原位加热开发油页岩与开发更深的烃源结合

摘要

首先提供的是从不同深度处的地下地层生产烃的方法。一方面，该方法包括在第一深度处的地下地层内原位加热富含有机物岩石的步骤。加热步骤的结果是至少一部分富含有机物岩石被热解成烃流体。优选地，第一深度的地下地层的富含有机物岩石是油页岩。该方法还包括在第一深度的地层内提供至少一个基本上未被加热的区域。以这种方式，使得那个区域中的富含有机物岩石基本上未被热解。该方法进一步包括穿过该未被加热的区域钻出至少一个生产井，以及在比第一深度更深的第二深度处的地下地层中完成所述至少一个生产井。

说明书

相关申请的声明

[0001]本申请要求在2006年10月13日提交的美国临时申请 60/851,542的权益。该临时申请通过引用方式以其全部内容并入本文。

发明背景

技术领域

[0002]本发明涉及从地下地层回收烃的领域。更具体地，本发明 涉及从富含有机物岩石地层原位回收烃流体，所述岩石地层包括例如 油页岩地层、煤地层和焦油砂地层。本发明还涉及从通过热解熟化的 富含有机物岩石地层以及更深的烃源生产烃的方法。

背景技术

[0003]已知某些地质地层包含被称为“干酪根(kerogen)”的有 机物。干酪根是固体含碳物质。当干酪根被嵌在岩石地层中时，该混 合物被称为油页岩。不管该矿物质事实上在技术上是不是页岩，这都 是真实的，也就是，从致密粘土形成的岩石。

[0004]干酪根暴露于热一段时间后经历分解。加热后，干酪根在 分子水平上分解以产生油、气和含碳焦炭。还可以产生少量的水。油、 气和水流体在该岩石基体内变得可以流动，而含碳焦炭保持基本上不 动。

[0005]在世界范围内的各个地区包括美国都发现了油页岩地层。 油页岩地层往往位于相对浅的深度。在美国，非常值得注意的是在怀 俄明州、科罗拉多州和犹他州发现了油页岩。这些地层通常的特征在 于有限的渗透性。一些人认为油页岩地层是这样的烃沉积物，其还没 有经历认为是形成常规油和气储量所需的多年热和压力。

[0006]干酪根分解产生流动烃的速率依赖于温度。在许多岁月的 期间一般超过270℃(518°F)的温度对于实质性转化来说可能是必需 的。在更高的温度下实质性转化可以在更短的时间内发生。当干酪根 被加热时，化学反应将形成固体干酪根的较大分子断裂成较小的油和 气分子。热转化工艺被称为热解或干馏。

[0007]从油页岩地层提取油已经尝试了许多年。近地表油页岩在 地表被开采并干馏已经一个多世纪。在1862年，James Young开始加 工苏格兰油页岩。该工业持续了大约100年。商业上通过地表开采的 油页岩干馏也已经在其它国家如澳大利亚、巴西、中国、爱沙尼亚、 法国、俄国、南非、西班牙和瑞典进行。然而，因为它证实是不经济 的或者由于废页岩处理上的环境限制，该实践在最近几年已经大部分 停止。(参见T.F.Yen和G.V.Chilingarian，“Oil Shale，”Amsterdam， Elsevier，p.292，其全部公开内容通过引用方式并如本文。)此外，地表 干馏需要开采油页岩，这限于对非常浅地层的应用。

[0008]在美国，自从20世纪00年代早期就已经知道在西北的科 罗拉多州存在油页岩沉积物。尽管时不时在该地区开展研究项目，但 是还没有进行真正的商业开发。大部分对油页岩生产的研究在20世纪 00年代后期进行。该研究主要是针对页岩油地质学、地球化学以及在 地表设施中的干馏。

[0009]在1947年，美国专利号2,732,195授予Ljungstrom。该发 明名称为“Method of Treating Oil Shale and Recovery of Oil and Other Mineral Products Therefrom(处理油页岩的方法以及从中回收油和其它 矿物产品)”的专利提议在高温下将热原位应用于油页岩地层以蒸馏 和生产烃。该′195 Ljungstrom专利通过引用方式并入本文。

[0010]Ljungstrom杜撰了短语“热供给通道(heat supply channels)” 以描述钻到地层中的井眼。该井眼接收将热传递到周围油页岩的电热 导体。因此，热供给通道充当热注入井。热注入井中的电热元件被放 在砂或水泥或其它导热材料内，以允许热注入井将热传送到周围的油 页岩中，同时防止流体的流入。根据Ljungstrom，在某些应用中，该 “集合体(aggregate)”被加热至500℃与1,000℃之间。

[0011]与热注入井一起，流体生产井也在热注入井附近完井。将 热导入岩石基体中后，干酪根被热解，产生的油和气将通过邻近的生 产井被回收。

[0012]Ljungstrom通过Swedish Shale Oil Company实施了他的从 加热井筒进行热传导的方法。全规模的工厂被建立，其从1944年运行 至20世纪50年代。(参见G.Salamonsson，“The Ljungstrom In Situ Method for Shale-Oil Recovery，”2^nd Oil Shale and Cannel Coal Conference，v.2，Glasgow，Scotland，Institute of Petroleum，London，p. 260-280(1951)，其全部公开内容通过引用的方式并入本文)。

[0013]另外的原位方法已经被提出。这些方法一般涉及将热和/或 溶剂注入地下油页岩中。热可以以热的甲烷(参见J.L.Dougan的美国 专利号3,241,611)、烟道气或过热蒸汽(参见D.W.Peacock的美国专利 号3,400,762)的形式。热还可以以电阻加热、电介体加热、射频(RF) 加热(美国专利号4,140,180，其被转让给位于伊利诺斯州芝加哥的 ITT Research Institute)或者氧化剂注射的形式，以支持原位燃烧。在某 些情况中，人工渗透性已经在该基岩中形成以有助于热解流体的运动。 渗透性产生方法包括挖掘、碎石化(rubblization)、水力压裂(参见 M.L.Slusser的美国专利号3,468,376以及J.V.Vogel的美国专利号 3,513,914)、爆炸压裂(参见W.W.Hoover等的美国专利号1,422,204)、 热压裂(参见R.W.Thomas的美国专利号3,284,281)以及蒸汽压裂(参 见H.Purre的美国专利号2,952,450)。

[0014]在1989年，美国专利号4,886,118授予Shell Oil Company (壳牌石油公司)，其全部公开内容通过引用的方式并入本文。该名 称为“Conductively Heating a Subterranean Oil Shale to Create Permeability and Subsequently Produce Oil(传导性加热地下油页岩以产 生渗透性以及随后生产油)”的专利声明“[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.(与...在先的教导和看法的暗示相 反...目前描述的传导性加热工艺对于甚至在基本上不可渗透的地下油 页岩中的应用来说是经济上可行的。)”(第6栏，第50-54行)。尽管 有该声明，但应当注意，除了Ljungstrom的应用外，几乎没有——如 果有的话——出现商业性原位页岩油生产。该′118专利提出控制每个 热注入井周围的岩石内的热传导速率以提供均匀的热前缘。

[0015]另外的历史上落后的油页岩干馏和页岩油回收可以在名称 为“Methods of Treating a Subterranean Formation to Convert Organic Matter into Producible Hydrocarbons(处理地下地层以将有机物转化成 可采出烃的方法)”的共有专利出版物WO 2005/010320以及名称为 “Hydrocarbon Recovery from Impermeable Oil Shales(从不可渗透性油 页岩中回收烃)”的专利出版物WO 2005/045192中找到。这两篇专利 出版物的背景部分和技术公开内容通过引用方式并入本文。

[0016]对生产页岩油的改良方法存在需求。此外，对从通过热解 熟化的富含有机物岩石地层以及更深的烃源生产烃的改良方法存在需 求。

发明简述

[0017]首先提供的是从不同深度处的地下地层生产烃的方法。一 方面，该方法包括在第一深度处的地下地层内原位加热富含有机物岩 石的步骤。加热步骤的结果是至少一部分富含有机物岩石被热解成烃 流体。优选地，第一深度的地下地层的富含有机物岩石是油页岩。

