流81優選地通過均壓均衡罐803。應當理解，以上提供的溫度和壓力僅是示例性的。本文公開的水處理和地層淋濾方法並不受限於任何特定的管線壓力、流體溫度、容器大小、泵容量或本文確定的其它具體設計值。回到水生產流81的討論，一方面，水生產流81可以在進入均壓均衡罐803之前通過熱交換器802。熱交換器802可以通過例如使用150psig壓力下的水蒸氣來運行。這用於加熱水並促進油和各種雜質的分離。均壓均衡罐803形成大的容器，用於臨時性地接收和容納來自管線602和水生產流81的產出水。一方面，罐803具有160英尺的周長和43英尺的高度。如以下將更完全描述的，均壓均衡罐803也可以從管線接收髒反衝水970，如從多孔介質過濾器840引入的。從產出水75、水生產流81和髒反衝水970接收在均壓均衡罐803中的水通過水管線808離開罐803。當水通過水管線808離開罐803時，它優選通過增壓器804。這提供了水前行通過水處理設備800中後續組件所需要的壓力。一方面，增壓器804包括三個獨立的增壓泵，每個增壓泵具有250馬力的額定功率並且能夠產生大約每分鐘4，500加侖的流體流速。然後水管線808中的水可以在增大的速率如每分鐘8，590加侖下離開增壓泵804。在通過增壓泵804之前或之後，管線808中的水可以任選地用化學物質處理。這樣的化學物質可以包括破乳劑。化學物質供給罐812被顯示在圖8A中，用於輸送化學物質至管線808中的水。水管線808中的水接下來被引導通過油/水分離器810。通過引入氣泡進入化學處理的水流來操作加氣浮選分離器。化學物質使得油滴將自身附連至氣泡。然後氣泡攜帶油滴升至表面，然後被撇去。在圖8A的示例性布置中，油/水分離器810包括兩個或更多個加氣浮選分離器。 每個空氣浮選分離器810可以是例如50英尺長、12英尺寬、15英尺高。每個加氣浮選分離器810可以在例如5至IOpsig的內部壓力下操作。離開油/水分離器810的水將有大量的油和氣被除去。加氣浮選分離器810將優選地除去90%的烴物質加上一些固體。水通過水管線818離開油/水分離器810。一方面， 管線818中水的流速為每分鐘7，825加侖。當水移動通過水管線818，可以用化學物質再次處理水。單獨的化學物質處理器 822示於圖8A。該容器822可以提供例如對水pH的控制。應當注意，單獨的流體流由油/水分離器810進行輸送。該流當然是烴流814，其代表分離的油和氣。烴流814可以返回至產出液處理設備60。在此，烴流814被進一步處理以分離油、氣和水。更優選地，烴流814首先被輸送至隨後的油/水分離器816。在圖8A的示例性布置中，烴流814被弓I導至多個CPI濃縮器。每個濃縮器可以是例如15英尺長、12英尺寬、15 英尺高。每個濃縮器可以在每分鐘大約400加侖下處理油和氣。CPI濃縮器代表離心處理分離器。這些可以在例如每分鐘4，800加侖的速率下處理流體。作為通過CPI濃縮器816進行處理的結果，潔淨水流815在例如大約每分鐘750 加侖下進行傳輸。水可以任選地行進通過增壓器819，然後被再輸送至均壓均衡罐803。油流74'也從CPI濃縮器816輸送。油流74'主要由可冷凝的和不可冷凝的烴組成。油流74』被返回產出液處理設備60，用於如結合圖6 —般地描述的進一步的流體處理。油流74』可以在例如每分鐘15加侖的流體流速下輸送。這換算為每天大約500桶。油流74』可以任選地被攜帶通過增壓器817。現在回到水管線818，水從加氣浮選分離器810被攜帶至包括一體化生物氧化系統820的容器。生物氧化是這樣的方法，通過該方法天然存在的細菌被用於受控反應器以從水中除去有機物質。生物氧化的結果是二氧化碳、水和惰性生物固體。