用於原位熱解富含有機物巖層的增強的對流的製作方法

2023-05-18 12:15:41 2

專利名稱：用於原位熱解富含有機物巖層的增強的對流的製作方法
技術領域：
本說明書涉及從地下地層採收烴的領域。更具體而言，本說明書涉及從富含有機物的巖層原位採收烴流體，所述富含有機物的巖層包括例如油頁巖地層、煤地層和焦油砂地層。本說明書也涉及在熱解過程期間提供增強的熱對流經過富含有機物的巖層的方法。
背景技術：
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。當乾酪根嵌在巖層中時，該混合物被稱為油頁巖。不管該礦物質在技術上事實上是不是頁巖也即是從緻密粘土形成的巖石，這都是如此。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變得可流動，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。值得注意的，在懷俄明州、科羅拉多州和猶他州發現了這樣的地層。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——其還沒有經歷被認為是形成常規油和氣儲量所需的多年的熱和壓力。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油和氣的較小分子。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進行ー個多世紀。在1862年，James Young開始加工蘇格蘭油頁巖。該エ業持續了大約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。但是，因為它被證實是不經濟的或者由於廢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. 292,其全部公開內容通過引用方式併入本文。)此外，地表乾餾需要開採油頁巖，這將具體應用限定於非常淺的地層。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年代後半期進行。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Fredrik Ljungstrom0發明名稱為「處理油頁巖的方法以及從中採收油和其它礦物產物(Method of Treating Oil Shale and Recovery of Oil and Other Mineral Products Therefrom) 」 的該專利提議在高溫下將熱原位應用於油頁巖地層。這種原位加熱的目的是蒸餾烴並將它們採出地表。該'195Ljungstrom專利通過引用以其整體併入本文。Ljungstrom杜撰了短語「熱供給通道(heat supply channels) 」以描述鑽到地層中的井眼。該井眼接收將熱傳遞到周圍油頁巖的電熱導體。因此，熱供給通道充當早期的熱注入井。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，同時基本上防止流體的流入。根據Ljungstrom,在某些應用中，該地下「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。將熱導入集合體或巖石基體中後，乾酪根被熱解，所得的油和氣將通過鄰近的生產井被採收。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。全規模的エ廠被建立，其從1944年運行至20世紀50年代。(參見G. Salamonsson, 「The Ljungstrom In Suit Method for Shale-Oil Recovery,，，2nd OilShale and Cannel Coal Conference，v. 2，Glasgow，Scotland，丄nstitute of Petroleum, London, p. 260-280(1951)，其全部公開內容通過引用的方式併入本文)。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。熱可以是加熱的甲烷(參見授予J. L. Dougan的美國專利號3，241，611)、煙道氣或過熱蒸汽(參見授予D. W. Peacock的美國專利號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(美國專利號4，140，180，其被轉讓給位於伊利諾斯州芝加哥的ITTResearch Institute)或者氧化劑注射的形式，以支持原位燃燒。在某些情況中，人工滲透性已經在該基巖中形成以有助於加熱後熱解流體的運動。滲透性產生方法包括挖掘、碎石化(rubblization)、水力壓裂(參見授予M. L. Slusser的美國專利號3，468, 376以及授予J. V. Vogel的美國專利號3，513，914)、爆炸壓裂(參見授予W. ff. Hoover等的美國專利號I, 422，204)、熱壓裂(參見授予R. ff. Thomas的美國專利號3，284，281)以及蒸汽壓裂(參見授予H. Purre的美國專利號2，952，450)。已經公開，在相同井中堆積的傳導壓裂或電極之間運行交流電或射頻電能，以便加熱地下地層。見名稱為「用於電加熱含油地層的方法和裝置(Method and Appratusfor Electrical Heating of Oil-Bearing Formations) 」 的美國專利號 3，149，672 ;名稱為「電加熱地下地層的方法和裝置(Method and Appratus for Electircally Heatinga Subsurface Formation) 」的美國專利號3，620，300 ;名稱為「原位油頁巖方法(In SituOil Shale Process)」的美國專利號4，401，162 ;和名稱為「用於原位加熱含烴地層的方法(Method for In Suit Heating of Hydrocarbonaceous Formationsノ，，的美國專不丨J號4，705，108。名稱為「用於米收油的電方法和裝置(Electrical Method and Appratusfor the Recovery of Oil) 」的美國專利號3，642，066提供了在地下地層中通過在不同井之間運行交流電電阻加熱的描述。其他已經描述了在井筒中產生有效電極的方法。見名稱為「電極井方法和裝置(Electrode Well Method and Apparatus) 」的美國專利號4，567,945 ;和名稱為「用於增加從通過井筒穿透的地下地層中生產石油的方法(Methodior Increasing Production of Petroleum from a subterranean Formation Penetratedby a Wellbore) 」 的美國專利號 5，620，049。
名稱為「油頁巖的原位電連接(In Situ Electrolinking of Oil Shale) 」的美國專利號3，137，347描述了使電流流過連接兩個井的裂縫以使電流在周圍地層的體相中發生的方法。地層的加熱主要由於地層的體電阻進行。F. S. Chute和F. E. Vermeulen在Present and Potential Applications of Electromagnetic Heating in the In SituRecovery of Oil, AOSTRA J. Res. , v. 4, p. 19-33(1988)中描述了重油小型試驗，其中「電預加熱」用於使電流在兩個井之間流動，以降低粘度和產生在兩個井之間的通訊信道用於跟進的蒸汽驅。在1989年,美國專利號4，886，118授予Shell Oil Company (殼牌石油公司)。該名稱為「Conductively Heating a Subterranean Oil Shale to Create Permeability andSubsequently Produce Oil^[c]ontrary to the implications of. . . priorteachings and beliefs. . . the presently described conductive heating process iseconomically feasible for use even in a substantially impermeable subterraneanoil shale.(與...在先的教導和看法的暗示相反...目前描述的傳導性加熱エ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50-54行)。儘管有該聲明，但應當注意，除了 Ljungstrom外，幾乎沒有——如果有的話——出現商業性原位頁巖油操作。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。該'118殼牌石油公司專利通過引用以其全部內容併入本文。油頁巖乾餾和頁巖油採收的另外歷史可以在名稱為「處理地下地層以將有機物轉化成可米出經的方法(Methods of Treating a Subterranean Formation to ConvertOrganic Matter into Producible Hydrocarbons) 」 的共有美國專利號 7，331，385 以及名稱為「從不可滲透性油頁巖中米收經(Hydrocarbon Recovery from Impermeable OilShales) 」的美國專利號7，441，603中找到。這兩篇專利出版物的背景部分和技術公開內容通過引用併入本文。對生產頁巖油的改進方法存在需求。此外，對結合原位熱解方法加熱富含有機物的巖層的改進方法存在需求。而且，對增強進行熱解的地層中的有效熱擴散係數並且可用於輔助各種加熱技術的方法存在需要。

發明內容
本文描述的方法在改進從富含有機物的巖層，比如包含固體烴或重烴的地層採收烴流體方面有許多益處。在各種實施方式中，這類益處可包括從富含有機物的巖層的增加的烴流體生產，和提供電能源用於採收操作，比如頁巖油生產操作。在ー個一般方面，用於從富含有機物的巖層生產烴流體至地表設施的方法包括提供鄰近至少ー個原位熱源的至少ー個生產井，每個原位熱源配置來在富含有機物的巖層中產生熱以便將固體烴熱解成烴流體。原位加熱富含有機物的巖層，以便在接近所述至少一個熱源的富含有機物的巖層中產生至少270°C的溫度。富含有機物的巖層被持續原位加熱，以便熱以有效熱擴散係數第一值a I從至少ー個熱源離開並經過地層。富含有機物的巖層被進ー步原位加熱，以便增加滲透性並且造成在鄰近生產井的地層中形成熱壓裂。氣體被注入富含有機物的巖層以使地層內有效熱擴散係數的值增加至調整的第二值a2，其中a 2大於第一值Ci1至少50%。從富含有機物的巖層通過至少ー個生產井生產採出液。該方面的實施可包括一個或多個下列特徵。例如，富含有機物的巖層可包括重烴或固體烴。富含有機物的巖層可以是油頁巖地層。油頁巖地層可具有小於約10毫達西的初始滲透率。在氣體注入油頁巖地層之前，可臨近多個生產井形成熱壓裂。大部分的氣體可通過熱壓裂注入。第二有效熱擴散係數值a 2可大於第一有效熱擴散係數值a !至少100%。每個熱源可包括導電加熱器，比如電阻井筒加熱器或導電壓裂。每個熱源可包括電阻加熱器，(i)其中電阻熱在井筒中產生，(ii)其中電阻熱主要產生自井筒中的傳導性材料，和/或(iii)其中電阻熱主要產生自布置在富含有機物的巖層中的傳導性材料。每個熱源可包括(i)熱煙道氣在井筒中循環或經過流動連接的井筒循環的井下燃燒井，和/或(ii)熱流體經過富含有機物的巖層的閉環循環。將氣體注入油頁巖地層可進ー步包括將氣體注入經過與各個熱源和/或単獨井筒相關聯的井筒。將氣體注入油頁巖地層可包括形成多個氣體注入井，每個形成的氣體注入井比與鄰近生產井相關聯的井筒更接近於與熱源相關聯的井筒。可在地層中的兩個或多個點估計油頁巖地層的溫度。可使用估計的地層溫度估計地層中一種或多種熱擴散係數。注入氣體進入一個或多個氣體注入井的注入速率可被調整以改變有效熱擴散係數第二值a2。溫度的估計可包括從與多個生產井的三個或多個相關聯的傳感器獲得測量值。溫度的估計可包括從與監測井、加熱井或專用氣體注入井相關聯的傳感器獲得測量值。在將氣體注入油頁巖地層之前，可加熱在地表設施的氣體。氣體可通過將氣體經過燃燒器，或通過將氣體經過其中氣體與採出液熱交換的換熱器加熱。氣體可只在採出液從多個生產井的至少兩個生產後注入富含有機物的巖層。注入的氣體在富含有機物的巖層中可基本上是不反應的。注入氣體可包括a)氮氣、ai) ニ氧化碳、an)甲烷，和/或