[0018]该方法还包括在第一深度的地下地层内提供至少一个基本 上未被加热的区域。以这种方式，使得那个区域中的富含有机物岩石 基本上未被热解。该方法进一步包括穿过该未被加热的区域钻出至少 一个生产井，以及在比第一深度更深的第二深度处的地下地层中完成 所述至少一个生产井。此后，烃流体通过所述至少一个生产井生产。

[0019]在一种实施方式中，加热第一深度处的地下地层的步骤包 括完成多个被设计来原位加热富含有机物岩石的加热井。加热井可以 是电阻加热井。可选地，加热井可以被设计来使热流体循环以便通过 热对流加热周围地层。无论方法如何，加热第一深度处的地下地层的 步骤优选地导致至少一部分富含有机物岩石地层达到270℃或更高的 温度。

[0020]从所述至少一个生产井中生产的烃流体可以包括天然气。 这种天然气的个实例是甲烷。方面，该方法还包括使用从所述至 少一个生产井生产的天然气至少部分发电的步骤。电可以被用于提供 能量到加热井，其中加热井是电阻加热井。

[0021]在本发明的一种实施方式中，所述至少一个生产井包括多 个穿过未加热区域钻出的生产井。生产井可以从相对于开发区域的各 个地方钻井。举例来说，生产井可以从位于未加热区域正上方的地表 区域钻井。在这种情况中，至少一些生产井可以是偏斜的，并且然后 以至少10英亩的间距在第二深度处的地下地层中完井。另一方面，生 产井可以从不在未加热区域正上方的地表区域钻井。举例来说，该地 表区域可以位于油页岩开发区域的周边上，所述油页岩开发区域包括 多个用于加热第一深度处地下地层的加热井。

[0022]本公开内容的方法可以包括在第一深度的地下地层的富含 有机物岩石中生产热解的烃流体的另外步骤。在一种实施方式中，从 富含有机物岩石中生产热解的烃流体与从比第一深度更深的地下地层 中生产烃流体全部或部分地同时发生。在替代方面，通过所述至少 个生产井生产烃流体被中止，然后进行加热步骤以便将未加热区域中 的至少一部分富含有机物岩石热解成烃流体。

[0023]在上述方法的一个方面，从第二深度处的所述至少一个生 产井中生产的烃流体限定了包括甲烷和硫化氢的气流。第一深度地下 地层的富含有机物岩石可以包括煤床。在这种情况中，该方法可进一 步包括将该气流注入煤床中的步骤以便从该气流中去除至少一部分硫 化氢。这种方法可进一步包括从煤床中生产气体。从第二深度生产的 气流也可包括二氧化碳。在这种情况中，该方法可进一步包括从该气 流中去除至少一部分二氧化碳的步骤。

[0024]在上述方法的另一方面，从第二深度处所述至少一个生产 井生产的烃流体包括硫化氢。第一深度地下地层的富含有机物岩石又 可包括煤床。在这种情况中，该方法可进一步包括将来自烃流体的气 流——其具有大部分硫化氢——注入到煤床的步骤。更进一步，该方 法可包括从煤床中生产富含甲烷的气体。

[0025]在一种实施方式中，该方法包括穿过未加热区域完成至少 个冷却井的步骤以便防止未加热区域中富含有机物岩石的热解。冷 却井优选地具有井下管道装置以循环冷却流体。冷却流体可以阻止未 加热区域达到超过250℃或更优选地125℃的温度。

[0026]加热区域与未加热区域的表面积比可以改变。一方面，所 述至少一个基本上未加热区域占油页岩开发区域的至多50％。可选地， 所述至少个基本上未加热区域占油页岩开发区域的至多20％，或者 仍然可选地，油页岩开发区域的至多10％。在一种实施方式中，所述 至少一个基本上未加热区域包括多个未加热区域，其中每一个单独地 占油页岩开发区域的至多20％。在该实施方式中，多个未加热区域可 以在油页岩开发区域的加热区域内形成拼接物。此外，穿过多个未加 热区域钻出至少一个生产井的步骤可包括在地表上选择与基本上未加 热区域地下拼接物对应的衬垫(pad)。

[0027]加热后冷却加热区域可能是期望的。因此，在种实施方 式中该方法进一步包括将水注射到第一深度处的地下地层中，从而冷 却至少部分加热区域。

[0028]在种实施方式中，未加热区域充当防止地中下沉的支柱。 在该实施方式中，多个未加热区域可以在油页岩开发区域的加热区域 内形成拼接物。在第一深度地下地层内选择基本上未加热区域的衬垫 的步骤可包括确定油页岩开发区域内防止地中下沉所需的未加热区域 的最小数量。

附图说明

[0029]为了能够更好理解本发明的特征，在此附上些图、曲线 图和流程图。然而，应当注意，这些图仅仅图解了本发明所选的实施 方式并且因此不应当认为限制了范围，因为本发明可以容许其它等效 的实施方式和应用。

[0030]图1是例证性地下区域的横截面图。该地下区域包括限定 地下地层的富含有机物岩石基体。

[0031]图2是表示在一种实施方式中从富含有机物岩石地层原位 热回收油和气的一般方法的流程图。

[0032]图3是在地下水含水层内或连接到地下水含水层的例证性 油页岩地层以及地层淋滤操作的横截面图。

[0033]图4是在生产井周围的例证性加热井模式的平面图。显示 的是两层加热井。

[0034]图5是一柱状图，其比较了在模拟的原位干馏工艺前后的 一吨Green River油页岩。

[0035]图6是在一种实施方式中一部分烃开发区域的透视图。例 证性富含有机物岩石地层显示在地表下。还显示了第二更深的烃源。

[0036]图7是在另一可选实施方式中烃开发区域的平面图。多个 衬垫显示在该烃开发区域中。

[0037]图8是在种实施方式中页岩油开发区域的透视图。多个 衬垫被显示，用于将井向下钻到比页岩油深度更深的烃储层。

[0038]图9是用于地下地层开发的示例性地表加工设备的工艺流 程图。

一些实施方式详述

定义

[0039]如本文所用，术语“烃(一种或多种)”是指具有包含与 氢结合的碳的分子结构的有机物。烃还可包括其它元素，例如但不限 于卤素、金属元素、氮、氧和/或硫。

[0040]如本文所用，术语“烃流体”是指为气体或液体的烃或烃 混合物。例如，烃流体可包括在地层条件下、在加工条件下或在环境 条件(15℃以及1个大气压)下为气体或液体的烃或烃混合物。烃流 体可以包括例如油、天然气、煤层甲烷、页岩油、热解油、热解气、 煤的热解产物以及其它处于气态或液态的烃。

[0041]如本文所用，术语“采出液(produced fluids)”和“产出 液(production fluids)”是指从包括例如富含有机物岩石地层在内的地 下地层去除的液体和/或气体。采出液可以包括烃流体以及非烃流体。 采出液可以包括但不限于热解页岩油、合成气、煤的热解产物、二氧 化碳、硫化氢和水(包括蒸汽)。采出液可以包括烃流体以及非烃流 体。

[0042]如本文所用，术语“可冷凝烃”是指在25℃和一个大气绝 对压强下冷凝的烃。可冷凝烃可以包括碳数大于4的烃的混合物。

[0043]如本文所用，术语“非冷凝烃”是指在25℃和一个大气绝 对压强下不冷凝的烃。非冷凝烃可以包括碳数小于5的烃。

[0044]如本文所用，术语“重烃(heavy hydrocarbons)”是指在 环境条件(15℃以及1个大气压)下高粘性的烃流体。重烃可包括高 粘性烃流体，诸如重油、焦油和/或沥青。重烃可包括碳和氢以及较小 浓度的硫、氧和氮。另外的元素也可以痕量存在于重烃中。重烃可按 照API(美国石油学会)比重进行分类。重烃的API比重般在约20 度以下。例如，重油的API比重一般为约10-20度，而焦油的API比 重一般在约10度以下。重烃的粘度在15℃下一般大于约100厘泊。