一方面，生物氧化系統820中的容器每個在每分鐘4，215加侖的速率下處理流體。 每個容器可以是例如320英尺的周長和34英尺的高度。生物氧化系統820也可以包括各種組件如鼓風機和攪拌器(未顯示)。作為通過生物氧化系統820進行處理的結果，產生更清潔的水流，其通過水管線擬8離開。管線擬8中的水基本上沒有有機物質。管線擬8中的水可以在每分鐘大約7，819 加侖的流體流速下行進。流體管線828中的水可以處於例如87 溫度和7. 8的pH下。作為生物氧化系統820的額外副產物，有機物質被釋放入生物固體管線擬4中。生物固體管線擬4中的固體表示廢汙泥。生物固體管線824中的廢汙泥可以每分鐘在600加侖的速率下流動並包括多至的固體。處理用化學物質可以通過容器如圖8A所示的容器 825被輸送至生物固體管線824。化學物質可以包括聚合物以利於增稠固體上至5%。生物固體管線擬4中的有機廢汙泥優選通過引入旋轉鼓式增稠器擬6來增稠。一方面，使用4個分離的轉鼓式增稠器826，每個能夠在每分鐘大約200加侖的速率下攜帶流體。每個增稠器擬6可以是例如15英尺長、5英尺寬和7英尺高。轉鼓式增稠器擬6能夠釋放潔淨水。這示於水管線902。水管線902中的潔淨水可以在例如每分鐘492加侖的流體流速下行進。該潔淨水可以被再引入流體管線818，用於通過生物氧化系統820中的容器進行再處理。轉鼓式增稠器擬6也通過增稠汙泥管線904釋放增稠的汙泥。增稠的汙泥可以在每分鐘大約108加侖的速率下行進並呈現多至5%的固體。增稠汙泥管線904中的汙泥可以被臨時儲存在汙泥滯留罐905中。汙泥滯留罐905可以是例如50英尺長、5英尺寬和9
英尺高的大罐。增稠汙泥管線904中的增稠汙泥可以離開汙泥滯留罐905並通過增壓泵906。當汙泥離開滯留罐905時，增壓泵906提供壓力至增稠的汙泥。從此處，增稠的汙泥被引導至一個或多個壓濾器908。壓濾器908可以呈現3米X2米的小壓具。壓濾器用於從增稠汙泥管線904除去已經離開轉鼓式增稠器826並擠出水的固體。在去壓濾器908的途中，化學物質可以被引入增稠汙泥管線904。示例性的化學物質容器或化學物質供給系統906示於圖8A中。在進入一個或多個壓濾器908之前，汙泥被處理以除去固體。從化學物質供給系統906添加聚合物作為助濾劑以利於過濾。脫水的汙染物固體將經過汙泥管線910離開壓濾器908。汙泥管線910將在例如每分鐘大約36加侖的速率下傳輸汙染物固體。汙染物固體為「蛋糕」的形式，其由大約15% 至20%的固體組成。汙泥管線910中的汙染物固體將被移至交通工具916用於現場外處置。提供閥912以調節汙泥管線910中汙染物固體的流動。此外，壓濾器908釋放「潔淨的」水。潔淨的水從壓濾器908通過水管線909被運走。水管線909最終再結合潔淨水管線902並被轉向通過生物氧化系統820中的容器和其它設備。在離開壓濾器910時，來自汙泥管線910的一部分汙染物固體可以經歷蒸汽加熱系統。這通過熱交換器擬4顯示。結果是，通過蒸發過程進行進一步除去水。蒸發的水(稱為冷凝物)通過管線930被帶走。管線930中的冷凝物結合來自管線909和902中的潔淨水。從管線902、909和930結合的潔淨水可以在例如每分鐘594加侖的速率下流動。此夕卜， 這樣的結合水被轉向通過生物氧化系統820中的容器用於重複處理。一方面，管線930中的冷凝物在每分鐘30加侖的速率下流動。增壓泵932可以沿管線930提供以增加操作壓力。泵932可以包括一對40馬力的泵，其可以泵至例如每分鐘 125加侖。再次參看生物氧化系統820，潔淨水流828產生自系統820。潔淨水流828優選地被攜帶通過槽式泵(sump pump)932。槽式泵932可以包括例如M英尺周長和14英尺高度的一個或多個容器。