(iv)其組合的ー種或多種。注入的氣體可包括從生產井產生的烴氣體。來自多個生產井的一個或多個的生產速率可被調整以進ー步改變有效熱擴散係數第二值a 2。在另ー個一般方面，在油頁巖地層中引起地層烴熱解的方法包括提供多個原位熱源，每個熱源配置來在油頁巖地層中產生熱，以便將固體烴熱解成烴流體，所述油頁巖地層具有小於約10毫達西的初始滲透率。提供多個生產井鄰近所選擇的熱源，並且原位加熱油頁巖地層，以便在接近熱源的油頁巖地層中產生至少270°C的溫度。原位加熱油頁巖地層，以便熱以有效熱擴散係數第一值O1離開各個熱源並經過地層。油頁巖地層被進一歩原位 加熱以使在鄰近生產井的地層中形成熱壓裂。氣體被注入油頁巖地層以便將地層中有效熱擴散係數的值增加至第二值a 2，其中a 2大於第一值a 至少50%。
該方面的實施可包括一個或多個下列特徵。例如，可通過多個生產井從油頁巖地層產生烴流體。可在氣體注入油頁巖地層之前，鄰近多個生產井形成熱壓裂。大部分的氣體可經過熱壓裂注入。每個熱源可包括(i)電阻熱主要產生自細長金屬元件的電阻加熱器，
(ii)電阻熱主要產生自井筒中的傳導性顆粒材料的電阻加熱器，(iii)電阻熱主要產生自布置在油頁巖地層中的傳導性顆粒材料的電阻加熱器，(iv)熱煙道氣在井筒中循環的井下燃燒井，和/或(V)熱流體通過富含有機物的巖層的閉環循環。氣體可經過與各個熱源相關聯的井筒注入。可形成多個氣體注入井，形成的每個氣體注入井比與鄰近生產井相關聯的井筒更接近與熱源相關聯的井筒。可使用放置在與多個生產井的至少三個相關聯的井筒中的傳感器，監控油頁巖地層的溫度。注入氣體進入一個或多個氣體注入井的注入速率可被調整以便改變有效熱擴散係數第二值a2，從而更均勻地加熱油頁巖地層。可在將氣體注入油頁巖地層之前加熱在地 表設施的氣體。氣體可在地表加熱至約150°C和270°C之間的溫度。注入的氣體可包括(i)氮氣、(ii) ニ氧化碳、(iii)甲烷、(iv)從生產井產生的烴氣體、(V)氫氣和/或(V)其組合的ー種或多種。可從多個生產井的至少三個監控採出液的溫度。氣體注入油頁巖地層的速率可響應於監控的溫度(ー個或多個)進行調整。響應於監控，可調整ー個或多個生產井的生產速率，以便更均勻地或選擇性地加熱油頁巖地層。有效熱擴散係數第二值a 2可如下確定估計油頁巖地層中至少兩個點的原位溫度，使用結合氣體流動作為傳熱機制的基於計算機的模型，模擬油頁巖地層中的熱行為，並通過調整模型中的熱擴散係數參數使熱模型擬合原位溫度估計值，以獲得有效熱擴散係數的調整值(a2)。將該調整的熱擴散係數參數值(Ci2)與對沒有氣體注入的情況估計或根據經驗確定的值(Q1)進行比較。在另ー個一般方面，用於從富含有機物的巖層生產烴流體至地表設施的系統包括至少ー個原位熱源。每個原位熱源配置來在富含有機物的巖層中產生熱以便將固體烴熱解成烴流體，並原位加熱富含有機物的巖層以便在接近所述至少一個熱源的富含有機物的巖層中產生至少270°C的溫度，以便熱離開至少ー個原位熱源，並且以便增加滲透性。鄰近至少ー個原位熱源提供至少ー個生產井。至少ー個氣體注入井筒配置來將氣體注入富含有機物的巖層以便將地層中有效熱擴散係數的值從有效熱擴散係數第一值a:增加至調整的第ニ值a 2，其中a 2大於第一值a !至少50%。該方面的實施可包括一個或多個下列特徵。例如，至少ー個原位加熱可包括導電加熱器、導電壓裂和/或電阻井筒加熱器。電阻井筒加熱器可置於井筒中，該井筒被配置來也如至少ー個氣體注入井筒ー樣操作。首先提供用於從富含有機物的巖層生產烴流體至地表設施的方法。富含有機物的巖層包括地層烴，比如固體烴或重烴。一方面，富含有機物的巖層是油頁巖地層。優選地，地層具有約小於10毫達西的初始滲透率。方法包括提供多個原位熱源。每個熱源配置來在富含有機物的巖層中產生熱以便將固體烴熱解成烴流體。可使用各種類型的熱源。這些可包括下列的ー種或多種a)其中電阻熱產生自井筒中細長金屬元件，並且其中電路使用井筒中的顆粒材料形成的電阻加熱器，Qi)其中電阻熱主要產生自井筒中的傳導性顆粒材料的電阻加熱器，(iii)其中電阻熱主要產生自傳導性顆粒材料的電阻加熱器，該傳導性顆粒材料布置在兩個或多個鄰近井筒之間的富含有機物的巖層中以形成電路，(iv)其中熱主要產生自鄰近井筒中的細長的、導電金屬元件，並且其中電路使用鄰近井筒之間地層中的顆粒材料形成的電阻加熱器，(V)其中熱煙道氣在井筒中或連接的井筒之間循環的井下燃燒井，(V)熱流體經過富含有機物的巖層的閉環循環，和/或(vi)其組合。方法也包括原位加熱富含有機物的巖層。加熱的目的是引起地層烴熱解。優選地，加熱富含有機物的巖層到至少270°C的溫度。繼續加熱富含有機物的巖層，以便熱以有效擴散係數第一值a :離開各個熱源並且經過地層。方法也包括提供鄰近所選擇的熱源的多個生產井。隨著繼續加熱富含有機物的巖層，引起在鄰近生產井的地層中形成熱壓裂。這使得在地下地層中產生或增強了流體連通。方法也包括將氣體注入富含有機物的巖層。注入氣體優選地在富含有機物的巖層中基本上不反應。注入的氣體可以是，例如⑴氮氣、(ii) ニ氧化碳、(iii)甲烷、或(iv) 其組合。可選地，注入的氣體可以是從區域中的生產井產生的烴氣體。注入氣體的目的是使地下地層中有效熱擴散係數的值增加至第二值a 2。第二值a 2大於第一值a 至少50%，並更優選地大於a !至少100%。一方面，在氣體注入油頁巖或其他地層之前，鄰近多個生產井形成熱壓裂。這裡，注入氣體包括經過熱壓裂注入大部分的氣體。方法也包括通過多個生產井從富含有機物的巖層生產採出液。採出液已經由於位於富含有機物的巖層中的地層烴的熱解而至少部分產生。採出液可具有可冷凝的(液體)和不可冷凝的(氣體)組分。在本方法的一種實施方式中，將氣體注入地層包括經過與各個熱源相關聯的井筒將氣體注入。在另ー種實施方式中，將氣體注入地層包括形成多個氣體注入井，形成的每個氣體注入井比與鄰近生產井相關聯的井筒更接近與熱源相關聯的井筒。在該情況下，氣體經過專用氣體注入井注入。一方面，方法進ー步包括使用布置在與多個生產井的至少三個相關聯的井筒中的傳感器監控油頁巖地層的溫度。注入氣體經過ー個或多個氣體注入井的注入速率則可響應於傳感器的測量進行調整。這用於改變有效熱擴散係數第二值a2。注入的氣體優選地在注入之前被加熱。在ー種布置中，氣體在地表設施處被加熱，然後它被注入油頁巖或其他地下地層。例如，氣體可通過使氣體經過在地表設施處的燃燒器加熱，或通過使氣體經過換熱器加熱，其中氣體在地表設施處與採出液進行熱交換。優選地，氣體被加熱至約150°C和270°C之間的溫度，然後注入。也提供了使油頁巖地層中的地層烴熱解的方法。一方面，方法包括提供多個原位熱源。每個熱源配置來在油頁巖地層中產生熱以便將固體烴熱解成烴流體。如上列舉，可使用各種類型的熱源。方法也包括原位加熱油頁巖地層。加熱的目的是使地層烴熱解。優選地，加熱富含有機物的巖層到至少270 0C的溫度。繼續加熱富含有機物的巖層，以便熱以有效熱擴散係數第一值a !離開各個熱源並經過地層。方法也包括提供鄰近所選擇的熱源的多個生產井。隨著繼續加熱油頁巖地層，弓丨起在鄰近生產井的地層中形成熱壓裂。熱壓裂增強油頁巖地層的滲透性。一方面，油頁巖地層的初始滲透率小於約10毫達西。
方法也包括將氣體注入富含有機物的巖層。注入的氣體優選地在富含有機物的巖層中基本上不反應。注入的氣體可以是，例如⑴氮氣、(ii) ニ氧化碳、(iii)甲烷、或(iv)其組合。可選地，注入的氣體可以是從生產井產生的烴氣體。注入氣體的目的是使地下地層中有效熱擴散係數的值增加至第二值Ct 2。第二值Ct2大於第一值Ct1至少50%，和更優選地大於a I至少100%。
一方面，有效熱擴散係數第二值a 2是如下確定的調整的有效熱擴散係數值估計油頁巖地層中至少兩個點的原位溫度；使用基於計算機的模型模擬油頁巖地層中的熱行為，所述模型使用氣體注入作為傳熱的熱擴散機制；和通過調整模型中熱擴散係數參數，使熱模型擬合原位溫度估計值，以獲得有效熱擴散係數的調整值(a2)。然後操作人員可比較調整的熱擴散係數參數值(a 2)與對沒有氣體注入的情況估計或根據經驗確定的基礎值(a J。在另ー個一般方面，用於從富含有機物的巖層生產烴流體至地表設施的方法包括接近至少ー個原位熱源提供至少ー個生產井，每個原位熱源配置來在富含有機物的巖層中產生熱以便將固體烴熱解成烴流體。至少ー個原位熱源包括電阻加熱器。富含有機物的巖層首先用至少ー個原位熱源原位加熱，以便在接近所述至少一個熱源的富含有機物的巖層中產生至少270°C的溫度，以便熱從至少ー個熱源離開並經過地層，以增加滲透性並且引起在鄰近生產井的地層中形成熱壓裂。在通過至少一個原位熱源加熱增加滲透性之後，熱流體例如至少270°C的熱流體被注入富含有機物的巖層的熱壓裂中。通過至少ー個生產井從富含有機物的巖層生產米出液。該方面的實施可包括一個或多個下列特徵。例如，富含有機物的巖層可包括重烴或固體烴。富含有機物的巖層可以是油頁巖地層。油頁巖地層可具有小於約10毫達西的初始滲透率。將熱流體注入油頁巖地層也可包括經過與至少ー個原位熱源相關聯的帶孔井筒注入流體。井筒可在插入電阻加熱器之前被穿孔，以便在加熱器井筒附近產生的任何流體可向上經過加熱器井筒產生，以釋放由於熱膨脹和富含有機物的巖石轉化成各種流體造成的周圍壓力。採出液可通過各種方式向上產生，包括，但不限於通過環空或者提供用於通過井筒生產流體的一個或多個單獨的油管柱。將熱流體注入油頁巖地層進一歩包括經過鄰近與至少ー個原位熱源相關聯的井筒的注入井筒注入流體。生產採出液可包括通過與至少一個原位熱源相關聯的井筒生產採出液，並且將熱流體注入油頁巖地層可包括在採出液已經通過井筒生產之後，通過與至少ー個原位熱源相關聯的井筒將熱流體注入油頁巖地層。電阻加熱器可提供ー種或多種下列類型的熱，例如⑴井筒中產生的電阻熱，
(ii)主要從井筒中的傳導性材料產生的電阻熱，和/或(iii)主要從布置在富含有機物的巖層中的傳導性材料產生的電阻熱。注入地層的流體可包括蒸汽、煙道氣、甲烷和/或石腦油的任何組合。在注入加熱的流體的一段時間內，電阻生熱速率可被控制為零。可以至少部分使用來自燃氣渦輪動カ發電的排氣加熱流體。可以至少部分使用採出液加熱流體。可僅在採出液從多個生產井的至少兩個產生之後，將熱流體注入富含有機物的巖層。注入的流體可包括熱氣體，其包括(i)氮氣、(ii) ニ氧化碳、(iii)甲烷、或(iv)其組合。可以許多方式確保產生足夠滲透性的存在。例如，啟動加熱流體的測試注入，藉此通過表明獲得足夠滲透性的測試注入獲得規定的注入指數，例如，預先確定的每壓カ變化的流體量。可進行注入和生產點之間的壓力脈衝測試並且分析結果，以確定從用電阻加熱的初始加熱獲得的表觀滲透率。某些區域中估計的原位乾酪根的指定部分可用作度量，以確保產生最小量的流體，其指示足夠的滲透性增加以支持地層中流體流動。原位電加熱期間或之後短時間在一個或多個井處的指定流速可用作探知在地層中是否實現足夠滲透性的ー種方式。附圖
簡述
為了能夠更好地理解本發明，在此附上ー些圖、圖表、曲線圖和流程圖。但是，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I是示意性烴開發區域的三維等距視圖。開發區域包括限定地下地層的富含有機物的巖石基體。圖2A-2B表不統ー的流程圖，其表明在一種實施方式中，從富含有機物的巖層中原位熱米收油和氣的一般方法。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提供示意性加熱井模式的平面圖。顯示圍繞各自生產井的兩層加熱井。圖5是ー柱狀圖,其比較了在模擬的原位幹懼エ藝前後的ー噸Green River油頁
山