[0045]如本文所用，术语“固体烃”是指在地层条件下以基本固 体形式天然发现的任何烃物质。非限制性实例包括干酪根、煤、不纯 石墨、沥青岩和天然地蜡。

[0046]如本文所用，术语“地层烃(formation hydrocarbons)”是 指在富含有机物岩石地层中包含的重烃和固体烃。地层烃可以是但不 限于干酪根、油页岩、煤、沥青、焦油、天然地蜡和沥青岩。

[0047]如本文所用，术语“焦油”是指在15℃下粘度一般大于约 10,000厘泊的粘性烃。焦油的比重一般大于1.000。焦油的API比重可 小于10度。“焦油砂”是指在其中具有焦油的地层。

[0048]如本文所用，术语“干酪根”是指主要含有碳、氢、氮、 氧和硫的固体不溶性烃。油页岩含有干酪根。

[0049]如本文所用，术语“沥青”是指在二硫化碳中可充分溶解 的非晶固体或粘性烃物质。

[0050]如本文所用，术语“油”是指含有可冷凝烃混合物的烃流 体。

[0051]如本文所用，术语“地下(subsurface)”是指出现在地球 表面以下的地质地层。

[0052]如本文所用，术语“富含烃地层”是指任何含有痕量以上 烃的地层。例如，富含烃地层可以包括以大于5体积百分数的水平含 有烃的部分。位于富含烃地层中的烃可以包括例如油、天然气、重烃 和固体烃。

[0053]如本文所用，术语“富含有机物岩石”是指任何拥有固体 烃和/或重烃的岩石基体。岩石基体可包括但不限于沉积岩、页岩、粉 砂岩、砂、沉积石英岩、碳酸盐和硅藻土。

[0054]如本文所用，术语“地层”是指任何有限的地下区域。该 地层可包含任何地下地质地层的个或多个含有烃的层、个或多个 不含烃的层、上覆岩层和/或下伏岩层。“上覆岩层”和/或“下伏岩层” 是目标地层上面或下面的地质物质。上覆岩层或下伏岩层可包括一个 或多个不同类型的基本上不可渗透性物质。例如，上覆岩层和/或下伏 岩层可包括岩石、页岩、泥岩或湿/紧密碳酸盐(即不含烃的不可渗透 性碳酸盐)。上覆岩层和/或下伏岩层可包括相对不可渗透的含烃层。 在某些情况下，上覆岩层和/或下伏岩层可以是渗透性的。

[0055]如本文所用，术语“富含有机物岩石地层”是指任何含有 富含有机物岩石的地层。富含有机物岩石地层包括，例如，油页岩地 层、煤地层和焦油砂地层。

[0056]如本文所用，术语“热解”是指通过施加热将化学键断裂。 例如，热解可包括仅通过热和通过热与氧化剂结合将化合物转换成一 种或多种其它物质。热解可包括通过加入氢原子将化合物的性质改变， 所述氢原子可以从分子氢、水、二氧化碳或一氧化碳中得到。热可以 被转移到一部分地层以引起热解。

[0057]如本文所用，术语“水溶性矿物”是指在水中可溶的矿物。 水溶性矿物包括，例如，苏打石(碳酸氢钠)、碱灰(碳酸钠)、片 钠铝石(NaAl(CO₃)(OH)₂)或其组合。大量的溶解可需要热水和/或非中 性pH溶液。

[0058]如本文所用，术语“地层水溶性矿物”是指在地层中天然 发现的水溶性矿物。

[0059]如本文所用，术语“迁移污染物种类(migratory contaminant species)”是指在水或含水流体中可溶或可移动的种类，并且被认为 对人类健康或环境有潜在危害或有利害关系。迁移污染物种类可包括 无机和有机污染物。有机污染物可包括饱和烃、芳烃和含氧烃。无机 污染物可包括各种类型的金属污染物和离子污染物，其可较大改变pH 或地层流体化学。芳烃可包括，例如，苯、甲苯、二甲苯、乙苯和三 甲基苯，以及各种类型的多芳烃诸如蒽、萘、和芘。含氧烃可包括， 例如醇、酮、酚和有机酸如羧酸。金属污染物可包括，例如，砷、硼、 铬、钴、钼、汞、硒、铅、钒、镍或锌。离子污染物包括，例如，硫 化物、硫酸盐、氯化物、氟化物、铵、硝酸盐、钙、铁、镁、钾、锂、 硼和锶。

[0060]如本文所用，术语“裂化(cracking)”是指这样的过程， 其涉及有机化合物的分解和分子重组以产生数目比最初存在的更大的 分子。在裂化中，一系列反应伴随着氢原子在分子间的转移而发生。 例如，石脑油可以经历热裂化反应以形成乙烯和H₂以及其它分子。

[0061]如本文所用，术语“螯合作用(sequestration)”是指储藏 为工艺副产物的流体，而不是将该流体排放到大气或开放环境中。

[0062]如本文所用，术语“下沉”是指地表相对于该地表的原始 海拔向下移动。

[0063]如本文所用，术语层的“厚度”是指层横截面的上下边界 之间的距离，其中该距离是与该横截面的通常斜面垂直地测量的。

[0064]如本文所用，术语“热压裂(thermal fracture)”是指地层 中所产生的压裂，所述压裂是通过一部分地层和/或地层内流体的膨胀 或收缩直接或间接引起的，该膨胀或收缩又是由于加热通过增加/降低 该地层和/或该地层内流体的温度和/或通过增加/降低该地层内流体的 压强而引起的。热压裂可以传播到比加热区域冷很多的附近区域或者 在该附近区域形成。

[0065]如本文所用，术语“水力压裂(hydraulic fracture)”是指 至少部分传播到地层中的压裂，其中所述压裂是通过将加压流体注射 到地层中产生的。该压裂可通过注入支撑剂材料人工地保持开放。水 力压裂可在方向上基本水平、在方向上基本垂直或者沿着任何其它平 面定向。

[0066]如本文所用，术语“井筒”是指在地下通过钻孔或将管道 插入到地下所制成的孔。井筒可具有基本上圆形的横截面，或者其它 横截面形状(例如圆、椭圆、正方形、长方形、三角形、裂缝或其它 规则或不规则形状)。如本文所用，当提及地层中的开孔时，术语“井” 可以与术语“井筒”交换使用。

具体实施方式的描述

[0067]本发明连同某些具体实施方式在本文被描述。然而，就下 面的详述具体到特定实施方式或特定应用来讲，这意图只是例证性的 并且不应当解释为限制本发明的范围。

[0068]如本文所讨论，本发明的一些实施方式包括或具有与回收 自然资源的原位方法相关的应用。自然资源可以从富含有机物岩石地 层包括例如油页岩地层回收。富含有机物岩石地层可包括地层烃，其 包括例如干酪根、煤和重烃。在本发明的一些实施方式中，自然资源 可包括烃流体，其包括，例如，地层烃诸如页岩油的热解产物。在本 发明的一些实施方式中，自然资源还可包括水溶性矿物，其包括，例 如，苏打石(碳酸氢钠或者2NaHCO₃)、碱灰(碳酸钠或Na₂CO₃)和片钠 铝石(NaAl(CO₃)(OH)₂)。

[0069]图1呈现了例证性油页岩开发区域10的透视图。开发区域 10的地表12被显示。地表下面是富含有机物岩石地层16。例证性地 下地层16包含地层烃(诸如，例如干酪根)以及可能有价值的水溶性 矿物(诸如，例如苏打石)。应当理解，代表性地层16可以是任意富 含有机物岩石地层，例如，其包括含有煤或焦油砂的岩石基体。此外， 构成地层16的岩石基体可以是渗透性的、半渗透性的或非渗透性的。 本发明在最初具有非常有限的或实际上无流体渗透性的油页岩开发区 域是特别有利的。