槽式泵932可以是例如Clearwell槽。槽式泵的目的是，在送水至下遊用於進一步處理之前，臨時保留來自生物氧化系統820的潔淨水。在處理的水從槽式泵932經管線934被帶走。管線934中的水優選地被攜帶通過增壓泵936。增壓泵可以包括例如三個大的200馬力的動力泵，每個能夠在每分鐘4，500加侖的速率下泵水。然後在處理的水進一步移動通過水處理設備800，如現在圖8B中所示。圖8B顯示來自管線934的水行進通過水處理設備800的其它部分。水接下來進入熱石灰軟化器830。一方面，水在每分鐘7，819加侖的流體流速下行進通過管線934。管線934中的水可以處於例如87 °F下和pH為7. 8。熱石灰軟化的目的是減小水的硬度和鹼度。通過使溶解的離子、主要分別是作為碳酸鹽和氫氧化物的鈣和鎂沉澱來減小硬度。為完成此過程，熱石灰軟化器830從蒸汽容器832接受蒸汽。蒸汽被引入熱石灰軟化器830。此外，石灰(或氫氧化鈣(Ca(OH)2)被引入容器830。氫氧化鈣被保持在緊靠熱石灰軟化器830的石灰添加儲存設備834中。汙泥副產物從熱石灰軟化器830中釋放。汙泥表示無機沉澱物如碳酸鈣、氫氧化鎂和各種其它金屬沉澱物。汙泥物質被傳輸通過汙泥物質管線942並至汙泥槽944。汙泥槽944可以能夠容納例如10，000加侖的流體物質。需要時，當未決定進一步處理和處置不想要的副產物時，汙泥槽944用於保留汙泥物質。汙泥物質從汙泥槽944以每分鐘大約630加侖的速率被釋放。一方面，汙泥物質包括大約為5%固體的組合物。離開汙泥槽944的汙泥物質被傳輸通過管線946。汙泥物質優選被攜帶通過增壓泵945。增壓泵945優選表示一系列小的容積式泵(positive displacement pump)，每個具有5馬力的發動機。每個泵在例如每分鐘大約100加侖的速率下產生流體。汙泥物質然後從增壓泵945沿管線946以每分鐘630加侖的速率被攜帶。 一方面，汙泥物質在200 °F保持為熱的並具有10. 0的pH。管線946中的汙泥物質進入壓濾器948。壓濾器948分離汙泥與水。一方面，壓濾器948是帶式壓濾器。汙泥物質通過通道950離開壓濾器948，在此其被裝上卡車952用於現場外處置。在一個布置中，卡車952在每分鐘107加侖下接收為30%固體的汙泥物質。 每天大約1，250，000磅的過濾的汙泥可以被運至現場外。帶式壓濾器948也通過水管線956釋放「潔淨的」水。潔淨水優選被傳輸至滯留槽958。滯留槽958可以表示小的非隔熱的容器，其為例如周長10英尺和高度7英尺。滯留槽958臨時保留從帶式壓濾器948釋放的水，然後該水通過管線960釋放。管線960中的水優選通過增壓泵962。增壓泵962可以包括例如兩個75馬力的泵，每個泵能夠在每分鐘550加侖下泵出。從此處，水可以在每分鐘523加侖的流通流速下行進，在此該水與管線 836中的水合併。管線836中的水在被再注入頁巖油地層22之前經過進一步的處理。回到熱石灰軟化器830，軟化的水也從容器830釋放。熱石灰軟化法減小水中的硬度、鹼度和二氧化矽含量。軟化的水通過水管線833離開容器830。一方面，水通過水管線833以每分鐘8，180加侖的速率行進。軟化的水被傳輸至滯留槽835。滯留槽835遠大於滯留槽958。滯留槽835可以是例如具有25英尺的周長和4英尺的高度的隔熱容器。水被臨時保留在滯留槽835中直至其經管線836離開。優選地，水行進通過增壓泵837以增加操作壓力。從此處，管線836中的水與來自管線960的水合併。合併的帶壓水管線836、 960然後進入水處理的下一階段——固體過濾。提供多孔介質過濾系統840用於固體過濾。優選地，過濾系統表示雙重介質過濾器。