o圖6是エ藝流程圖的示意圖。該流程圖顯示油頁巖開發的例證性地表處理設施。圖7A是由富含有機物的巖石組成的地下地層的側視圖。根據本文描述的示例性方法(ー種或多種)，地層被加熱以熱解地層烴。圖7B是由富含有機物的巖石組成的地下地層的側視圖。根據本文描述的另ー種示例性方法(ー種或多種)，地層被加熱以熱解地層烴。圖8是列出根據本方法的一種實施方式從富含有機物的巖層生產烴流體的方法之步驟的流程圖。圖9是列出根據本方法可選實施方式在油頁巖地層中引起地層烴熱解的方法之步驟的流程圖。發明詳述定義如本文使用，術語「烴」指主要但不是排他地包括元素氫和碳的有機化合物。烴也可包括其他元素，比如，但不限於滷素、金屬元素、氮、氧、和/或硫。烴一般分為兩類脂肪族烴或直鏈烴，和環烴或閉合環烴，包括環萜。含烴材料的例子包括任何形式的可用作燃料或升級為燃料的天然氣、油、煤和浙青。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I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的巖層在內的地下地層去除的液體和/或氣體。採出液可以包括烴流體以及非烴流體。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、ニ氧化碳、硫化氫和水(包括蒸汽)。如本文使用，術語「流體」指氣體、液體以及氣體和液體的組合，以及指氣體和固體的組合以及液體和固體的組合。如本文使用，術語「氣體」指在I大氣壓和15°C下是蒸汽相的流體。如本文所用，術語「可冷凝烴」是指大約15°C和一個絕對大氣壓下冷凝為液體的那些烴。可冷凝烴可以包括具有大於4個碳數的烴的混合物。如本文所用，術語「非冷凝的」意思是在大約15°C和ー個絕對大氣壓下不冷凝為液體的那些化學品種類。非冷凝種類可包括非冷凝烴和非冷凝非烴種類，比如，例如ニ氧化 碳、氫、一氧化碳、硫化氫和氮。非冷凝烴可包括碳數目小於5的烴。如本文所用，術語「重烴(heavy hydrocarbons)」是指在環境條件(15°C以及I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。在大約15°C重烴的粘度一般大於約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)」是指在富含有機物的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粘度一般大於約10，000釐泊的粘性烴。焦油的比重一般大於I. 000。焦油的API比重可小於10度。「焦油砂」是指在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。如本文所用，術語「浙青」是指在ニ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」是指主要含有可冷凝烴的混合物的烴流體。如本文所用，術語「地下(subsurface)」是指出現在地球表面以下的地質地層。如本文所用，術語「富含烴的地層」是指任何含有痕量以上烴的地層。例如，富含烴的地層可以包括以大於5體積百分數的水平含有烴的部分。位於富含烴的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「富含有機物的巖石」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。富含有機物的巖石可以包含乾酪根。如本文所用，術語「地層」是指任何可限定的地下區域。該地層可包含任何地質地層的ー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」和/或「下覆巖層」是在感興趣的地層上面或下面的地質物質。上覆巖層或下伏巖層可包括ー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/或下伏巖層可包括砂巖、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「富含有機物的巖層」是指任何含有富含有機物巖石的地層。富含有機物的巖層包括，例如，油頁巖地層、煤地層和焦油砂地層。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ー種或多種其它物質。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、ニ氧化碳或一氧化碳中得到。熱可以被轉移到一部分地層以弓I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「下沉」是指地表相對於該地表的原始海抜向下移動。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増加/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。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(例如橢圓、正方形、長方形、三角形、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。示例性實施方式的描述本發明連同某些具體實施方式
在本文被描述。但是，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採收自然資源的原位方法相關的應用。自然資源可以從包含富含有機物巖石的地層包括例如油頁巖地層採收。富含有機物巖石可包括地層烴，例如乾酪根、煤或重烴。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2NaHC03)、鹼灰(碳酸鈉 或 Na2CO3)和片鈉鋁石(NaAl(CO3) (OH) 2)。圖I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的巖層22和非富含有機物的巖層28或其下的下伏巖層。例證性富含有機物的巖層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的巖層，例如，包括含有煤或焦油砂的巖石基體。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。例如，初始滲透率可小於500毫達西。為了到達富含有機物的巖層22並從中採收自然資源，形成多個井筒。首先，顯示某些井筒14沿著開發區12的周圍。這些井筒14最初設計用作加熱井。加熱井提供熱以熱解富含有機物的巖層22中的烴固體。在一些實施方式中，15至25英尺的井間隔提供給 加熱井14。熱解過程之後，外圍井筒14可轉化成水注入井。所選擇的注入井14用向下的箭頭「I」表示。例證性井筒14呈現為所謂的「行列驅」布置。但是，如結合圖4更充分地討論，可提供各種其他布置。本文公開的發明不限於加熱井或水注入井的布置或選擇方法。另外的井筒16顯示在開發區10內部。這些表示生產井。生產井的代表性井筒16在方位上相對於地表12基本上垂直。但是，應當理解，生產井的ー些或全部井筒16可以偏斜為鈍角或甚至水平的方向。所選擇的生產井16用向上的箭頭「P」代表。在圖I的布置中，井筒14和16的每個在油頁巖地層22中完井。完井可以是裸眼井或下套管井。生產井16的完井還可包括由於水力壓裂操作從中發散的支撐或未支撐的水力壓裂。生產之後，這些內部井筒16的一些可轉化成水生產井。在圖I的視圖中，僅顯示注入井的8個井筒14和僅顯示生產井的12個井筒16。但是，應當理解，在油頁巖開發計劃中，將鑽許多另外的井筒14、16。生產井的井筒16可相對鄰近坐落，間隔從300英尺下至10英尺。在一些實施方式中，提供15至25英尺的井間隔。典型地，井筒14、16以淺深度完井。完井深度範圍在真實垂直深度可從200至5，000英尺。在一些實施方式中，原位乾餾所針對的油頁巖地層在地表下大於200英尺的深度，或可選地在地表下400英尺。可選地，轉化和生產發生在500和2，500英尺之間深度。如上簡要說明，在轉化成水注入井和油生產井和/或水溶性礦物溶液生產井之如，井筒14和16可被選擇用於某些初始功能。一方面，起初井筒14和16按指定順序被鑽井以用於兩個、三個或四個不同的目的。適合的工具和設備可順序地放入井筒14和16中和從中移出，用於各種目的。採出液處理設施60也示意性顯示在圖I中。安裝處理設施60用於通過一個或多個管線或出油管18接收產生自富含有機物的巖層22中的流體。流體處理設施60可包括適於接收和分離從加熱的地層22產生的油、氣和水的設備。流體處理設施60可進ー步包括這樣的設備，所述設備用於在從富含有機物的巖層22中採收的採出水中分離出溶解的水溶性礦物和/或遷移性汙染物種類，其包括例如溶解的有機汙染物、金屬汙染物或離子汙染物。如果熱解在缺乏氧氣或空氣的情況下進行，該汙染物種類可包括芳香烴。這些可包括例如苯、甲苯、ニ甲苯和三甲基苯。該汙染物還可包括多芳烴諸如蒽、萘蔚和芘。金屬汙染物可包括含神、鉻、汞、硒、鉛、釩、鎳、鈷、鑰或鋅的種類。離子汙染物種類吋色括，例如，硫酸鹽、氯化物、氟化物、鋰、鉀、鋁、氨和硝酸鹽。也可存在其他種類，比如硫酸鹽、氨、鋁、鉀、鎂、氯化物、氟化物和苯酚。如果使用氧氣或空氣，汙染物種類也可包括酮、醇和氰化物。而且，存在的具體遷移性汙染物種類可包括上述種類的任何子集或組合。為了採收油、氣和鈉(或其它)水溶性礦物，可以採取一系列步驟。圖2A和2B—起呈現了表明在一種實施方式中從富含有機物的巖層中原位熱採收油和氣的方法200的流程圖。應當理解，圖2A和2B中一些步驟的順序可以改變，並且該步驟順序僅僅用於說明。首先，鑑定油頁巖開發區域10。該步驟 顯示在方框210中。油頁巖開發區域包括油頁巖(或其他富含有機物的巖石)地層22。任選地,油頁巖地層22包含蘇打石或其他鈉礦物。油頁巖地層22內的目標開發區域10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料建立和解釋深度、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/或鑽井眼以從地下巖石獲得巖心樣品。在ー些油田中，地層烴諸如油頁巖可以存在於ー個以上的地下地層中。在ー些情況中，富含有機物的巖層可以被不含烴的巖石層或者具有很少或沒有商業價值的巖石層分開。因此，對於烴開發內油田的經營者來說，可以期望進行分析將哪個地下富含有機物的巖層作為目標或者它們應當以什麼順序進行開發。富含有機物的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，如果富含有機物的巖層22包括至少ー個厚度足以經濟生產烴流體的含地層烴層，那麼該地層將ー般被選擇進行處理。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，那麼富含有機物的巖層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米的富含有機物的巖層內的層。以這種方式，到富含有機物的巖層上面和下面形成的層的熱損失(作為總注入熱的部分)可小於由於一薄層地層烴的這種熱損失。然而，本文描述的方法也可包括附帯地選擇並處理這樣的層一一其可包括基本上不含地層烴的層或者地層烴薄層。ー個或多個富含有機物的巖層的豐富度也可以被考慮。對於油頁巖地層，豐富度一般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、含氫指標以及修正的Fischer試驗分析。Fischer試驗是這樣的標準方法，其涉及在ー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但不太豐富的地層烴層明顯更多有價值的烴。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接性可以被評估。富含有機物的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，如果表現出與地下水具有垂直連續性，則可放棄富含有機物的巖層。石油工程師已知的其它因素可以在選擇開發的地層時考慮。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，地層內巖石的有機物含量或者豐富度也將影響最後的體積生產量。其 次，多個井筒14、16在目標開發區域10形成。該步驟示意地顯示在方框215中。為了方框215井筒形成步驟的目的，最初只有一部分井筒14、16需要完井。例如，在項目開始時，需要熱注入井 14，而還不需要大部分烴生產井16。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。加熱富含有機物的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的巖層(或者地層內的加熱區域)升高至熱解溫度而原位熱解。在某些實施方式中，地層溫度可以慢慢升高經過熱解溫度範圍。例如，原位轉化過程可包括加熱至少一部分富含有機物的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°C、3°C、1°C、0. 5°C或0. 1°C )的速度升高至大約270°C以上。在進ー步的實施方式中，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，小於約400°C。