[0070]为了进入地层16以及从中回收自然资源，形成了多个井 筒。井筒在图1中以14显示。代表性井筒14相对于地表12在方向上 基本上垂直。然而，应当理解，一些或全部井筒14可以偏离成钝角或 甚至水平的方向。在图1的排列中，每个井筒14在油页岩地层16中 完成。完井可以是裸眼井或下套管井。井完成还可包括从中发散的支 撑或未支撑的水力压裂。

[0071]在图1的视图中，只有七个井筒14被显示。然而，应当理 解，在油页岩开发项目中，许多另外的井筒14将最有可能被钻出。井 筒14可定位在相对近的邻近，其分开10英尺至高达300英尺。在一 些实施方式中，提供的是15至25英尺的井间隔。代表性地，井筒14 还可以在浅的深度处完成，其总深度为200至5,000英尺。在一些实施 方式中，以原位干馏为目标的油页岩地层在地表下200英尺以上的深 度处或者可选地在地表下400英尺处。可选地，页岩油地层的转化和 生产发生在500与2,500英尺之间的深度处。

[0072]井筒14将进行选择用于某些功能并且可以被指定作为热 注入井、水注入井、油生产井和/或水溶性矿物溶液生产井。一方面， 井筒14被设计尺寸以适应这些目的中的两个、三个或全部的四个。适 合的工具和设备可以顺序地进入井筒14中和从井筒14中取出以用于 各种目的。

[0073]流体处理设备17也示意地显示。流体处理设备17被安装 以通过一个或多个管线或出油管18接受产生自富含有机物岩石地层 16中的流体。流体处理设备17可包括适于接受和分离从加热地层产生 的油、气和水的设备。流体处理设备17可进一步包括这样的设备，所 述设备用于在从富含有机物岩石地层16中回收的采出水中分离出溶解 的水溶性矿物和/或迁移污染物种类，其包括例如溶解的有机污染物、 金属污染物或离子污染物。该污染物可包括，例如，芳烃例如苯、甲 苯、二甲苯和三甲基苯。该污染物还可包括多芳烃诸如蒽、萘、和 芘。金属污染物可包括，包含砷、硼、铬、汞、硒、铅、钒、镍、钴、 钼或锌的种类。离子污染物可包括，例如，硫酸盐、氯化物、氟化物、 锂、钾、铝、氨和硝酸盐。

[0074]为了回收油、气和钠(或其它)水溶性矿物，可以采取一 系列步骤。图2呈现了在一种实施方式中从富含有机物岩石地层100 原位热回收油和气的方法的流程图。应当理解，图2中一些步骤的顺 序可以进行变化，并且该步骤顺序仅仅用于说明。

[0075]首先，在开发区域10内鉴别油页岩(或其它富含有机物岩 石)地层16。这一步骤显示在方框110中。任选地，油页岩地层可包含 苏打石或其它钠矿物。油页岩地层内的目标开发区域可以通过测量或 模拟油页岩的深度、厚度和有机物丰富度以及评价富含有机物岩石地 层相对于其它岩石类型的位置、结构特征(例如断层、背斜层或向斜 层)或水文地质单元(即含水层)进行鉴别。这是通过从有效的测试和资 料形成和解释深度、厚度、有机物丰富度和其它数据的图和/或模型实 现的。这可包括进行地质学表面勘测、研究露头、进行地震勘测和/或 钻井眼以从地下岩石获得岩心样品。岩石样品可以进行分析以评定干 酪根含量和产生流体烃的能力。

[0076]富含有机物岩石地层的干酪根含量可以利用各种数据从露 头或岩心样品中确定。这样的数据可包括有机碳含量、含氢指数和修 正的Fischer试验分析。地下渗透性还可以通过岩石样品、露头或地下 水流的研究，进行评估。此外，可以对开发区域与地下水源的连通性 进行评定。

[0077]其次，多个井筒14横跨目标开发区10形成。该步骤示意 地显示在方框115中。井筒14的目的在上面被阐明而不必重复。然而， 应当注意，为了方框115井筒形成步骤的目的，最初只有一部分井需 要完成。例如，在项目开始时，热注入井是需要的，而大部分烃生产 井还不需要。生产井可以在一旦转换开始后引入，例如在加热4-12个 月后。

[0078]应当理解，石油工程师将研究出井筒14最佳深度和安排的 方案，这取决于预期储层特性、经济约束因素和工作进度安排约束因 素。此外，工程人员将决定何种井筒14应当用于初始地层16加热。 该选择步骤通过方框120描述。

[0079]关于热注入井，存在多种将热施加到富含有机物岩石地层 16的方法。除非在权利要求书中明确声明，本方法不限于所应用的加 热技术。加热步骤一般由方框130描述。优选地，对于原位工艺来说， 生产区的加热发生数个月或者甚至四年或更多年的时间。

[0080]地层16被加热至足以热解至少一部分油页岩以便将干酪 根转化成烃流体的温度。地层目标区域的大部分可以被加热至270℃至 800℃。可选地，富含有机物地层的目标体积被加热至至少350℃以形 成采出液。转换步骤通过方框135描述在图2中。所形成的液体和烃 气体可以被精制成类似普通商业石油产品的产品。这样的液体产品包 括运输燃料诸如柴油机、喷气机燃料和石脑油。产生的气体包括轻烷 烃、轻烯烃、H₂、CO₂、CO和NH₃。

[0081]油页岩的转化将在起初不可渗透的岩石中的油页岩部分中 产生渗透性。优选地，方框130和135的加热和转化过程发生在长的 时间期间内。一方面，加热期间为3个月至四年或更多年。还有作为 方框135的任选部分，地层16可以被加热至足以转化至少一部分苏打 石为碱灰的温度，如果存在苏打石的话。熟化油页岩并且回收油和气 所施加的温度也会将苏打石转化成碳酸钠(碱灰)、相关的钠矿物。 将苏打石(碳酸氢钠)转化成碱灰(碳酸钠)的方法在本文中被描述。

[0082]与加热步骤130有关，岩石地层16可以任选地被压裂以有 助于传热或随后的烃流体采出。任选的压裂步骤显示在方框125中。 压裂可以通过施加热在地层内产生热压裂而实现。通过加热富含有机 物岩石以及将干酪根转换成油和气，渗透性通过热压裂的形成以及随 后一部分从干酪根产生的烃流体的采出而增加。可选地，可以使用被 称为水力压裂的工艺。水力压裂是在油和气回收领域中已知的工艺， 其中压裂液在井筒内被加压超过地层的压裂压力，由此在地层内产生 压裂面以将井筒内产生的压力释放。水力压裂可被用于产生附加渗透 性和/或提供加热井。

[0083]作为烃流体生产工艺100的部分，某些井14可被指定为油 和气生产井。该步骤通过方框140进行描述。直到确定干酪根已经被 充分干馏以允许最大量从地层16中回收油和气，才可以启动油和气生 产。在某些情况中，专用生产井直到热注入井(方框130)已经运行几 周或几月后才被钻井。因此，方框140可以包括附加井筒14的形成。 在其它实例中，选定的加热井被转变成生产井。

[0084]在某些井筒14已经被指定作为油和气生产井后，油和/或 气从井筒14中被采出。油和/或气采出工艺被显示在方框145中。在这 个阶段(方框145)，任何水溶性矿物诸如苏打石和转化的碱灰可作为 油页岩床内良好分散的晶体或团块保持基本上限制在岩石地层16中， 而没有被采出。然而，一些苏打石和/或碱灰可以被溶解于在地层内热 转化(方框135)期间产生的水中。

[0085]方框150显示油和气回收方法100中任选的下一步。这里， 某些井筒14被指定为水或含水流体注入井。含水流体是水与其它种类 的溶液。该水可以构成“盐水”，并且可包括溶解的元素周期表第I 和II族元素的氯化物、硫酸盐和碳酸盐的无机盐。有机盐也可存在于 含水流体中。该水可选地可以是包含其它种类的新鲜水。其它种类可 以存在以调节pH。可选地，其它种类可以反映微咸水的可用性，所述 微咸水中希望从地下沥滤的种类是不饱和的。优选地，水注入井选自 用于热注入或油和/或气生产的井筒中的一些或全部。然而，方框150 的步骤的范围可以包括用作专用水注入井的仍然是附加的井筒14的钻 井。在该方面，可以期望沿着开发区域10周边完成水注入井，以便产 生高压边界。