固體過濾器840過濾出懸浮的固體。固體材料是無機物並通常包括水循環通過枯竭頁巖地層期間帶出的巖石或沉澱物以及來自熱石灰軟化器的沉澱固體。還應當注意，一些固體過濾有必要與加氣浮選分離器810結合進行。在任何情況下，固體物質在髒反衝水流970 中從過濾系統840衝洗出來。髒反衝水流970中的流體優選地返回均壓均衡罐803(來自圖8A)，在此水然後循環通過水處理設備800。多孔介質過濾系統840中的雙重介質過濾器接收潔淨的反衝水流846。潔淨的反衝水流846有助於洗出變成髒反衝水流970的一部分的顆粒。潔淨水通過水管線841離開多孔介質過濾系統840。水管線841優選地接收來自化學容器842的化學處理。化學處理容器849可以例如引入硫酸(H2SO4)15化學處理容器 849可以例如容納2，100桶硫酸。硫酸以每分鐘大約4加侖的速率被引入水管線841。水管線841中的化學處理水接下來優選通過熱交換器842。熱交換器842可以是例如板框式熱交換器。冷卻水在例如每分鐘大約4，400加侖的速率下循環通過熱交換器 842。可以使用多至三個板框式熱交換器。水通過管線843離開熱交換器842。然後管線843中的水被放進浙出物潔淨水儲存罐844。罐844形成大的容器，其可以是例如周長為165英尺和高度為43英尺。優選地， 浙出物潔淨水儲存罐844具有頂部開口並且是非隔熱的。浙出物潔淨水儲存罐844保留處理過的水，該水可以通過水注入流88被循環回到油頁巖地層22。閥845控制保留在潔淨水儲存罐844中的潔淨水的流動。當閥845開啟時，水行進通過管線88'並加入水注入流88。優選地，提供一個或多個浙出物潔淨水泵90 以將水注入頁巖油地層22。水可以以例如每分鐘7，200加侖的速率行進通過管線88』。該速率被保持進入水注入流88。一些潔淨水可以取自潔淨水儲存罐844並獨立地移動通過水管線846。水通過水管線846的移動由閥847控制。移動通過管線846的水優選被攜帶通過增壓泵848，在此水然後被帶至雙重介質過濾器840。增壓泵848可以包括例如兩個40馬力功率的泵，每個泵每分鐘能夠泵出1，000加侖的水。帶壓管線846中一些泵出的水被帶走用於板框式熱交換器842。剩餘的水可以以每分鐘240加侖的流體流速朝向多孔介質過濾系統840的雙重介質過濾器行進。來自管線 846的潔淨水用作多孔介質過濾系統840中潔淨反衝水的來源。優選在水處理設備800中仍進行水的其它處理。為此，來自潔淨水儲存罐844的水可以被進一步攜帶通過筒式過濾器854。筒式過濾器邪4被設計為除去細顆粒物質。如果細顆粒物質不被除去，其可能堵塞隨後的反滲透過濾器。在去筒式過濾器邪4的途中，水優選地被弓I導通過增壓泵852。增壓泵852可以包括例如三個單獨的泵，每個泵在75馬力下運行以在每分鐘670加侖的速率下泵出。帶壓水然後以每分鐘1，271加侖的速率行進通過筒式過濾器854。水可以任選地通過幾個大供給泵(未顯示)被進一步加壓。水接下來經受反滲透過濾。反滲透過濾器可見於圖8B的850。提供一個或多個反滲透過濾器850以過濾出溶解的無機固體。如所述，這些可以包括重金屬化合物和離子種類。水流中的任何非溶解固體一般在多孔介質過濾系統840中過濾。反滲透過濾器850通常不適於過濾沉澱的或懸浮的固體。反滲透過濾器850產生高純水流。純水或滲透物(permeate)被攜帶通過管線 88〃，在此其加入水注入流88。任選地，來自反滲透過濾器850的一部分純水流88〃可以被儲存在地下儲器中或臨時儲存在滲透物罐856中。也可以存在高純水流88"(滲透物)的其它應用。滲透物可以被用於產生蒸汽或用於在水處理設備800中處理水。