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，也就是，熱解開始發生的溫度範圍低限處的溫度。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應當用於初始地層22加熱。該選擇步驟通過方框220描述。關於熱注入井，存在多種將熱施加到富含有機物的巖層22的方法。除非在權利要求書中明確聲明，本文公開的方法不限於所應用的加熱技術。加熱步驟一般描述在方框225中。方框225具體涉及油頁巖地層，但應當理解，圖2A至2B的步驟可用於熱解或鬆動任何固體烴或重烴材料。富含有機物的巖層22被加熱至足以熱解至少一部分油頁巖以便將乾酪根(或其他固體烴)轉化成烴流體的溫度。轉換步驟通過方框230描述在圖2中。所形成的液體和烴氣體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、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。優選地，對於原位方法，方框225和230的加熱和轉化步驟發生在長時間內。一方面，加熱時間從3個月至4年或更多年。可選地，地層可被加熱I年至15年，可選地，3至10年，I. 5至7年或2至5年。也作為方框230的任選部分，地層22可被加熱至足夠將至少部分蘇打石，如果存在的話，轉化成鹼灰的溫度。在該方面，熟化油頁巖並且採收油和氣所施加的熱也會將蘇打石轉化成碳酸鈉(鹼灰)，一種相關的鈉礦物。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。ー些生產過程包括在從富含有機物的巖層基本上除去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的巖層。在本發明的一些實施方式中，在原位加熱之前不需要部分、基本上或完全除去水溶性礦物。油頁巖轉化成烴流體在起初基本上不可滲透的地層22的巖層中產生滲透性。例如，滲透性可由於通過施加熱而形成加熱部分內的熱壓裂而增加。隨著加熱部分的溫度增カロ，水可由於蒸發而被除去。蒸發的水可以溢出和/或從地層中除去。此外，作為在宏觀規模上由於加熱部分內至少ー些地層烴的熱解而產生烴流體的結果，加熱部分的滲透性也可以增加。在一種實施方式中，富含有機物的巖層在加熱該富含有機物的巖層之前具有I毫 達西以下的初始總滲透率，可選地0. I或甚至0.01毫達西以下。富含有機物的巖層22的加熱部分內選定區域的滲透性可以在該選定區域由於傳導被加熱時迅速増加。例如，熱解至少部分富含有機物的巖層可增加所選定區域內的滲透率至約I毫達西，可選地，大於約10毫達西、50毫達西、100毫達西、I達西、10達西、20達西或50達西。因此，該部分選定區域的滲透率可以增加大約10、100、1，000、10，000或100，000以上的因數。結合加熱步驟225和230，富含有機物的巖層22可任選地被壓裂以有助於傳熱或稍後的烴流體生產。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。熱壓裂可發生在經受加熱的中間區域以及更冷的附近區域。附近區域中的熱壓裂是由於壓裂的蔓延以及由於更熱區域中基體膨脹形成的張應力。因此，通過加熱富含有機物的巖石以及將乾酪根轉變成油和氣，滲透性不但通過流體形成和蒸發而且通過熱壓裂形成而增加。増加的滲透性有助於地層內的流體流動以及從乾酪根產生的烴流體的米出。可選地，可以使用被稱為水力壓裂的方法。水力壓裂是在油和氣採收領域中已知的方法，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カ釋放。水力壓裂可被用於在地層22的部分中產生附加滲透性和/或被用於提供平面的加熱源。名稱為「Methodsof Treating a Subterranean Formation to Convert OrganicMatter into Producible Hydrocarbons」的美國專利號7，331，385描述了水力壓裂的一種應用，並通過引用以其整體併入本文。該專利教導使用導電裂縫加熱油頁巖。加熱部件通過形成井筒然後水力壓裂所述井筒周圍的油頁巖地層進行構造。用形成所述加熱部件的導電材料填充所述裂縫。煅燒的石油焦是示例性的合適的傳導性材料。優選地，所述裂縫在從水平井筒延伸的垂直方向產生。電流可以通過傳導裂縫從每一個井的跟部傳導到趾部。電路可以通過額外的橫向水平井來完成，所述額外的橫向水平井在趾部附近與ー個或多個垂直的裂縫交叉，以提供相反的電極性。美國專利號7，331，385的方法產生「原位烘爐」，所述原位烘爐通過應用電熱而人工熟化油頁巖。熱傳導加熱油頁巖至超過大約300°C的轉化溫度，引起人工熟化。美國專利號7，441，603教導了一種可選的加熱方式,其米用熱流體在油頁巖地層中循環。在美國專利號7，441，603的方法中，超臨界加熱的石腦油可在地層中通過壓裂循環。這意味著該油頁巖通過使濃密的、熱的烴蒸汽循環經過緊密間隔的水力壓裂組而被加熱。一方面，壓裂被水平形成並被常規地支撐。保持320°C -400°C的壓裂溫度達5至10年。蒸發的石腦油可以是優選的加熱介質，因為它的高容積熱容、容易獲得性和在加熱溫度下相對低的降解速率。在美國專利號7，441，603的方法中，隨著乾酪根(或其他固體烴)熟化，流體壓カ將驅動產生的油至加熱的壓裂，在那裡它將和循環的烴蒸汽一起採出。作為烴流體生產エ藝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。在一些情況中，專用生產井直到熱注入井14 (方框230)已經運行幾周或幾月後才被鑽井。因此，方框240可以包括形成附加井筒16，用於生產。在其它情況中，選定的加熱井被轉變成生產井。在某些井筒已經被指定作為油和氣生廣井後，油和/或氣從井筒14中被米出。油和/或氣採出エ藝被顯示在方框245中。在這個階段(方框245)，任何水溶性礦物諸如蘇打石和轉化的鹼灰作為油頁巖床內良好分散的晶體或團塊可能保持基本上限制在富含有機物的巖層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230)期間產生的水中。因此，採出液不僅可以包含烴流體，而且還可以包含含有水溶性礦物的水性流體。在這種情況下，採出液可以在地表採出液處理設施60處分離為烴流和含水流。然後，水溶性礦物和任何遷移性汙染物種類可以從含水流回收，如下面更充分討論的。方框250顯示油和氣採收方法100中任選的下一步驟。這裡，某些井筒14被指定為水或含水流體注入井。這優選地在生產井已經停止操作之後進行。用於注入井的含水流體是水與其它種類的溶液。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pH。可選地，其它種類可以反映微鹹水的可用性，所述微鹹水中希望從地下浙濾的種類是不飽和的。優選地，用於水注入井的井筒選自起初用於熱注入的井筒14或起初用於油和/或氣生產的井筒16的ー些或全部。但是，方框250的步驟的範圍可以包括用作專用水注入井的仍然是附加的井筒的鑽井。在開發區域周圍鑽的注入井將用於產生高壓カ邊界。其次，水或含水流體通過水注入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，注入的水可以是冷的並且隨著它接觸預先加熱的地層而變熱。注入方法可進ー步誘導壓裂。該方法可以在距離水注入井筒一些距離例如高達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，可以被保持在每ー「空穴」頂端以防止垂直生長。伴隨著某些井筒被指定為水注入井，設計工程師還可以將某些井筒指定為水生產井。該步驟顯示在方框260中。水生產井可選自用於之前生產烴的井。這些水生產井可被用於產生溶解的水溶性礦物與包括例如遷移性汙染物種類在內的其它種類的水溶液。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265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包括使用同一井筒用於水注入和水或水溶液生產的選擇(方框265)。當水生產井生產溶解的水溶性礦物吋，它們可被稱作鈉礦物溶液井。方框270表明水可繼續被注入並接著通過鈉礦物溶液井生產。這樣,水溶性礦物從頁巖油地層22浙濾。持續的水循環可進ー步使遷移性汙染物種類循環出去，在地表設施60被除去。 如上面所敘述，井筒可順序用於不同的目的。井筒不止用於ー個目的幫助降低項目成本和/或減少執行某些任務需要的時間。例如，一個或多個生產井可隨後用作注入井用於稍後將水注入富含有機物的巖層。可選地，一個或多個生產井也可用作水生產井用於稍後將水溶液循環經過富含有機物的巖層，以便浙濾出礦物和遷移性汙染物種類。
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。經過頁巖油地層的水循環顯示在圖3的一種實施方式中。圖3表示烴開發下的油田300。在油田300中看到例證性油頁巖地層22的橫截面視圖。四個分開的油頁巖地層區域23、24、25和26描繪在油頁巖地層22中。這包括區域25和26中的油頁巖區37。地層22是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。含水層在地表12下面，並且被分為上部含水層30和下部含水層32。上部含水層30和下部含水層32的中間是弱透水層31。可見，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。—對井34、36顯不垂直向下穿過含水層30、32。一個井用作水注入井34,而另外一個用作水生產井36。這樣，水循環38經過至少下部含水層32。「緻密頁巖」地層28在含水層30、32下方。圖3圖解顯示了水循環38穿過被加熱的油頁巖體積37，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中採收。通過水注入井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水生產井36。水然後可以在水處理設備(未顯示)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除去。遷移性汙染物種類可通過使用例如吸附材料、反滲透、化學氧化、生物氧化、熱石灰軟化和/或離子交換除去。示例性吸附材料可包括活性炭、粘土或漂白土。—方面，操作人員在完成烴生產之後可計算油頁巖地層的孔體積。操作人員然後使等於ー個孔體積的水量循環，主要用於生產溶解的鹼灰和其他水溶性鈉礦物的水溶液目的。然後操作人員可使等於兩個、三個、四個或甚至五個另外孔體積的水量循環，用於浙濾出任何殘留水溶性礦物和其他非含水種類的目的，包括，例如，殘留的烴和遷移性汙染物種類。產生的水被攜帯經過水處理設施。方框270又一次說明注入水和接著生產具有浙濾的礦物的注入水的步驟。水被再注入到油頁巖體積37中，並且重複進行地層浙濾。優選地，這種用水進行的浙濾意圖持續直到在預先加熱的油頁巖區域37內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I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。注入水可被處理以增加遷移性汙染物種類和/或水溶性礦物的溶解度。調整可包括添加酸或鹼以調整溶液的pH。所得水溶液可接著從富含有機物的巖層採出至地面12用於處理。水循環經過油頁巖體積37優選地在大部分的烴流體已經從地層22中熟化的富含有機物的巖石中採出後完成。在一些實施方式中，循環步驟(方框270)可被推遲到烴流體生產步驟(方框245)之後。循環或「浙濾」可被推遲以允許從加熱步驟產生的熱向更深處遷移，進入未熟化的富含有機物的巖石區域中以便將周圍未熟化的富含有機物巖石區域內的蘇打石轉化成鹼灰。可選地，浙濾可以被推遲以允許從加熱步驟生成的熱在周圍未熟化的富含有機物巖石區域內產生滲透性。而且，浙濾可基於碳酸氫鈉或鹼灰的目前和/或預測的市場價而被延遲。 從地層37浙濾出的水溶性礦物可包括鈉。水溶性礦物也可包括蘇打石(碳酸氫鈉)、鹼灰(碳酸鈉)、片鈉鋁石(NaAl (CO3) (OH)2)或其組合。在部分或完全除去水溶性礦 物後，至少ー些水溶液可被再注入到地下地層，在那裡它可以被隱蔽。地下地層可與初始富含有機物的巖層相同或不同。假如符合國家環境標準，其他循環水可被釋放進入當地水庫或附近的水流。生產鈉礦物溶液的步驟(方框265)可包括在地表設施60中處理包含水溶性礦物的水溶液，以除去其中的部分水溶性礦物。