[0086]其次，任选地，水或含水流体被注入通过水注入井并且进 入油页岩地层16。该步骤显示在方框155中。水可以处于蒸汽或加压 热水的形式。可选地，注入水可以是冷的并且随着它接触预先加热的 地层而变热。注入工艺可进一步包括压裂。该工艺可以在距离水注入 井筒一些距离例如高达200英尺外的具有苏打石的层段中产生指状空 穴和角砾区域。一方面，气顶，诸如氮气，可以被保持在每一“空穴” 顶端以防止垂直发展。

[0087]随着某些井筒14被指定为水注入井，设计工程师还可以将 某些井筒14指定为水或水溶性矿物溶液生产井。该步骤显示在方框 160中。这些井可以与用于先前生产烃或注入热的井相同。这些回收井 可被用于产生溶解的水溶性矿物与包括例如迁移污染物种类在内的其 它种类的水溶液。例如，该溶液可以主要是溶解的碱灰的溶液。该步 骤显示在方框165中。可选地，单个井筒可以被用于注入水并且然后 回收钠矿物溶液。因此，方框165包括使用同一井筒14用于水注入和 溶液生产的选择(方框165)。

[0088]临时控制迁移污染物种类的迁移，尤其在热解过程期间， 可以通过布置注入和生产井14以使流出加热区域的流体流最小化而获 得。典型地，这涉及将注入井安置在加热区域周围以便引起压力梯度， 该压力梯度防止加热区域内部的流体流离开该区域。

[0089]图3是在地下水含水层内或连接到地下水含水层的例证性 油页岩地层以及地层淋滤操作的横截面图。四个分开的油页岩地层区 域(23、24、25和26)被描绘在油页岩地层内。含水层在地表面27下面， 并且被分为上部含水层20和下部含水层22。上部和下部含水层中间是 弱透水层21。可以看出，地层的某些区域既是含水层或弱透水层又是 油页岩区域。多个井(28、29、30和31)被显示穿过含水层垂直向下。 这些井中一个被充当水注入井31，而另外一个充当水生产井30。以这 种方式，水通过至少较低的含水层22进行循环32。

[0090]图3图解显示了穿过油页岩区域33的水循环32，所述油 页岩区域33被加热，位于含水层22内或者与含水层22相连，并且烃 流体先前从油页岩区域33中回收。通过水注入井31将水注入促使水 进入预先加热的油页岩33，从而水溶性矿物和迁移污染物种类被冲到 水生产井30。水然后可以在设备34中进行处理，其中水溶性矿物(例 如苏打石或碱灰)和迁移污染物可基本上从水流中去除。水然后被再 注入到油页岩体积33中，并且重复进行地层沥滤。这种用水进行的沥 滤意图持续直到在预先加热的油页岩区域33内迁移污染物种类的水平 处于环境可接受的水平。这可能需要1个循环、2个循环、5个循环、 10个循环或更多循环的地层沥滤，其中单个循环表示注入和采出大约 一孔体积的水。

[0091]应当理解，在实际的油页岩开发中可能有许多水注入和水 生产井。此外，该体系可包括可以用在油页岩加热阶段、页岩油生产 阶段、沥滤阶段或者在这些阶段任意组合期间的监控井(28和29)，以 便监控迁移污染物种类和/或水溶性矿物。

[0092]在一些油田中，地层烃诸如油页岩可以存在于一个以上的 地下地层中。在一些情况中，富含有机物岩石地层可以被不含烃的岩 石层或者具有很少或没有商业价值的岩石层分开。因此，对于烃开发 内油田的经营者来说，可以期望进行分析将哪个地下富含有机物岩石 地层作为目标或者它们应当以什么顺序进行开发。

[0093]富含有机物岩石地层可以基于不同因素进行选择以便开 发。一个这样的因素是地层内含烃层的厚度。较大的产油气带厚度可 以表明更大潜在体积的烃流体生产。每个含烃层可具有这样的厚度， 所述厚度取决于例如该含地层烃层形成的条件而变化。因此，如果富 含有机物岩石地层包括至少一个厚度足以经济生产采出液的含地层烃 层，那么该地层将一般被选择进行处理。

[0094]如果紧密间隔在一起的几个层的厚度足以进行采出液的经 济生产，那么富含有机物岩石地层也可以被选择。例如，地层烃的原 位转化过程可包括选择并处理厚度大于约5米、10米、50米或者甚至 100米的富含有机物岩石地层内的层。以这种方式，到富含有机物岩石 地层上面和下面形成的层的热损失(作为总注入热的部分)可小于从 一薄层地层烃的这种热损失。然而，本文描述的过程也可包括选择并 处理可基本上不含地层烃的层或者薄层地层烃。

[0095]一个或多个富含有机物岩石地层的丰富度也可以被考虑。 丰富度可取决于诸多因素，包括含地层烃层的形成条件、该层中地层 烃的量和/或该层中地层烃的组成。薄且丰富的地层烃层可以能产生比 更厚、不太丰富的地层烃层明显更多有价值的烃。当然，从既厚又丰 富的地层生产烃是期望的。

[0096]富含有机物岩石地层的干酪根含量可以使用各种数据从露 头或岩心样品确定。这样的数据可以包括有机碳含量、含氢指标以及 修正的Fischer试验分析。Fischer试验是这样的标准方法，其涉及在一 小时中将含地层烃层的样品加热至约500℃，收集从加热样品产生的流 体，以及量化所产生的流体的量。

[0097]地下地层渗透性也可以通过岩石样品、露头或地下水流的 研究进行评估。此外，开发区域与地下水源的连通性可以进行评估。 因此，富含有机物岩石地层可以基于地层基体的渗透性或孔隙率选择 以进行开发，即使地层的厚度相对薄。

[0098]石油工程师已知的其它因素可以在选择开发地层时被考 虑。这样的因素包括发现的产油气带的深度、新鲜地下水与含干酪根 区域的地层学接近性、厚度的连续性和其它因素。例如，地层内被评 估的流体生产含量也将影响最后的体积生产量。

[0099]在从油页岩油田生产烃流体中，可以期望控制热解流体的 迁移。在一些情况中，这包括注入井的使用，尤其是在该油田的周围。 这样的井可以注入水、蒸汽、CO₂、加热的甲烷或其它流体，以驱使裂 化的干酪根流体向内进入生产井。在一些实施方式中，可以将物理挡 板放在开发的富含有机物岩石地层的区域周围。物理挡板的一个实例 涉及冷冻壁的产生。冷冻壁通过穿过周边的井循环制冷剂以大大降低 岩石地层的温度而形成。这又防止了油田周边存在的干酪根热解以及 油和气向外迁移。冷冻壁也将导致周边的地层中天然水冻结。

[0100]将地下冷冻用于稳定加固差的土壤或者给流体流动提供挡 板在本领域中是已知的。Shell Exploration and Production Company(壳 牌勘探和生产公司)已经在几个专利中讨论了冷冻壁用于油页岩生产， 包括美国专利号6,880,633和美国专利号7,032,660。壳牌的660专利 使用地下冷冻以防止原位页岩油生产期间地下水流动和地下水污染。 公开了所谓冷冻壁的应用的另外的专利是美国专利号3,528,252、美国 专利号3,943,722、美国专利号3,729,965、美国专利号4,358,222、美国 专利号4,607,488和WO专利号98996480。

[0101]可用于限制流体流入或流出油页岩油田的物理挡板的另一 实例是形成灌浆壁。灌浆壁是通过将水泥注入地层中以充满渗透性通 道而形成的。在油页岩油田的环境中，水泥将沿着油田的周边被注入。 这防止热解的流体移动到开发油田外边以及水从邻近的含水层移动到 油田中。