在圖8B的示例性布置中，來自反滲透過濾器850的一部分滲透物可以通過管線853然後用於蒸汽發生器832。優選地，增壓泵859被提供在管線 853 中。水處理設備800可以與從地下地層採收烴結合使用。圖9是顯示方法900的步驟的流程圖，該方法可以在一個實施方式中從開發區的地下地層採收烴中進行。地層烴可以包括固體烴如油頁巖。方法900包括施加熱至地下地層。該步驟呈現於圖9的方框9110。使用原位熱來施加熱。加熱的目的是將地層烴熱解為烴流體。加熱步驟9110並不限於施加原位熱至地下地層使用的方法。例如可以通過發送電流通過井筒內電阻加熱原件來加熱。可選地，可以通過發送電流下至第一井筒、通過地下地層中的導電介質、和向上回到第二井筒來加熱。一方面，地層中的導電介質包括粒狀材料，該粒狀材料的電阻係數明顯高於第一井筒和第二井筒中的導電材料。以這種方式，多數電阻熱產生自地層內的導電材料。另一方面，地層內的導電介質包括粒狀材料，該粒狀材料的電阻係數明顯低於第一井筒和第二井筒中的導電材料。以這種方式，多數電阻熱產生自井筒內的導電材料。在任一情況中，井筒內的導電材料可以是杆、管、套管柱或其它粒狀材料。方法900接下來包括產生烴流體持續期望的時間期間。該步驟顯示在方框9120 中。烴流體產生自多個烴生產井。烴生產井在地下地層中完井。方法900也包括在地表將來自注入泵的水循環至一個或多個注水井。該步驟提供在方框9130中。優選地，在開始將水循環至注水井的步驟9130之前，使地下地層冷卻。一方面，注水井限定從步驟9120轉化的烴生產井。注水井將水從地表輸送到地下地層中。接下來，方法900包括進一步將水循環通過地下地層並進入一個或多個出水井。 出水井可以從步驟9120轉化為烴生產井。水被進一步循環回到地表處的水處理設備。該步驟示於方框9140。步驟9130和9140 —起提供水從地表循環通過開發區的地下地層並返回地表的完整循環。這些步驟9130、9140可以進行超過幾個月至一年的期間。無機溶質水平優選地減少50%或更多。方法也包括在到達地表後處理水。該步驟呈現於方框9150。水在水處理設備處被處理。處理水的目的有很多。首先，並如上所述，期望分離從循環步驟9140捕獲的水中乳化的油。可以使用傳統的重力分離器在水處理設備分離油和水。可選地或者此外，可以使用一個或多個加氣浮選分離器分離油和水。第二，期望從水中除去有機物質。如上所述，可以通過使用一個或多個生物氧化反應器來除去有機物質。優選地，水在通過一個或多個加氣浮選分離器之後通過一個或多個生物氧化反應器。—方面，水進一步通過吸附介質。這樣的吸附介質的實例包括活性炭、漂白土或其組合。這樣的吸附介質能夠幫助抑制毒性負載物對後面的生物氧化反應器的任何突然增加。
第三，期望減小水的硬度和鹼度。如上所述，減小硬度是指除去鈣和鎂離子。鈣 (Ca)作為CaCO3被除去，而鎂(Mg)作為Mg(OH)2被除去。減小鹼度是指至少除去一部分碳酸鹽和碳酸氫鹽種類。除去鈣離子、鎂離子或其它硬性離子的方法也減小水的鹼度和二氧
化矽含量。減小硬度和鹼度可以通過使用一個或多個熱石灰軟化器來完成。優選地，水在通過一個或多個生物氧化反應器之後通過一個或多個熱石灰軟化器。含有溶解的沉澱物形成種類如Ca、CO/—(碳酸鹽)或S042_(硫酸鹽)的水通過熱石灰容器。熱石灰容器中的鈣與溶解的Ca、CO/—或SO/—相互作用並將這些固體轉化為在熱石灰容器中被除去的沉澱物。第四，期望從處理過的水中除去溶解的無機固體。溶解的無機固體指無機物質如氯化物、氟化物、氨、鈉(Na)和鉀(K)。溶解的無機固體也指無機遷移性汙染物種類如重金屬化合物和離子種類。除去溶解的無機固體可以通過使用一個或多個反滲透過濾器來完成。水的壓力迫使水通過半透膜，同時阻止溶解的固體通過。