該處理步驟可包括通過改變水溶液的溫度引起的沉澱除去水溶性礦物。該地表處理可在地表設施中通過與CO2反應將鹼灰轉化成碳酸氫鈉(蘇打石)。在採出蘇打石之前加熱油頁巖以生產油和氣的影響是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。如果期望的話，鹼灰可在地表上被容易地轉化回蘇打石。這種轉化可容易地完成使得兩種礦物可有效地互換。在熱解和水循環過程中，烴流體和遷移性汙染物種類的遷移可通過產生其中地層的溫度保持在低於熱解溫度的外圍區域而被包括。優選地，地層的溫度保持低於原位水的冰凍溫度。將地下冷凍用於穩定加固差的土壌或者給流體流動提供屏障在本領域中通常是已知的。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和美國專利號4，607，488。冷凍壁可以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10周邊存在的乾酪根的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。這用於防止熱解的流體遷移進入開發區或油田10外面的地下水。一旦烴開始生產，通過選擇性放置注入井16和生產井16也可實現控制烴和遷移性汙染物種類的遷移，以便使流到加熱區外的流體最小化。典型地，這包括將注入井14布置在加熱區域周圍，以便產生防止在加熱區域中的流體離開該區域的壓カ梯度。注入井14可注入水、蒸汽、CO2、加熱的甲烷或其他流體，以向內朝著生產井16驅動裂化的乾酪根流體。再次參看圖3，應當理解，在實際的油頁巖開發300中可以有許多水注入井34和水生產井36。而且，開發300可包括放置在油田中所選定點上的一個或多個監控井39。監控井39可在油頁巖加熱階段、頁巖油生產階段、浙濾階段或在這些階段的任何組合期間使用，以監控遷移性汙染物種類和/或水溶性礦物。而且，監控井39可配備ー個或多個測量井筒中溫度、壓カ和/或流體特性的設備。在一些情況下，生產井也可用作監控井，或以其他方式安裝。如上所述，幾個不同類型的井可用於富含有機物的巖層的開發，包括例如油頁巖油田。例如，富含有機物的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。電阻加熱涉及直接將電流通過導電材料，從而電阻損耗使其加熱導電材料。重油儲層電加熱方法應用的評述由R. Sierra和S. M. Farouq Ali在「儲層電加熱方法的油田段用的ロ」-觀進展(Promising Progress in Field Application of Reservoir ElectricalHeating Methods) 」，Society of Petroleum Engineers Paper69709 期(2001)中給出。公開了使用電阻加熱器原位生產油頁巖的早期專利是美國專利號1，666，488。' 488專利於1928年授予Crawshaw。從1928年起，已經提出了井下電加熱器的許多設計。例證性設計 呈現在美國專利號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。一方面，可通過在單個井筒中提供導電元件形成電阻加熱器。導電元件可以是金屬棒、金屬杆、金屬管、金屬絲或絕緣電纜。將導電顆粒材料放置在每個井筒下端與導電元件電連接。在地下在第一井筒和第二井筒之間形成通道。該通道在地下地層中至少部分位於被加熱的地層中或附近。一方面，通道包括ー個或多個連接的壓裂。導電顆粒材料另外放置在壓裂中以提供鄰近井筒的導電元件之間的電連通。電流經過導電元件之間。使電流通過導電元件和中間顆粒材料引起電阻熱主要從在井筒中的導電元件產生。用於產生熱的該布置公開並描述在2008年11月6日公開的美國專利公開號2008/0271885中。該出版物的名稱為「用於原位地層加熱的顆粒電連接(Granular Electrical Connections for In Situ Formation Heating)，，。圖 30A 和 31以及相關內容通過引用併入本文。美國專利公開號2008/0271885描述了鄰近井筒之間的通道是鑽出通道的某些實施方式。照這樣，井筒的下端成流體連通。傳導顆粒材料接著灌入或以其他方式放置在通道中，以便顆粒材料位於井筒和鑽出通道二者中。使電流再次經過導電元件和中間顆粒材料，引起電阻熱主要從在井筒中的導電元件產生。結合圖30B、32和33公開並描述了用於產生熱的這種布置。另ー方面，可通過在單個井筒中提供導電管道系統或其他元件形成電阻加熱器。更具體而言，導電第一元件和導電第二元件可布置在每個井筒中。傳導顆粒材料接著布置在井筒中的傳導元件之間，以提供電連通。顆粒材料可與具有更大或更低傳導性的材料混合，以調整體積電阻係數。具有較大傳導性的材料可包括金屬銼屑或鋼砂(shot);具有較低傳導性的材料可包括石英砂、陶瓷顆粒、粘土、砂礫或水泥。電流經過傳導元件和顆粒材料。使電流經過傳導元件和中間顆粒材料,引起電阻熱主要從在各個井筒中的電阻顆粒材料中產生。在一種實施方式中，在期望最小化加熱或不加熱的區域中，導電顆粒材料中穿插高度傳導性顆粒材料的小塊。該加熱井布置公開並描述在2008年9月25日公開的美國專利公開號2008/0230219中。該出版物的名稱為「用於原位地層加熱的電阻加熱器(Resistive Heater for In Situ Formation Heating)，，。圖30A、31A、32和33以及相關內容通過引用併入本文。仍另一方面，可通過在鄰近井筒中提供導電元件形成電阻加熱器。鄰近井筒在下端通過鑽出通道連接。接著灌注或以其他方式將傳導顆粒材料放置在通道中，以便顆粒材料位於各個通道中並至少部分在每個相應的井筒中。在井筒之間經過的電流穿過顆粒材料。使電流經過管道和中間顆粒材料，引起電阻熱通過地下主要從電阻顆粒材料產生。具體結合圖34A和34B，這種布置也公開和描述在美國專利公開號2008/0230219中。圖34A和34B以及相關內容同樣通過引用併入本文。在任何這些情況下，熱能通過熱傳導傳遞至地層以加熱富含有機物的巖石。其中電流通過以熱分散電能的電阻材料的電阻器的使用不同於電介質加熱，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。

共有美國專利申請號61/109,369也是有益的。該申請於2008年10月29日提交，並且名稱為「用於加熱地下地層以將有機物轉化成烴流體的導電方法(Electricallyしonductive Methods for Heating a Subsurface Formation to Convert Organic Matterinto Hydrocarbon Fluids)」。該申請教導使用兩種或多种放置在富含有機物的巖層中並具有不同電阻性質的材料。電流經過地層中的材料以產生電阻熱。該原位放置的材料提供電阻熱，而不在井筒附近產生熱點。該專利申請以其整體通過引用併入本文。期望的是以預先計劃的布井方式為油頁巖油田布置加熱井和生產井。例如，加熱井可以以各種布井方式布置，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。注入井同樣可以被布置在重複性布井方式的單元內。該布井方式可類似於或不同於加熱井所用的布井方式。加熱井的陣列可以被這樣放置，使得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。在可選實施方式中，加熱井的陣列可以被這樣放置，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，在富含有機物的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。在ー種布井中，單個生產井被一層加熱井環繞。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。在另ー實施方式中，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更遠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當它們從其起源地點遷移到生產井時的通道和溫度歷史。圖4提供使用ー層以上加熱井的例證性加熱井排列的平面圖。使用該加熱井排列與從頁巖油開發區域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被提及。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。兩層410、420中的加熱井431、432也可以被這樣布置，使得通過加熱從第二層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進ー步可以被這樣布置，使得通過加熱從第二層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，而不通過基本上増加地層溫度的區域。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，包括第一層加熱井410在內的多個加熱井431被置於生產井440周圍，其中包括第二層加熱井420在內的第二多個加熱井432被置於第一層410周圍。在一些情況下，可能期望使用這樣的井網，所述井網在特定方向上伸長，尤其在確定提供最有效的熱傳導率的方向。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カ垂直的方向更有效。在一些情況中，熱對流可在與最小水平主應カ平行的方向更有效。例如在行列驅井網或點井網中可以實施伸長。與油頁巖油田的開發相關，可期望的是，按照步驟225和230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不可能均勻進行。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具有或多或少的生產能力。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更少的熱能。這又導致採出液不均勻的流動和採收。採出油質量、總生產速率和/或最終的採收可能減少。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、壓カ、流速和/或組成信息的設備。來自這些傳感器的數據可以通過簡單的規則進行加工或者被輸入進行詳細的模擬，以得到如何調節加熱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，利用來自兩個或多個井的流速、組成、溫度和/或壓カ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ー組井的熱、流動和組成數據進行評估。在另ー實例中，井完整性基於壓カ數據、井溫度數據以及估計的原位應カ進行評價。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)。