[0102]如上所示，几个不同类型的井可被用于富含有机物岩石地 层的开发，包括例如油页岩油田。例如，富含有机物岩石地层的加热 可以通过使用加热井完成。加热井可包括，例如，电阻加热元件。烃 流体从地层中的生产可以通过使用用于流体生产的完井而实现。含水 流体的注入可以通过使用注入井而实现。最后，含水溶液的生产可以 通过使用溶液生产井而实现。

[0103]上面所列的不同井可以用于一个以上的目的。换一种说法 就是，初始完成用于一种目的的井后来可用于另一目的，由此降低项 目成本和/或减少执行某些任务所需要的时间。例如，一个或多个生产 井也可被用作随后将水注入富含有机物岩石地层中的注入井。可选地， 一个或多个生产井也可被用作随后从富含有机物岩石地层生产含水溶 液的溶液生产井。

[0104]在其它方面，生产井(以及在一些情况中加热井)最初可被 用作脱水井(例如在加热开始前和/或当加热最初被启动时)。此外， 在些情况中，脱水井可随后被用作生产井(以及在一些情况中用作加 热井)。因此，脱水井可以被放置和/或设计以便这种井可随后被用作生 产井和/或加热井。加热井可以被放置和/或设计以便这种井可随后被用 作生产井和/或脱水井。生产井可以被放置和/或设计以便这种井可随后 被用作脱水井和/或加热井。类似地，注入井可以是最初被用作其它目 的(例如加热、生产、脱水、监控等)的井，并且注入井可随后被用 于其它目的。类似地，监控井可以是最初用作其它目的(例如加热、 生产、脱水、注入等)的井。最后，监控井可随后被用于其它目的， 例如水生产。

[0105]不同井的井筒可以相对靠近地定位，分开10英尺至高达 300英尺。可选地，井筒可以间隔30至200英尺或者50至100英尺。 典型地，井筒也在浅的深度处完成，总深度200至5,000英尺。可选地， 井筒可以在从1,000至4,000英尺或者1,500至3,500英尺的深度处完 成。在一些实施方式中，目标为原位干馏的油页岩地层处于地表下200 英尺以上的深度处。在可选实施方式中，目标为原位干馏的油页岩地 层处于地表下500、1,000或1,500英尺以上的深度处。在可选实施方 式中，目标为原位干馏的油页岩地层处于地表下200与5,000英尺之间 的深度处，可选地在1,000与4,000英尺之间，在1,200与3,700英尺 之间或者1,500与3,500英尺之间。

[0106]期望的是以预先计划的布井方式为油页岩油田安排不同的 井。例如，加热井可以以各种布井方式安排，包括但不限于三角形、 正方形、六边形和其它多边形。该布井方式可以包括规则的多边形以 促进均匀的加热穿过放置了加热井的至少部分地层。该布井方式还可 以是行列驱井网。行列驱井网一般包括第一加热井线性阵列、第二加 热井线性阵列，以及位于第一和第二加热井线性阵列之间的生产井或 者生产井线性阵列。在加热井之间散布的典型是一个或多个生产井。 注入井同样可以被布置在重复性布井方式的单元内，其可类似于或不 同于加热井所用的布井方式。

[0107]减少井数目的一个方法是使用单个井，既作为加热井又作 为生产井。通过使用单一井用于连续目的来降低井的数目可以降低项 目成本。一个或多个监控井可以被布置在油田中选择的位置上。监控 井可以被配置有一个或多个测量井筒中温度、压力和/或流体特性的装 置。在一些情况中，加热井还可以作为监控井，或者另外用仪器装备。

[0108]减少加热井数目的另一方法是采用井网。可以使用与生产 井等距离间隔的加热井的规则井网。该井网可以形成等边三角形排列、 六边形排列或其它排列井网。加热井的排列可以被这样放置，从而每 个加热井之间的距离小于约70英尺(21m)。一部分地层可以用加热 井加热，所述加热井基本上与烃地层的边界平行地放置。

[0109]在可选实施方式中，加热井的排列可以被这样放置，使得 每个加热井之间的距离可以小于约100英尺、或50英尺、或30英尺。 无论加热井的排列或之间的距离如何，在某些实施方式中，在富含有 机物岩石地层内放置的加热井与生产井之间的比例可大于约5、8、10、 20或更多。

[0110]在一种实施方式中，单个生产井被至多一层加热井环绕。 这可包括排列诸如5点、7点或9点阵列，其中生产和加热井交互成行。 在另一实施方式中，两层加热井可以环绕生产井，但是其中加热井是 错列的，以便存在无障碍通道用于远离另外的加热井的大部分流动。 可以应用流动和储层模拟以评估原位产生的烃流体当它们从其原始地 点迁移到生产井时的通道和温度历史。

[0111]图4提供例证性的使用一层以上加热井的加热井排列的平 面图。该加热井排列的使用与从页岩油开发区400生产烃相关。在图4 中，加热井排列使用第一层加热井410，其被第二层加热井420环绕。 第一层410中的加热井以431被提及，而第一层420中的加热井以432 被引用。

[0112]生产井440被显示在井层410和420中央。应当注意，相 对于生产井440，井第二层420中的加热井432与井第一层410中的加 热井431有所偏移。目的是为转化的烃提供这样的流动通道，其使加 热井第一层410中的加热井附近的行程最小化。这又使得当烃从第二 层井420流动到生产井440时从干酪根转化的烃的二次裂化最小化。

[0113]在图4例证性的排列中，第一层410和第二层420每个都 限定5点布井。然而，应当理解可以使用其它布井，诸如3点或6点 布井。在任何情况中，包括加热井第一层410在内的多个加热井431 被置于生产井440周围，其中包括加热井第二层420在内的第二多个 加热井432被置于第一层410周围。

[0114]两层中的加热井也可以被这样按排，使得通过加热从第二 层420中的每个加热井432中产生的大部分烃能迁移到生产井440，而 基本上不通过第一层410中的加热井431附近。两层410、420中的加 热井431、432进一步可以被这样安排，使得通过加热从第二层420中 的每个加热井432中产生的大部分烃能迁移到生产井440，而不通过基 本上增加地层温度的区域。

[0115]减少加热井数目的一种方法是采用井网，所述井网在特定 方向上伸长，尤其在最有效的热传导率的方向。热对流可以受不同因 素影响，诸如层面和地层内的应力。例如，热对流可在与地层上最小 水平主应力垂直的方向更有效。在一些情况中，热对流可在与最小水 平主应力平行的方向更有效。

[0116]与油页岩油田的开发相关，可期望的是，按照步骤130和 135热通过地下的前进是均匀的。然而，由于多种原因，尽管加热井和 生产井规则安排，地下地层中地层烃的加热和熟化不可能均匀进行。 油页岩特性和地层结构的不均匀性可以使得某些局部区域更多产或更 少产。而且，由于油页岩加热和熟化发生的地层压裂可能导致优选通 道不均匀分布，并且由此增加了向某些生产井的流动以及减少了向其 它生产井的流动。不均匀的流体熟化可能是不期望的条件，因为某些 地下区域可能接受比所需更多的热能而其它区域接受得比期望的更 少。这又导致采出液不均匀的流动和回收。采出油质量、总生产速率 和/或最终的回收可能减少。

[0117]为了检测不均匀的流动条件，生产和加热井可以被安装有 传感器。传感器可包括测量温度、压力、流速和/或组成信息的设备。 来自这些传感器的数据可以简单的规则进行加工或者被输入进行详细 的模拟，以进行如何调节加热和生产井以改进地下性能的决策。生产 井性能可以通过控制井上的背压或节流进行调节。加热井性能也可以 通过控制能量输入进行调节。传感器读数有时也可以指示需要修理、 替换或废弃的井或井下设备的机械问题。

[0118]在一种实施方式中，利用来自两个或多个井的流速、组成、 温度和/或压力数据作为计算机算法的输入以控制加热速率和/或生产 速率。井内或井附近的未测量条件然后被评估并用于控制井。例如， 原位压裂行为和干酪根熟化基于来自一组井的热、流动和组成数据进 行评估。在另实例中，井完整性基于压力数据、井温度数据以及估 计的原位应力进行评价。在相关实施方式中，传感器的数目通过仅使 一亚组井装备有设备并且使用结果内插、计算或估计未仪表化的井上 的条件而得以减少。某些井可只具有有限的一组传感器(例如仅仅井 口温度和压力)而其它井具有更大的一组传感器(例如井口温度和压 力、井底温度和压力、生产组成、流速、电信号、套管应变等)。