優選地，水在通過一個或多個熱石灰軟化器之後通過一個或多個固體過濾器。最後，期望除去懸浮的固體。這通過使用多孔介質過濾器來完成。在此應當注意， 多孔介質過濾一般不除去溶解的種類，而是，固體過濾主要除去懸浮的或未溶解的固體，包括從地層帶出的沉澱物和未溶解的沉澱物。方法900可以進一步包括確定處理過的水將循環通過的一部分地下底層的孔體積。在該情況下，使水循環通過地下地層的步驟9140可以包括隨時間注入一定體積的處理過的水，其表示大約2至6倍確定的孔體積。可以相信，通常要求2至6孔體積的注入水以將浙出物濃度減少至代表任何原始含水層組成的背景水平。還可以相信，作為循環處理過的水的結果，餘下的地下水將滿足常用的水質環境標準。那些標準將根據已經發生油頁巖熱解行為的州或政府管轄區域而不同。那些標準也可以根據對水的期望應用而不同。為確保符合地下水規定，當水在9150步驟中被處理過之後，可以測試水。因此，方法900也可以包括測試水以符合規定的地下水標準。該步驟示於方框9160。優選地周期性進行測試，如在兩、三和四孔體積的水已被循環通過地下地層之後。一方面，方法也包括中斷循環處理過的水。當確定地下地層中的水滿足規定的地下水標準之後，中斷循環。這示於方框9170。規定的地下水標準可以是來自管理機構如科羅拉多州水質控制委員會或另一州機構的環境標準。從返回水取樣確定循環水滿足選擇的水質標準後，過量的循環水可以被釋放到地表水流或地表水體中。多至一孔體積的水可以被留在含有枯竭頁巖的地下開發區中。任選地，一部分地下水可以被泵至地表。上述的方法對於在科羅拉多州的Piceance盆地中採收烴方面可具有價值。一些人已經評估出，在美國西部的一些油頁巖沉積物中，每地表英畝可以回收高達1百萬桶油。 一項研究已經估計在Piceance盆地的油頁巖地層中含蘇打石部分內的油頁巖資源在適當的位置具有四千億桶頁巖油。總的來說，僅僅在Piceance盆地可存在高達1萬億桶頁巖油。可以相信，本文公開的水處理和循環方法將有機和無機汙染物減少至科羅拉多州用於飲用水和農用水的地下水標準的水平或低於該水平。對發展科羅拉多州水質量政策負責的管理機構是科羅拉多州水質控制委員會(Colorado Water Quality ControlCommission)。該委員會是科羅拉多州公共衛生與環境部(Colorado Department of Public Health and Environment)的一部分。通過採用州內地表和地下水的水質類別和標準，該委員會實行科羅拉多州立法機關制定的關於科羅拉多州水質控制行動(Colorado Water Quality Control Act)的較廣泛的政策。以下表1提供可見於科羅拉多州油頁巖地層中的各種有機和無機物質的組成。提
供三列數值。命名為「浙出物」的列是指在顯著的地層溢流和水處理開始之前一定體積的水中化合物的預期濃度。換言之，當地層熱解操作結束時，這些是期待存在的化合物。命名為「含水層」的列是指通常可見於Piceance盆地含水層中的一定體積的水中那些化合物的預期濃度。這些是天然的水數值，意即沒有發生熱解操作。命名為「CO飲用水標準(CO Drinking Water Standard) 」的列指科羅拉多州規定下所列出化合物的最大份額濃度。在一些情況下(示為「n./a」)，沒有提供全州範圍的規定，因為標準可以是根據地點不同的(site-specific)。表 權利要求