如上所述，有多種將熱施加到富含有機物的巖層的方法。上面討論了置於井筒中或井筒外的電阻加熱器的使用。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。還有其它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。在本發明方法的某些實施方式中，井下燃燒器可用於加熱目標油頁巖區域。各種設計的井下燃燒器已經在用於油頁巖和其他大的固體烴沉積物的專利文獻中討論。例子包括美國專利號2，887，160 ;美國專利號2，847，071 ;美國專利號2，895，555 ;美國專利號3，109, 482 ;美國專利號3，225,829 ;美國專利號3，241,615 ;美國專利號3，254，721 ；美國專利號3，127,936 ;美國專利號3,095,031 ;美國專利號5，255，742 ;和美國專利號5，899，269。井下燃燒器通過將易燃燒燃料(典型地天然氣)和氧化劑(典型地富含氧的空氣)運輸至井筒中的地下位置而運轉。燃料和氧化劑在井下反應產生熱。典型地通過運輸至地表，但儘可能地注入地層，除去燃燒氣體。通常，井下燃燒器使用管中管布置以向井下運輸燃料和氧化劑，並接著通過環空將煙道氣除去回到地表。ー些井下燃燒器產生火焰，而其他則不會。由於降低的基礎設施成本，井下燃燒器相對電加熱方法有優勢。此方面，不需要昂貴的發電廠和配線系統。而且，由於避免了發電期間固有經歷的能量損失，從而增加了熱效率。由於各種設計問題，存在很少的井下燃燒器的應用。井下燃燒器設計問題包括溫度控制和冶金學限制。在此方面，火焰溫度可過度加熱管狀硬體和燃燒器硬體並造成它們通過熔化、熱應力、拉伸強度的嚴重損失或蠕動而失效。某些通常具有高鉻含量的不鏽鋼可承受高達約700°C的溫度一段長時間。(見，例如H. E. Boyer和T. L. Gall (eds. ) ,MetalsHandbook, 「 16 _早Heat-Resistant Materials」, American Society for Metals, (1985)。火焰的存在可造成燃燒器內和燃燒器周圍地層中的熱點。這是由於來自火焰發光部分的輻射傳熱。但是，典型的氣體火焰可產生高達約1，650°C的溫度。構造燃燒器的材料必須足夠經得住這些熱點的溫度。加熱器因此比沒有火焰的相應加熱器更昂貴。對於井下燃燒器應用，傳熱可以數種方式之ー發生。這些包括傳導、對流和輻射方法。輻射傳熱對於明火可尤其強烈。另外，由於CO2-和水含量，煙道氣可以是腐蝕性的。使用難熔金屬或陶瓷可幫助解決這些問題，但通常以更高的成本。在超過900°c的溫度具有可接受強度的陶瓷材料一般是高氧化鋁含量的陶瓷。可有用的其他陶瓷包括氧化鉻、氧化鋯和氧化鎂基陶瓷。用於井下燃燒器的管中管布置中的傳熱可也產生困難。向下的燃料和空氣與向上的煙道氣熱交換。在井中存在高度絕熱的最小空間，因此通常期望顯著的傳熱。當燃料和空氣被預熱，該交叉熱交換可導致更高的火焰溫度。另外，交叉熱交換可限制向燃燒器的下遊傳熱，因為熱的煙道氣可迅速將熱能丟失至上升的更冷的煙道氣。共有美國專利公開號2008/0283241提供改進的井下燃燒器。該申請於2008年11月20日公開,名稱為「用於原位轉化富含有機物的地層的井下燃燒器井(Downhole BurnerWells for In Situ Conversion of Organic-Rich Formations) 」。涉及改進的井下燃燒器井的該教導通過引用併入本文。 在公開的申請中，井筒可被交叉以形成單個加熱井。井筒對成流體連通，以便第一井筒和第二井筒一起形成單個加熱井。氧化劑和第一易燃燃料被注入第一井筒。硬體設置在第一井筒中，以便使氧化劑和第一易燃燃料混合併在富含有機物的巖層足夠的深度燃燒。來自點燃燃料的熱煙道氣流經地層中第一井筒的水平部分。這產生第一熱分布。熱煙道氣接著流入第二井筒井上升。這樣，從第二井筒產生第二熱分布。在使燃燒產物流動一段時間後，第一熱分布與第二熱分布相互穿插(mate)，以便在第一和第二井筒之間的大部分富含有機物的巖層中形成基本上連續的地層烴的熱解區域。燃燒器的位置和深度、熱的強度、形成井筒的管的組 合和井筒的間隔都提供決定來自兩個井筒的熱分布如何良好地「相互穿插」的變量。井下燃燒器的使用是稱為蒸汽發生(steam generation)的另ー種形式井下產熱的替代方案。在井下蒸汽發生中，井中的燃燒室用於使放置在井筒中的水沸騰，用於注入地層。該井下加熱技術的應用已經描述在F. M. Smith, 「A Down-Hole Burner-VersatileTool for Well Heating，，，25th Technical Conference on Petroleum Production,Pennsylvania State University,275-285 頁(1966 年 10 月 19-21 日)；H. Brandt,ff.G.Poynter 和 J. D, Hummell, 「Stimulating Heavy Oil Reservoirs with DownholeAir-Gas Burners」，World Oil,91-95 頁(1965 年 9 月)；和 C. I.DePriester 和A. J.Pantaleo, 「Well Stimulation by Downhole Gas - Air Burner」，Journal ofPetroleum Technology,1297-1302 頁(1963 年 12 月)中。例如通過熱解加熱富含有機物的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。產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,隨著地層內加熱部分內的溫度升高,加熱部分內的壓カ由於流體產生增加、分子膨脹以及水的蒸發也可能升高。因此，ー些必然的結果存在於油頁巖地層內的地下壓カ與熱解期間產生的流體壓カ之間。這又表明，地層壓カ可以被監控以檢測乾酪根轉化過程的進展。富含有機物的巖層的加熱部分內的壓カ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、富含有機物的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。地層內的壓カ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，壓カ可以在生產井處進行測量。在可選實施方式中，壓カ可以在加熱井處進行測量。在仍然其他實施方式中，壓カ可以在專用監控井的井下進行測量。加熱富含有機物的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的巖層內已經產生基本的滲透性之前達至IJ。初始缺乏滲透性可以防止從熱解區域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的巖層，富含有機物的巖層內的流體壓カ可以提高，接近加熱井壓力。可選地，可使由地層內產生的熱解流體或其它流體的膨脹產生的壓カ增加。這假定至生產井的開放通道或其它壓カ降還未存在於地層中。一方面，流體壓カ可被允許增加到巖石靜應カ或之上。在這種情況中，當流體壓カ等於或超過巖石靜應カ時，含烴地層中的壓裂可形成。例如，壓裂可以從加熱井形成至生產井。加熱部分內壓裂的產生可以減小該部分內的壓カ，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的巖層內已經開始，流體壓カ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，孔內的流體壓カ可能増加。從地層中移出產生的流體則可減小地層附近井筒區域內的流體壓力。在某些實施方式中，至少一部分富含有機物的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將増加。任何有效地從油頁巖或其他固體烴材料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。將要發生該現象的程度通過大量的膨脹說明，如果從乾酪根產生的流體未被採出，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エ藝之前50和之後51的ー噸Green River油頁巖。模擬的過程是在2，400psi和750 °F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54。由於轉化該材料膨脹至27. 3 ft3 55。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，大量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。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的巖層內的條件變化。控制熱和/或富含有機物的巖層中選定部分的加熱速度可以增加或減少選定的採出液的生產。在一種實施方式中，操作條件可以通過測量富含有機物的巖層的至少ー種特性進行確定。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ー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，以從至少ー個或多個測量的特性確定ー組操作條件。該程序也可以被配置以從所選擇的採出液的至少ー種特性確定該組操作條件。以此方式，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相關聯的作業系統。該作業系統可以被配置以與加熱井對接。作業系統可以接收來自加熱器的信號(例如電磁信號)，其表示加熱井的溫度分布。此外，作業系統可以被進ー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相關聯的設備的參數，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。加熱的富含有機物的巖層內的溫度(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係數、發生反應的類型、地層烴的類型以及富含有機物的巖層內水的存在。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。此夕卜，在加熱井處，在地層緊接周圍的溫度被相當充分地了解。但是，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。一旦流體開始從地下地層採出，流體將被處理。圖6圖解了可配置來處理採出液
85的採出液處理設施60的實施方式的示意圖。流體85通過生產井61從示意性顯示在84的地下地層中採出。地下地層84可以是任何地下地層，包括，例如，富含有機物的巖層，其包含例如任何的油頁巖、煤或焦油砂。在例證性地表設施60中，採出液被淬火62至低於300 °F, 200 0F或甚至100T的溫度。這用於分離出可冷凝的組分(S卩，油64和水65)。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，採出液包含許多可在流體處理設施60中分離的組分。採出液85典型地包含水65、不可冷凝烷烴種類(例如，甲烷、こ烷、丙烷、正丁烷、異丁烷)、不可冷凝烯烴種類(例如，こ烯、丙烯)、可冷凝烴種類，其包括烷類、烯烴類、芳烴類和聚芳烴類等，和非烴種類，比如C02、CO、H2, H2SjP NH3。在地表設施比如流體處理設施60中，通過降低溫度和/或增加壓カ，可冷凝組分66可與非冷凝組分64分開。溫度降低可使用通過周圍空氣或可獲得的水62冷卻的換熱器實現。另外或任選地，熱採出液可通過與被注入地層的流體熱交換冷卻，比如本文其他地方所描述。可選地，熱採出液可通過與之前冷卻的採出的烴流體熱交換被冷卻。可通過離心壓縮機或往復式壓縮機增加壓力。可選地，或聯合地，擴散器-膨脹器裝置可用於從氣態流中濃縮出液體。分離可包括數個階段的冷卻和/或壓カ改變。在圖6的布置中，流體處理設施60包括用於從烴蒸汽或氣體66中分離液體或油64的油分離器63。不可冷凝蒸汽組分66在氣體處理單元67中處理以除去水68。硫種類69和其他酸氣組分也在氣體處理67期間被除去。酸氣除去可以通過使用蒸餾塔而實現。這種塔可包括中間的冷凍段，其中允許冷凍的CO2和H2S顆粒形成。冷凍的顆粒和液體的混合物向下落下進入汽提段，其中較輕的烴氣在塔內逸出並且上升。精餾段可以被提供在塔的上端以進ー步促進塔頂氣流的浄化。這種方法和相關方法的其他細節可見於美國專利號 3，724，225 ;4，511，382 ;4，533，372 ;4，923，493 ;5，120，338 ;和 5，956，971。化學反應方法也可用於除去酸氣組分。化學反應方法一般包括在高壓和/或低溫下使氣流接觸胺的水溶液。這使得酸氣種類與胺發生化學反應並且進入到溶液中。通過升溫和/或降壓，化學反應可以被逆轉並且濃縮的酸氣流可以被回收。可選的化學反應方法涉及熱的碳酸鹽溶液，一般為碳酸鉀。熱的碳酸鹽溶液被再生，並且濃縮的酸氣流通過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ニ元醇。類似於胺方法，降壓或升溫允許溶劑再生以及酸氣回收。某些胺或ニ元醇可以在除去的酸氣種類上或多或少地具有選擇性。從氣流66除去硫化氫或其他含硫化合物產生濃的H2S流69。濃的H2S流69可在例如硫回收エ廠(未顯示)中進ー步處理。可選地，作為酸氣注入方法的一部分，濃的H2S流69可被注入煤層、深含水層、基本上耗盡的壓裂的緊密氣體區域、基本上耗盡的油頁巖區域、耗盡鈉礦物的油頁巖區或其組合。氣流的氫含量可以通過去除全部或部分氫(H2)而下降或者通過去除全部或部分非氫種類(例如CO2XH4等)而提高。分離可以利用低溫冷凝、變壓或變溫吸附、或選擇性擴散膜實現。如果需要另外的氫，氫可以藉助通過典型的水煤氣變換反應重整甲烷而製得。優選地，表示不可冷凝組分的氣體66被進ー步處理以除去較重組分的一部分。較重組分可包括丙烷和丁烷。該分離在氣體發生裝置81中進行以形成液體石油氣體(LPG)80。LPG 80可被進ー步冷凍並放入卡車或管線用於銷售。分開的結合的燃氣渦輪進料流因此提供在83處。