[0119]如上所示，有多种将热施加到富含有机物岩石地层的方法。 例如，一种方法可以包括置于井筒中或井筒外的电阻加热器。一种这 样的方法涉及将电阻加热元件用在下套管井筒或裸眼井筒中。电阻加 热涉及直接将电通过导电材料，从而电阻损耗使其加热导电材料。其 它加热方法包括使用井下燃烧室、原位燃烧、射频(RF)电能或微波 能量。仍然是其它的加热方法包括将热流体直接注入到油页岩地层中 以直接将其加热。热流体可以进行或者可以不进行循环。一种方法可 包括通过在地下地层外部或内部燃烧燃料而产生热。例如，热可以通 过地表燃烧器或井下燃烧器或者通过经由例如天然或人造压裂穿过例 如井筒循环热流体(诸如甲烷气体或石脑油)到地层中而供给。一些 燃烧器可以被配置以进行无火焰燃烧。可选地，一些方法可包括诸如 通过天然分布式燃烧室在地层内燃烧燃料，所述天然分布式燃烧室一 般是指使用氧化剂以氧化地层内至少部分碳以产生热的加热器，并且 其中氧化发生在最接近井筒的附近。除非在权利要求书中如此声明， 本方法不限于所应用的加热技术。

[0120]地层加热的一种方法涉及电阻器的使用，其中电流穿过电 阻材料，所述电阻材料将以热分散电能。这种方法区别于电介质加热， 电介质加热中高频振荡电流在附近材料中感应出电流并且把它们加 热。电加热器可包括绝缘导体、置于开孔中的细长元件和/或置于导管 中的导体。公开了使用电阻加热器以原位生产油页岩的早期专利是美 国专利号1,666,488。′488专利在1928年授予Crawshaw。自从1928年， 已经提出了各种井下电加热器的设计。例证性的设计在美国专利号 1,701,884、美国专利号3,376,403、美国专利号4,626,665、美国专利号 4,704,514和美国专利号6,023,554中介绍。

[0121]重油储层电加热方法应用的评述由R.Sierra和S.M. Farouq Ali在″Promising Progress in Field Application of Reservoir Electrical Heating Methods″，Society of Petroleum Engineers Paper 69709， 2001中给出。该参考文献的全部公开内容通过引用并入本文。

[0122]原位电阻加热器的某些在先设计利用了固体、连续加热元 件(例如金属线或条)。然而，这样的元件可能缺少长期、高温应用如油 页岩熟化所必需的坚韧性。随着地层加热和油页岩熟化，岩石发生显 著的膨胀。这导致和地层交叉的井上高的应力。这些应力可导致井筒 管和内部组件的弯曲和拉伸。胶结(例如美国专利号4,886,118)或者填 装(例如美国专利号2,732,195)加热元件在适当位置可对于应力提供一 些保护，但是一些应力仍可以被传播到加热元件。

[0123]作为可选方案，国际专利公布号WO2005/010320教导使用 电导压裂加热油页岩。加热元件通过形成井筒以及然后水力压裂井筒 周围的油页岩地层而构造。压裂中填充有形成加热元件的电导材料。 煅烧石油焦炭是示例性的合适的传导材料。优选地，压裂在沿着通过 水平井筒形成的纵向、水平面的垂直方向上产生。电可以通过传导性 压裂从每个井的根部被传导到每个井的趾部。电流可以通过与靠近趾 部的一个或多个垂直压裂相交叉的、用于提供相反电极的另外水平井 形成。

[0124]该WO 2005/010320方法产生“原位烘炉”，所述原位烘 炉通过施加电热而人工熟化油页岩。建模表明，紧靠压裂附近的温度 可超过600℃。热传导加热油页岩至超过300℃的转化温度，其引起人 工熟化。

[0125]国际专利公布号WO 2005/045192教导了在油页岩地层内 应用热流体循环的可选加热手段。在WO 2005/045192的方法中，超临 界加热的石脑油通过地层中的压裂缝进行循环。这意味着，油页岩通 过循环致密的、热的烃蒸汽穿过间隔紧密的水力压裂缝组而被加热。 一方面，压裂是水平形成的并且通常被支撑。320℃-400℃的压裂温度 被保持高达五至十年。汽化的石脑油由于在加热温度下其高的体积热 容、简便可用性和相对低的降解速度可以是优选的加热介质。在WO 2005/045192方法中，随着干酪根熟化，流体压力将驱动产生的油至热 压裂中，其中压力随循环烃蒸汽产生。

[0126]加热富含有机物岩石地层的目的是热解至少一部分固体地 层烃以产生烃流体。固体地层烃可以通过将富含有机物岩石地层(或 者地层内的区域)升高至热解温度而原位产生。在某些实施方式中， 地层温度可以通过热解温度范围而慢慢升高。例如，原位转化过程可 包括加热至少一部分富含有机物岩石地层以将该区域的平均温度以小 于每天选定量(例如大约10℃、5℃、3℃、1℃、0.5℃或0.1℃)的速 度升高至大约270℃以上。在进一步的实施方式中，该部分可以被加热， 从而选定区域的平均温度可小于约375℃，或者在一些实施方式中，小 于400℃。该地层可以被加热，从而地层内的温度(至少)达到初始热 解温度(例如热解开始发生的温度范围低限处的温度)。

[0127]热解温度范围可以根据地层内地层烃的种类、加热方法和 热源分布而变化。例如，热解温度范围可包括约270℃与约900℃之间 的温度。可选地，地层目标区域的体相可以被加热至300℃与600℃之 间。在可选实施方式中，热解温度范围可以包括约270℃与约500℃之 间的温度。

[0128]优选地，对于原位方法，生产区的加热发生在几个月或者 甚至四年或更多年的时间内。可选地，地层可以被加热一年至十五年， 可选地，3至10年，1.5至7年，或者2至5年。地层目标区的体相可 以被加热至270℃与800℃之间。优选地，地层目标区的体相可以被加 热至300℃与600℃之间。可选地，目标区的体相可最终被加热至400 ℃(752°F)以下的温度。

[0129]在本发明方法的某些实施方式中，井下燃烧器可被用于加 热目标油页岩区段。不同设计的井下燃烧器已经在专利文献中被讨论 用于油页岩和其它主要的固体烃沉积物。实例包括美国专利号 2,887,160；美国专利号2,847,071；美国专利号2,895,555；美国专利号 3,109,482；美国专利号3,225,829；美国专利号3,241,615；美国专利号 3,254,721；美国专利号3,127,936；美国专利号3,095,031；美国专利号 5,255,742；和美国专利号5,899,269。井下燃烧器通过将可燃燃料(典 型地天然气)和氧化剂(典型地空气)运输到井筒中的地下位置而运 行。燃料和氧化剂在井下反应以产生热。燃烧气体被去除(一般通过 运输到地表，但是可能通过注入到地层中)。时常地，井下燃烧器利 用管套管布置以运输燃料和氧化剂到井下，并且然后移去燃气返回到 地表上面。一些井下燃烧器产生火焰，而其它的可以不产生火焰。

[0130]井下燃烧器的使用是另一种形式的被称为蒸汽发生的井下 发热的替代方案。在井下蒸汽发生中，井中的燃烧器被用于煮沸放在 井筒中的水以注入到地层中。井下热技术的应用已经被描述在F.M. Smith，″ADown-hole burner-Versatile tool for well heating，″25^thTechnical Conference on Petroleum Production，Pennsylvania State University，pp 275-285(Oct.19-21，1966)；H.Brandt，W.G.Poynter和J.D. Hummell，″Stimulating Heavy Oil Reservoirs with Downhole Air-Gas Burners，″World Oil，pp.91-95(Sept.1965)；和C.I.DePriester和A.J. Pantaleo，″Well Stimulation by Downhole Gas-Air Burner，″Journal of Petroleum Technology，pp.1297-1302(Dec.1963)中。