1.用於從開發區的地下地層採收烴的方法，包括使用原位熱將熱施加至所述地下地層以將地層烴熱解為烴流體； 從一個或多個烴生產井生產所述烴流體； 從注入泵將水泵入一個或多個注水井；使水從所述一個或多個注水井循環通過所述地下地層，進入一個或多個出水井，並上至所述開發區的地表處的水處理設備；和在所述水處理設備處處理所述水，其中在所述水處理設備處處理所述水包括以下的三個或多個(i)充分地從所述水中分離出烴，(ii)充分地從所述水中除去有機物質，(iii) 充分地減小所述水的硬度和鹼度，(iv)充分地從所述水中除去溶解的無機固體，和(ν)充分地從所述水中除去懸浮的固體，由此提供處理過的水。
2.根據權利要求1所述的方法，其進一步包括在處理所述水後測試所述水。
3.根據權利要求1所述的方法，其中所述地層烴包括固體烴。
4.根據權利要求1所述的方法，其中使用電阻加熱，加熱所述地下地層。
5.根據權利要求3所述的方法，其中所述水處理設備包括一個或多個加氣浮選分離器；和處理所述水以充分地從所述水中分離出烴包括使所述水通過所述一個或多個加氣浮選分離器。
6.根據權利要求5所述的方法，其中處理所述水以充分地從所述水中除去懸浮的固體包括部分地使所述水通過所述一個或多個加氣浮選分離器。
7.根據權利要求3所述的方法，其中所述水處理設備進一步包括一個或多個多孔介質過濾器；和處理所述水以充分地從所述水中除去懸浮的固體包括使所述水通過所述一個或多個多孔介質過濾器。
8.根據權利要求3所述的方法，其中所述水處理設備進一步包括一個或多個重力沉降器、一個或多個離心分離器或其組合；和處理所述水以充分地從所述水中分離出烴進一步包括使所述水通過所述一個或多個重力沉降器、一個或多個離心分離器或其組合。
9.根據權利要求3所述的方法，其中所述水處理設備包括一個或多個生物氧化反應器；和處理所述水以充分地從所述水中除去有機物質包括使所述水通過所述一個或多個生物氧化反應器。
10.根據權利要求9所述的方法，其中所述水處理設備包括一個或多個加氣浮選分離器；處理所述水以充分地從所述水中分離出烴包括使所述水通過所述一個或多個加氣浮選分離器；所述水在通過所述一個或多個加氣浮選分離器之後通過所述一個或多個生物氧化反應器。
11.根據權利要求3所述的方法，其中所述水處理設備包括一個或多個熱石灰軟化器；和處理所述水以充分地減小所述水的硬度和鹼度包括使所述水通過所述一個或多個熱石灰軟化器。
12.根據權利要求11所述的方法，其中減小硬度包括充分地除去鈣離子和鎂離子。
13.根據權利要求12所述的方法，其中減小鹼度包括充分地除去碳酸鹽和碳酸氫鹽種類。
14.根據權利要求13所述的方法，其中所述水處理設備進一步包括一個或多個反滲透過濾器；和處理所述水以充分地減小鹼度還包括使所述水通過所述一個或多個熱石灰軟化器之後使所述水通過所述一個或多個反滲透過濾器。
15.根據權利要求14所述的方法，其中在所述水通過所述一個或多個加氣浮選分離器之後所述水通過所述一個或多個多孔介質過濾器。
16.根據權利要求15所述的方法，其中所述水處理設備包括一個或多個熱石灰軟化器和一個或多個反滲透過濾器； 處理所述水以充分地減小所述水的硬度和鹼度包括使所述水通過所述一個或多個熱石灰軟化器和所述一個或多個反滲透過濾器；和在所述水通過所述一個或多個生物氧化反應器之後所述水通過所述一個或多個熱石灰軟化器和所述一個或多個反滲透過濾器。
17.根據權利要求3所述的方法，其中所述水處理設備包括一個或多個反滲透過濾器；處理所述水以充分地從所述水中除去溶解的無機固體包括使所述水通過所述一個或多個反滲透過濾器。
18.根據權利要求1所述的方法，其進一步包括確定所述處理過的水循環通過的一部分所述地下地層的孔體積；和將所述處理過的水隨時間以一定體積從注入泵循環通過所述地下地層，所述一定體積表示所確定的孔體積的大約2至6倍。
19.根據權利要求18所述的方法，其中在處理所述水後測試所述水包括在至少兩孔體積的水已經循環通過所述地下地層之後測試所述水，以符合規定的地下水標準。