當降低溫度或增加壓力吋，除了可冷凝烴之外水68也可從氣體66滴出。液態水可以在氣體處理67之後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68被送回到油分離器63。在油分離器63處，水65與油64分開。優選地，油分開63方法包括使用破乳劑以幫助水分離。水68可被引入単獨的水處理設施，以處理，可選地，儲存用於隨後的再注入。採出液處理設施60也優選地操作以在電廠88中發電82。為了該目的，殘留氣體83用於發電82。如所述，氣流83被稱為燃氣渦輪進料流。燃氣渦輪進料流83的組成可被監控惰性或高熱值組分含量。例如，如果高熱值組分氣體含量過高，這可能是ー種指示應當降低來自具體生產區域的流速。可選地，如果惰性氣體組分如CO2的含量過低，這可能是ー種指示應當增加來自具體生產區域的流速。響應作為監控的結果接收的數據，可使ー個或多個另外的井在線或離線，以調整co-2或其他高熱值組分含量。可選地，通過將燃氣渦輪進料流83與指定的預混合的氣體儲藏混合可改變氣體組成。 從燃氣渦輪進料流83產生的電能82可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可以高電壓例如132，000V輸送至變壓器86並降低為較低的電壓，例如6，600V，然後輸送至位於地下地層84的加熱井87中的電阻加熱器元件89。這樣，加熱地下地層84需要的全部或部分能量可從採出液85的非冷凝部分66產生。如果可獲得，過多的氣體可被輸出以出售。在一種實施方式中，產生的電佔加熱富含有機物的巖層使用的熱的60%以上。在可選的實施方式中，產生的電佔加熱富含有機物的巖層使用的熱的70%、80%或90%以上。一些產生的電可出售給第三方，包括例如，電カ公司。這意味著油田中不使用的過多的電可輸送至電網並出售。但是，一些實施方式可包括在所選定的非高峰需求時間從電力供應商處購買電以滿足電阻加熱元件89的電カ需要。就重烴或固體烴的熱解而言，期望増加富含有機物的巖石地層中有效熱擴散係數的值。就目前的加熱方法而言，熱在單個加熱井或在加熱井之間人工形成的壓裂中產生。隨著時間推移，熱向外傳播經過被熱解並採收的地層。在此方面，對於原位熱解初始低滲透性的富含有機物的巖層，比如油頁巖、煤或焦油砂地層，井下熱源主要依賴於熱穿透進入地層的熱傳導。主要依賴於熱傳導加熱地層有許多限制。首先，熱傳導是相對慢的過程。這迫使操作人員採用熱源之間近的間隔，以實現在商業上可接受的時間，優選地I到6年，有效地加熱。而且，熱傳導容易導致不均勻溫度分布。這是由於熱離開熱源並進入地層的緩慢蔓延。該不均勻的加熱可導致熱源附近的溫度遠高於在合理時間框架內熱解轉化所需要的溫度。該過度加熱是能量的一種低效使用。存在井下熱源或原位熱源的替代方案。例如，射頻加熱可提供更快速的加熱。但是，射頻加熱的實施可明顯比井下熱源更昂貴。因此，存在對增強傳熱並提供比井下熱源方法更均勻加熱的方法的需要。更有效使用輸入熱能並更快的傳熱可提供加熱井之間更大的間隔並能夠相應減少需要的熱源數量。這又降低鑽井成本並加速油田開發。本文建議提供ー種方式以增加富含有機物的巖層中從熱源至周圍地層的傳熱速率。富含有機物的巖層初始具有低滲透率。低滲透率可以是例如I達西、500毫達西、10毫達西或甚至0. I毫達西。為了增強有效熱擴散係數，以增加原位傳熱速率的這種方式，氣體(或蒸汽相的流體)被注入進行加熱的地層。
就其各種實施方式中的方法而言，使用井下或其他原位熱源加熱富含有機物的巖層。地層被有源加熱至至少約270°C的熱解溫度。加熱地層至該溫度增強滲透性。如上面所討論，這通過巖石基體的熱誘導的膨脹、通過將巖石熱解成蒸汽和/或烴流體和通過引起較冷的周圍巖石基體中的熱壓裂實現。此後，氣體被注入富含有機物的巖層。圖7A是由富含有機物的巖石組成的地下地層的側視圖。根據本文描述的示例性方法(ー種或多種)，地層被加熱用於熱解地層烴。圖7B是由富含有機物的巖石組成的地下地層的側視圖。氣體流動經過壓裂，從而使熱加速輸送過地層。根據本文所描述的另一種示例性方法(ー種或多種)，地層被加熱用於熱解地層烴。以這種方式注入氣體以使地層的熱擴散係數比沒有氣體注入發生的情況增加至少 50%o本文說明了用於加熱地下705和熱解地層烴的兩種示意性方法。這些呈現在圖7A 和7B中。在圖7A中，地下701通過使用加熱井720中的傳導顆粒材料727加熱。在圖7B中，地下701通過使用加熱井中的電阻金屬棒加熱並且沒有使用顆粒材料。通常一起參看圖7A和7B，每個圖表示開發區域700 —部分的示意圖，開發區域700用於採出作為示例性原位熱解方法的結果產生的頁巖油或其他烴流體。開發區域700具有地表701和地下705。地下705內是富含有機物的巖層710。富含有機物的巖層710優選地是油頁巖地層。開發區域700包括地表處理設施760。地表處理設施760通常與圖6的採出液處理設施60 —致，並且用於處理從富含有機物的巖層710接收的採出液的主要目的。作為發生在地層710中的熱解的結果，產生採出液。地表處理設施760分離流體組分，並輸送油流774和氣流776用於商業出售。地表處理設施760保留一部分的分離氣體作為燃氣渦輪進料流783。燃氣渦輪進料流783提供用於為電廠788 —部分的燃氣渦輪的燃料。在電廠788中，燃料與氧化劑結合併點燃，使電廠788中的燃氣渦輪發電782。再一次提供變壓器786。變壓器786逐步降低電壓，例如6，600V，並輸送電流784。在圖7A和7B的例證性布置中，電能從變壓器786輸送至加熱井。加熱井分別見720和720B。在圖7A和7B中，加熱井720、720B提供電阻熱至富含有機物的巖層710。這樣在富含有機物的巖層710中產生熱前緣740。熱前緣740加熱富含有機物的巖層710至足以將固體烴熱解成烴流體的水平。在油頁巖地層的情況下，該水平至少為約270°C。在圖7A中，加熱井720具有導電第一元件722。導電第一元件722延伸至大約富含有機物的巖層710的深度。加熱井720也具有導電第二元件724。導電第二元件724沿著井720延伸下降並基本上進入富含有機物的巖層710的深度。加熱井720作為裸井完井。裸井基本上沿著g含有機物的巖層710延伸至井720的低端728。傳導顆粒材料727放置在裸井內至低端728以便立即暴露於富含有機物的巖層 710。為了產生電阻熱，電流784向下輸送經過導電第一元件722。電流784到達顆粒材料727並接著經過導電第二元件724。電流784接著回到地表701，形成電路。隨著電流784經過顆粒材料727，阻抗生熱。在此方面，顆粒材料設計為具有比導電第一元件722和第二元件724的電阻係數明顯更高的電阻係數。
除了和/或代替圖7A中顯示的ー種或多種特點，圖7B顯示具有單個導電元件722B的加熱井720B。導電元件722B延伸至大約富含有機物的巖石地層710的深度。加熱井720B不使用導電第二元件，也沒有顆粒材料。而是，熱通過導電井筒加熱器727B，例如，細長的導電加熱元件(ー個或多個)的電阻性質產生。基於圖7B中井筒加熱器727B實現和/或顯示的熱前緣740也可通過引入加熱的流體742被增強，例如，實現改善的熱擴散係數，如740B所顯示。圖7B中顯示的井筒720B可被下套管，例如，在高於井筒加熱器元件727B處，以允許在地層710的目標區域引入加熱的流體。另外的加熱流體，例如，比如圖7A的蒸汽管726，是任選的。
應當理解，圖7A和7B的加熱井720和720B僅僅是示意性的。可使用如上面所描述和/或通過引用併入本文的其他加熱井配置。這些包括包括通過閉合井下迴路循環熱流體比如加熱的石腦油的加熱井配置；使用井下燃燒用燃燒器的加熱井配置，包括其中兩個井筒流體連通用於循環熱的煙道氣的配置；電阻加熱井，其中熱主要產生自布置在兩個或多個鄰近井筒之間的地層中形成電路的顆粒材料；和電阻加熱井，其中熱主要產生自鄰近井筒中細長的、導電金屬元件(比如棒、管、杆或管狀元件)，並且其中電路使用鄰近井筒之間地層中的顆粒材料形成，以形成電路。另外，可使用井筒中的電阻金屬棒，用於加熱地層而不使用顆粒材料。開發區域700也包括生產井730。例證性生產井730包括細長的套管柱732或其他管狀元件。套管柱732從地表701延伸，經過富含有機物的巖層710，並接近井730的底部738。因為結合原位熱解過程預期經歷過高的地層溫度，需要使用抗熱的井下設備。例如，套管柱732的下面部分735可需要由陶瓷製造。在圖7A和7B的布置中，沿著富含有機物的巖層710的套管柱732的下面部分735被穿孔。穿孔735允許包括熱解油和熱解氣體的地層流體進入生產井730。生產井730也包括生產油管734。生產油管734攜帶地層流體從生產井730的穿孔部分735上升至地表701。封隔器763或其他密封裝置可用於密封生產油管734和周圍套管柱732之間的環形區域737。ー個或多個泵(未顯示)可任選地用於人工升高地層流體至地表701。一旦在地表701，地層流體從生產井730被攜帶至地表處理設施760。提供出油管線750用於輸送地層流體。溫度表752優選地沿著靠近地表701的出油管線750放置，使得操作人員能夠監控地層流體的溫度。可選地，溫度表752可布置在井下，在封隔器763附近或下方。應當理解，在實踐中，生產熱解烴流體的開發區域具有多個加熱井720和多個生產井730。加熱井720與生產井730的相對布置可根據圖4或如上面所討論的其他布井模式。如所述，本文建議提供ー種方法，增加富含有機物的巖層中的傳熱速率。如應用至圖7A和7B的開發區域700的，期望改善熱從加熱井720經過地層710併到達生產井730的輸送。為了增強有效熱擴散係數，以增加原位傳熱速率的這種方式，氣體(或蒸汽相的流體)被注入進行加熱的地層。隨著熱前緣740從加熱井720移動並經過地層710，地層710的滲透性增加。富含有機物的巖層初始具有低的滲透率。低滲透率可以是例如I達西、500毫達西或甚至I毫達西。隨著加熱井720周圍的地層溫度升高和隨著滲透性増加，壓裂712從加熱井730出發進入較冷的周圍巖層710。最終，裂縫可鄰近生產井730展開。在該點上方，氣體可被注入壓裂712。氣體742流動經過壓裂712有助於傳熱經過富含有機物的巖層710。這又在富含有機物的巖層710內提供更均勻的熱分布，同時增加熱傳送速率。氣體742的流動可有助於以各種方式將熱傳送經過地層。例如，在一些實施中，氣體流動可通過用經過熱巖石或在至地層中更深部分的途中的電阻加熱器上方的氣體攜帶的對流加熱補充地層的傳導加熱，增加進入地層的熱滲透速率。另外或任選地，在一些實施中，氣體流動可直接有助於加熱地層，比如通過預熱和對流地攜帶它自身的熱進入地層。氣體742流動和它潛在的好處通過閱讀該整個公開將更好地理解。在圖7的圖解中，氣體從地表處理設施760注入，經過氣體注入管線785併到達加熱井720。氣體被向下輸送至限定導電第二元件724的管狀元件。穿孔725布置在橫跨富 含有機物的巖層710深度的導電第二元件724中。穿孔725在壓カ下輸送注入的氣體。以這種方式注入氣體,使地層710的熱擴散係數比沒有氣體注入發生的情況增加至少約50%。更優選地，富含有機物的巖層710的熱擴散係數增加約100%。應當注意,在圖7A中顯示的布置中，氣體通過加熱井720注入。但是,氣體可經過単獨的、特定專用的氣體注入井注入。優選地，這種氣體注入井在接近相應加熱井的位置完井。無論如何注入氣體，優選地注入氣體在原位條件(即溫度、壓カ和化學條件)是相對惰性的。合適的例子是甲烷或天然氣。優選地，注入氣體是由於熱解從地層採出的氣體的一部分。在一些實施方式中，注入氣體可包括N2XO2或H2。在一些實施方式中，注入氣體來自地表設施760的氣-液分離的第一階段。例如，這會是高壓分離器。優選地，這在發生採出液ー些冷卻之後進行。在富含有機物的巖層710中發生的傳熱是對流和熱擴散(或熱傳導)的結合。地層中的熱對流是由於蒸汽和液體流過地層的非等溫區域。蒸汽和液體可以是注入組分、熱解形成的組分、或由於升高溫度而流動的組分。熱擴散由熱傳導與容積熱容的比例定義。熱擴散係數具有m2/s的SI (標準國際單位)，如下
K =—
曝2
「0248] H .中 (X 擴散 mmmmmmmm
mek是熱傳導係數^-
mKp是密度^■和
m
ICd是比熱容T-Tr
%■八
熱擴散的速率取決於被加熱的材料的熱擴散係數。由熱擴散控制的系統中溫度的變化由傅立葉場方程描述
權利要求