20.根據權利要求19所述的方法，其進一步包括在確定所述地下地層中的水已經滿足規定的地下水標準後，中斷循環所述處理過的水。
21.根據權利要求3所述的方法，其進一步包括在生產所述烴流體預先確定的時間段之後，並且在將所述水循環進入所述注水井之前，使所述地下地層冷卻。
22.根據權利要求2所述的方法，其進一步包括將所述多個烴生產井的一個或多個轉換為一個或多個出水井。
23.在水處理設備處處理水的方法，所述水已經循環通過頁巖油開發區中的地下地層以及所述地下地層包括由於地層烴的熱解已經枯竭的頁巖，所述方法包括在所述水處理設備處接收所述水；在所述水處理設備處處理所述水以(i)充分地從所述水中分離出油，( )充分地從所述水中除去有機物質，(iii)充分地減小所述水的硬度和鹼度，(iv)充分地從所述水中除去溶解的無機固體，和(ν)充分地從所述水中除去懸浮的固體，由此提供處理過的水；將所述處理過的水傳輸至泵；和將所述處理過的水再注入所述地下地層以通過枯竭頁巖淋濾出汙染物。
24.根據權利要求23所述的方法，其進一步包括在處理之後測試所述水。
25.根據權利要求M所述的方法，其中所述汙染物包括有機化合物、重金屬化合物和離子種類。
26.根據權利要求25所述的方法，其中所述地層烴包括油頁巖，並且其中所述有機化合物包括苯、甲苯、二甲苯、三甲基苯、蒽、萘、芘、或其組合。
27.根據權利要求25所述的方法，其中所述地層烴包括油頁巖，並且其中所述重金屬汙染物包括砷、鉻、汞、硒、鉛、釩、鎳、鋅、或其組合。
28.根據權利要求M所述的方法，其中所述地層烴包括油頁巖，並且其中所述離子種類包括硫酸根、氯根、氟根、或其組合。
29.根據權利要求M所述的方法，其中所述汙染物進一步包括硼。
30.從開發區的地下地層採收烴的系統，包括至少一個原位熱源，其被配置為使用原位熱向所述地下地層施加熱以將地層烴熱解為烴流體；至少一個烴生產井，用於生產所述烴流體；至少一個注入泵和至少一個注水井，其中所述至少一個注入泵被配置為將水泵入所述至少一個注水井；和水處理設備，其處於所述開發區的地表，並且與所述至少一個注入泵和所述至少一個注水井流動連通，用於使水從所述一個或多個注水井循環通過所述地下地層，進入一個或多個出水井，並上至所述開發區的地表處的水處理設備；其中所述水處理設備被配置為通過以下處理方法的兩種或更多種處理循環的水(i) 充分地從所述水中分離出烴，(ii)充分地從所述水中除去有機物質，(iii)充分地減小所述水的硬度和鹼度，(iv)充分地從所述水中除去溶解的無機固體，和(ν)充分地從所述水中除去懸浮的固體。
31.根據權利要求30所述的系統，其中所述地層烴包括油頁巖。
32.根據權利要求30所述的系統，其中所述原位熱源包括一個或多個電阻熱源。
全文摘要
提供了在水處理設備處處理水的方法。一方面，水已被循環通過頁巖油開發區的地下地層。該地下地層可以包括由於地層烴的熱解已經枯竭的頁巖。在一個實施方式中，方法包括在水處理設備處接收水並在水處理設備處處理水以便(i)充分地從水中分離出油，(ii)充分地從水中除去有機物質，(iii)充分地減小水的硬度和鹼度，(iv)充分地從水中除去溶解的無機固體，和/或(v)充分地從水中除去懸浮的固體。方法可以進一步包括輸送在水處理設備處處理過的水、將處理過的水再注入地下地層以持續通過枯竭頁巖淋濾出汙染物。
文檔編號E21B41/02GK102325959SQ201080009022
公開日2012年1月18日 申請日期2010年1月7日 優先權日2009年2月23日
發明者G·L·古爾野, J·D·葉寇, J·D·米勒, P·S·沙, W·西明戈頓 申請人:埃克森美孚上遊研究公司