1.從富含有機物的巖層生產烴流體至地表設施的方法，所述方法包括 鄰近至少ー個原位熱源提供至少ー個生產井，每個原位熱源配置來在所述富含有機物的巖層中產生熱以便將固體烴熱解成烴流體； 原位加熱所述富含有機物的巖層以在接近所述至少一個熱源的所述富含有機物的巖層中產生至少270°C的溫度，以便熱以有效熱擴散係數第一值a :從所述至少ー個熱源離開並經過地層，以及以便增加滲透性且使得在鄰近所述生產井的地層中形成熱壓裂； 將氣體注入所述富含有機物的巖層，以使所述地層中有效熱擴散係數的值增加至調整的第二值a 2，其中a 2大於所述第一值a 至少50% ;和 通過所述至少ー個生產井從所述富含有機物的巖層生產採出液。
2.根據權利要求I所述的方法，其中所述富含有機物的巖層包括重烴或固體烴。
3.根據權利要求I所述的方法，其中所述富含有機物的巖層是油頁巖地層。
4.根據權利要求3所述的方法，其中所述油頁巖地層具有小於約10毫達西的初始滲透率。
5.根據權利要求3所述的方法，其中在氣體注入所述油頁巖地層之前鄰近多個生產井形成熱壓裂，並且其中大部分的所述氣體經過所述熱壓裂注入。
6.根據權利要求5所述的方法，其中將氣體注入所述油頁巖地層進一歩包括經過與各熱源相關聯的井筒注入所述氣體。
7.根據權利要求5所述的方法，其中將氣體注入所述油頁巖地層包括形成多個氣體注入井，形成的每個氣體注入井比與生產井相關聯的最近井筒更接近與熱源相關聯的最近井筒。
8.根據權利要求3所述的方法，其中第二有效熱擴散係數值Ci2大於第一有效熱擴散係數值a !至少100%。
9.根據權利要求3所述的方法，其中每個熱源包括電阻加熱器。
10.根據權利要求3所述的方法，其中每個熱源包括電阻加熱器，a)其中電阻熱在井筒中產生，(ii)其中電阻熱主要產生自井筒中的傳導性材料，或(iii)其中電阻熱主要產生自布置在所述富含有機物的巖層中的傳導性材料。
11.根據權利要求3所述的方法，其中每個熱源包括a)其中熱煙道氣在井筒中循環或經過流動連接的井筒循環的井下燃燒井，或ai)熱流體經過所述富含有機物的巖層的閉環循環。
12.根據權利要求3所述的方法，進ー步包括 估計所述油頁巖地層的兩個或更多個點處的所述地層的溫度； 使用所估計的溫度估計所述地層中ー個或多個熱擴散係數；和 調整注入氣體進入一個或多個氣體注入井的注入速率，以改變所述有效熱擴散係數第ニ值 a2。
13.根據權利要求12所述的方法，其中估計所述溫度包括從與多個生產井的至少三個相關聯的傳感器獲得測量值。
14.根據權利要求12所述的方法，其中估計所述溫度包括從與監控井、加熱井或專用氣體注入井相關聯的傳感器獲得測量值。
15.根據權利要求I所述的方法，進ー步包括在將所述氣體注入所述油頁巖地層之前，在所述地表設施處加熱所述氣體。
16.根據權利要求15所述的方法，其中所述氣體通過使所述氣體經過燃燒器，或通過使所述氣體經過換熱器被加熱，其中所述氣體與所述採出液熱交換。
17.根據權利要求15所述的方法，其中在將所述氣體注入所述油頁巖地層之前，所加熱的氣體被加熱至至少270°C。
18.根據權利要求17所述的方法，其中原位加熱所述富含有機物的巖層使用電阻加熱器，其中電阻熱產生自(i)井筒中，(ii)主要來自井筒中的傳導性材料，或(iii)主要來自布置在所述富含有機物的巖層中的傳導性材料；其中當注入所述加熱的氣體時所述電阻加熱器的電阻生熱速率被降低；其中在所述富含有機物的巖層中維持至少270°C的溫度，同時注入具有降低的電阻生熱速率的所述加熱的氣體；並且其中所述降低的電阻生熱速率低於在開始氣體注入之前電阻生熱的峰值。
19.根據權利要求18所述的方法，其中所述熱流體包括蒸汽、煙道氣、甲烷或石腦油。
20.根據權利要求18所述的方法，其中在注入所述加熱的氣體的一段時間內所述電阻生熱速率為零。
21.根據權利要求18所述的方法，其中所述氣體至少部分使用來自燃氣渦輪動カ發電的排氣加熱。
22.根據權利要求18所述的方法，其中所述氣體至少部分使用採出液加熱。
23.根據權利要求I所述的方法，其中氣體僅在採出液從所述多個生產井的至少兩個採出後注入所述富含有機物的巖層。
24.根據權利要求I所述的方法，其中所注入的氣體在所述富含有機物的巖層中基本上是不反應的。
25.根據權利要求24所述的方法，其中所述注入的氣體包括(i)氮氣、(ii)ニ氧化碳、(iii)甲燒、或Qv)其組合。
26.根據權利要求I所述的方法,其中所注入的氣體包括從所述生產井產生的烴氣體。
27.根據權利要求5所述的方法，進ー步包括 調整所述多個生產井的ー個或多個的生產速率，以便進一步改變所述有效熱擴散係數第二值a 2。
28.使油頁巖地層中地層烴熱解的方法，所述油頁巖地層具有小於約10毫達西的初始滲透率，所述方法包括 提供多個原位熱源，每個熱源配置來在所述油頁巖地層中產生熱，以便將固體烴熱解成烴流體； 鄰近所選定熱源提供多個生產井； 原位加熱所述油頁巖地層，以便在接近所述熱源的所述油頁巖地層中產生至少270°C的溫度； 繼續原位加熱所述油頁巖地層，以便熱以有效熱擴散係數第一值a i離開各熱源並經過地層； 進ー步繼續原位加熱所述油頁巖地層，以便引起在鄰近所述生產井的地層中形成熱壓裂；和 將氣體注入所述油頁巖地層以使所述地層中有效熱擴散係數的值增加至第二值a2，其中a 2大於所述第一值a I至少50%。
29.根據權利要求28所述的方法，進ー步包括 通過所述多個生產井從所述油頁巖地層生產烴流體。
30.根據權利要求29所述的方法，其中在氣體被注入所述油頁巖地層之前，鄰近所述多個生產井形成所述熱壓裂，其中大部分的所述氣體通過所述熱壓裂注入。
31.根據權利要求30所述的方法，其中每個熱源包括(i)其中電阻熱主要產生自細長金屬元件的電阻加熱器；(ii)其中電阻熱主要產生自井筒中傳導性顆粒材料的電阻加熱器；(iii)其中電阻熱主要產生自布置在所述油頁巖地層中的傳導性顆粒材料的電阻加熱器；(iv)其中熱煙道氣在井筒中循環的井下燃燒井；或(V)熱流體經過所述富含有機物的巖層的閉環循環。
32.根據權利要求31所述的方法，其中將氣體注入所述油頁巖地層進一歩包括通過與熱源相關聯的井筒注入所述氣體。
33.根據權利要求31所述的方法，其中將氣體注入所述油頁巖地層進一歩包括形成多個氣體注入井，形成的每個氣體注入井比與鄰近生產井相關聯的井筒更接近與熱源相關聯的井筒。
34.根據權利要求29所述的方法，進ー步包括 使用放置在與所述多個生產井的至少三個相關聯的井筒中的傳感器監控所述油頁巖地層的溫度；和 調整注入氣體進入一個或多個氣體注入井的注入速率，以便改變所述有效熱擴散係數第二值a 2，從而更均勻地加熱所述油頁巖地層。
35.根據權利要求28所述的方法，進ー步包括 在將所述氣體注入所述油頁巖地層之前在所述地表設施處加熱所述氣體。
36.根據權利要求35所述的方法，其中所述氣體在地表被加熱至約150°C和270°C之間的溫度。
37.根據權利要求35所述的方法，其中在將所述氣體被注入所述油頁巖地層之前，所述加熱的氣體被加熱至至少270°C。
38.根據權利要求37所述的方法，其中原位加熱所述富含有機物的巖層使用電阻加熱器，其中電阻熱產生自a)井筒中，(ii)主要來自井筒中的傳導性材料，或an)主要來自布置在所述富含有機物的巖層中的傳導性材料；其中當注入所述加熱的氣體時所述電阻加熱器的電阻生熱速率被降低；其中在所述富含有機物的巖層中維持至少270°C的溫度，同時注入具有降低的電阻生熱速率的所述加熱的氣體；並且其中所述降低的電阻生熱速率低於在開始氣體注入之前電阻生熱的峰值。
39.根據權利要求38所述的方法，其中所述熱流體包括蒸汽、煙道氣、甲烷或石腦油。
40.根據權利要求38所述的方法，其中在注入所述加熱的氣體時的一段時間內所述電阻生熱速率為零。
41.根據權利要求38所述的方法，其中所述氣體至少部分使用來自燃氣渦輪動カ發電的排氣加熱。
42.根據權利要求38所述的方法，其中所述氣體至少部分使用採出液加熱。
43.根據權利要求28所述的方法，其中所述注入的氣體包括(i)氮氣、(ii)ニ氧化碳、(iii)甲烷、(iv)從所述生產井產生的烴氣體、(V)氫氣、或(V)其組合。
44.根據權利要求28所述的方法，進ー步包括 監控產生自所述多個生產井的至少三個的流體的溫度；和 響應所述監控，調整氣體注入所述油頁巖地層的速率。
45.根據權利要求44所述的方法，進ー步包括 響應所述監控，調整一個或多個生產井的生產速率，以便更均勻地加熱所述油頁巖地層。
46.根據權利要求28所述的方法，其中所述有效熱擴散係數第二值a2如下確定 估計所述油頁巖地層中至少兩個點的原位溫度； 使用基於計算機的模型模擬所述油頁巖地層中的熱行為，所述模型結合氣流作為傳熱機制；和 通過調整所述模型中的熱擴散係數參數，使所述熱模型擬合所述原位溫度估計值，以獲得有效熱擴散係數的調整值(a 2)。
47.根據權利要求46所述的方法，進ー步包括 比較所述調整的熱擴散係數參數值(a2)與對於沒有氣體注入的情況所估計的或經驗確定的值(a i) o
48.從富含有機物的巖層生產烴流體至地表設施的系統，所述系統包括 至少ー個原位熱源，每個原位熱源配置來在所述富含有機物的巖層中產生熱，以將固體烴熱解成烴流體井原位加熱所述富含有機物的巖層，以便在接近所述至少一個熱源的所述富含有機物的巖層中產生至少270°C的溫度，以便熱離開所述至少ー個原位熱源，並且以便增加滲透性； 鄰近至少ー個原位熱源的至少ー個生產井；和 至少ー個氣體注入井筒，其配置來將氣體注入所述富含有機物的巖層，以使地層中有效熱擴散係數的值從有效熱擴散係數第一值a :增加至調整的第二值Ci2，其中Ci2大於所述第一值a !至少50%。
49.根據權利要求48所述的系統，其中所述至少ー個原位熱源包括導電加熱器。
50.根據權利要求48所述的系統，其中所述至少ー個原位熱源包括導電壓裂。
51.根據權利要求48所述的系統，其中所述至少ー個原位熱源包括電阻井筒加熱器。
52.根據權利要求51所述的系統，其中所述電阻井筒加熱器放置在井筒中，所述井筒配置來作為所述至少ー個氣體注入井筒操作。
53.從富含有機物的巖層生產烴流體至地表設施的方法，所述方法包括接近至少ー個原位熱源提供至少ー個生產井，每個原位熱源配置來在所述富含有機物的巖層中產生熱以將固體烴熱解成烴流體，其中所述至少ー個原位熱源包括電阻加熱器；用所述至少一個原位熱源原位加熱所述富含有機物的巖層，以便在接近所述至少ー個熱源的所述富含有機物的巖層中產生至少270°C的溫度，以便熱離開所述至少ー個熱源並經過地層，以增加滲透性並使得熱壓裂在鄰近所述生產井的地層中產生； 在通過所述至少ー個原位熱源的加熱增加滲透性之後，使至少270°C的熱流體注入所述富含有機物的巖層的所述熱壓裂；和 通過所述至少ー個生產井從所述富含有機物的巖層生產採出液。
54.根據權利要求53所述的方法，其中所述油頁巖地層具有小於約10毫達西的初始滲透率。
55.根據權利要求54所述的方法，其中使所述熱流體注入所述油頁巖地層進一歩包括經過與所述至少ー個原位熱源相關聯的帶孔井筒注入所述流體。
56.根據權利要求54所述的方法，其中使所述熱流體注入所述油頁巖地層進一歩包括經過鄰近與所述至少一個原位熱源相關聯的井筒的注入井筒注入所述流體。
57.根據權利要求55所述的方法，其中生產採出液包括通過與所述至少ー個原位熱源相關聯的井筒生產採出液，並且將所述熱流體注入所述油頁巖地層包括在採出液已經通過所述井筒採出後，通過與所述至少ー個原位熱源相關聯的所述井筒將所述熱流體注入所述油頁巖地層。
58.根據權利要求53所述的方法，其中所述流體包括蒸汽、煙道氣、甲烷或石腦油。
59.根據權利要求53所述的方法，其中在注入所述加熱的氣體的一段時間內所述電阻生熱速率是零。
60.根據權利要求53所述的方法，其中所述流體至少部分使用來自燃氣渦輪動カ發電的排氣加熱。
61.根據權利要求53所述的方法，其中所述流體至少部分使用採出液加熱。
62.根據權利要求53所述的方法，其中所注入的流體是包括(i)氮氣、(ii)ニ氧化碳、(iii)甲烷、或(iv)其組合的熱氣體。
全文摘要
提供多個原位熱源，其配置來在地層中產生熱以便將固體烴熱解成烴流體。優選地，富含有機物的巖層被加熱至至少270℃的溫度。繼續加熱富含有機物的巖層，以便熱以有效熱擴散係數第一值α1離開各個熱源並經過地層。進一步繼續原位加熱地層，以使地層中形成熱壓裂或以使地層的滲透性以其他方式增加。方法也包括將流體注入富含有機物的巖層以將地下地層中熱擴散係數的值增加至第二值α2，其大於第一值α1至少50%，更優選地大於α1至少100%。
文檔編號E21B36/04GK102656337SQ201080057202
公開日2012年9月5日 申請日期2010年11月18日 優先權日2009年12月17日
發明者M·T·山利, R·卡敏思凱 申請人:埃克森美孚上遊研究公司