[0131]井下燃烧器由于减少的基础设施成本相对于电加热方法具 有优点。在这方面，不需要昂贵的发电厂和配电系统。而且，具有增 加的热效率，因为避免了在发电期间固有经历的能量损耗。

[0132]由于各种设计问题，井下燃烧器很少应用。这种井下燃烧 器设计问题包括温度控制和冶金学限制。在这方面，火焰温度可能使 管和燃烧器硬件过热并且通过熔化、热应力、拉伸强度严重损失或者 蠕变而使它们失效。某些不锈钢，其典型地具有高铬含量，可以容忍 高达～700℃的温度长期时间。(参见例如H.E.Boyer和T.L.Gall(eds.)， Metals Handbook，″Chapter 16：Heat-Resistant Materials″，American Society for Metals，(1985)火焰的存在可能在燃烧器内和环绕燃烧器的 地层中引起热点。这是由于来自火焰照明区域的辐射传热。然而，典 型的气焰可以产生高达约1,650℃的温度。燃烧器的建造材料必须足以 经得起这些热点的温度。此加热器因此比没有火焰的类似加热器更贵。

[0133]对于井下燃烧器应用，传热可以以几种方式之一发生。这 些包括传导、对流和辐射方法。辐射传热对于明火来说可能特别强。 此外，烟道气由于CO₂和水含量可能是腐蚀性的。耐火金属或陶瓷的 使用可有助于解决这些问题，但是一般成本更高。在超过900℃的温度 下具有可接受强度的陶瓷材料一般是高氧化铝含量陶瓷。可能有用的 其它陶瓷包括基于氧化铬、氧化锆和氧化镁的陶瓷。此外，根据井下 燃烧的特性，NO_x产生可能是大量的。

[0134]在井下燃烧器的管套管布置中的传热也可能引起困难。向 下行进的燃料和空气将与向上行进的热烟道气热交换。在井中，高度 绝缘的空间最小，因此般预期有大量的传热。这种交叉热交换随着 燃料和空气预热，可导致更高的火焰温度。此外，交叉热交换可以限 制燃烧器下游热的传输，因为热的烟道气可以快速损失热能到上升的 较冷烟道气。

[0135]在油和气源的生产中，可以期望将采出的烃用作正在进行 的操作的能源。这可被应用于从油页岩开发油和气源。在这方面，当 电阻加热器连同原位页岩油回收使用时，需要大量的能量。

[0136]电能可以从转动发电机的涡轮获得。通过利用来自油田的 采出气供以气体涡轮动力，可能在经济上是有利的。然而，这种采出 气必须被小心控制以便不损坏涡轮、导致涡轮点火不良或者产生过量 的污染物(例如NO_x)。

[0137]气体涡轮问题的一个来源是在燃料内存在污染物。污染物 包括固体、水、作为液体存在的重组分以及硫化氢。此外，燃料的燃 烧行为是重要的。要考虑的燃烧参数包括热值、比重、绝热火焰温度、 可燃性限度、自燃温度、自然延迟时间和火焰速度。沃泊指数(Wobbe index，WI)经常被用作燃料质量的关键量度。WI等于低热值与气体比 重的平方根的比值。将燃料的沃伯指数控制到目标值并且在例如+10％ 或±20％的范围可允许涡轮设计简化以及性能优化改进。

[0138]燃料质量控制可用于页岩油开发，其中采出气组成在油田 寿命期间可能变化，并且其中气体除了轻烃外一般还有大量的CO₂、 CO和H₂。商业规模的油页岩干馏被预期产生随时间变化的气体组成。

[0139]涡轮燃料中的惰性气体可以通过增加物质流动同时保持火 焰温度在期望范围内而增加发电。此外惰性气体可以降低火焰温度并 且由此减少NO_x污染物产生。从油页岩熟化产生的气体可具有大量的 CO₂含量。因此，在生产方法的某些实施方式中，燃料气的CO₂含量 通过在地表设备中分离或加入进行调节以使涡轮性能优化。

[0140]对于低BTU(British Thermal Units，英国热单位)燃料来 说，达到一定的氢含量也可以期望实现适当的燃烧性能。在本文方法 的某些实施方式中，燃料气的H₂含量通过地表设备中的分离或加入进 行调节以使涡轮性能优化。利用低BTU燃料调节非页岩油地表设备中 的H₂含量已经在专利文献(例如美国专利号6,684,644和美国专利号 6,858,049，其全部公开内容通过引用并入本文)中进行了讨论。

[0141]例如通过热解加热富含有机物岩石地层内的地层烃的方法 可以产生流体。热生成的流体可包括地层内蒸发的水。此外，加热干 酪根的作用产生加热后倾向于膨胀的热解流体。产生的热解流体不但 可包括水，而且可包括例如烃、碳的氧化物、氨、分子氮和分子氢。 因此，随着地层内加热部分内的温度增加，加热部分内的压力由于流 体产生增加、分子膨胀以及水的蒸发也可能增加。因此，一些必然的 结果存在于油页岩地层内的地下压力与热解期间产生的流体压力之 间。这又表明，地层压力可以被监控以检测干酪根转化过程的进展。

[0142]富含有机物岩石地层的加热部分内的压力取决于其它储层 特征。这些可包括，例如，地层深度、与加热井的距离、富含有机物 岩石地层内地层烃的丰富度、加热程度、和/或与生产井的距离。

[0143]油页岩油田的开发者可以期望开发期间监控地层压力。地 层内的压力可以在多个不同位置处进行测定。这样的位置可包括但不 限于井口处以及井筒内的不同深度处。在一些实施方式中，压力可以 在生产井处进行测量。在可选实施方式中，压力可以在加热井处进行 测量。在仍然是另一实施方式中，压力可以在专用监控井的井下进行 测量。

[0144]加热富含有机物岩石地层至热解温度范围的过程不但将增 加地层压力，而且也将增加地层渗透性。热解温度范围应当在富含有 机物岩石地层内已经产生基本的渗透性之前达到。初始缺乏渗透性可 以防止从热解区段产生的流体在地层内传输。照此方式，随着热最初 从加热井转移至富含有机物岩石地层，富含有机物岩石地层内的流体 压力可以更加接近于该加热井。这种流体压力增加可能是由于例如在 地层中至少一些地层烃的热解期间流体的产生引起的。

[0145]可选地，可使由地层内产生的热解流体或其它流体的膨胀 产生的压力增加。这假定生产井的开放通道或其它压力降还不存在于 地层中。一方面，流体压力可被允许增加到岩石静应力或之上。在这 种情况中，当流体压力等于或超过岩石静应力时，含烃地层中的压裂 可形成。例如，压裂可以从加热井形成到生产井。加热部分内压裂的 产生可以减小该部分内的压力，这是由于通过生产井采出液的生产。

[0146]旦热解在富含有机物岩石地层内已经开始，流体压力可 根据不同因素而变化。这些包括例如烃的热膨胀、热解流体的产生、 转化速率以及从地层中取出产生的流体。例如，随着流体在地层内产 生，孔内的流体压力可能增加。从地层中移出产生的流体则可减小地 层井筒区域附近内的流体压力。

[0147]在某些实施方式中，至少一部分富含有机物岩石地层的质 量可以被降低，这是由于例如地层烃的热解以及从地层中生产烃流体。 因此，至少部分地层的渗透性和孔隙率可能增加。任何有效地从油 页岩产生油和气的原位方法将在原先非常低渗透性的岩石中产生渗透 性。这发生的程度通过大的膨胀量阐明，如果从干酪根产生的流体不 能流动，必须具有所述膨胀。该观点在图5中被阐明。

[0148]图5提供了一柱状图，其比较了在模拟的原位干馏工艺之 前50和之后51的一吨Green River油页岩。模拟的过程是在2,400psi 和750°F下、在总有机碳含量22wt.％以及Fisher试验42加仑/吨的油 页岩上进行的。转化前，存在总共15.3ft³的岩石基体52。该基体包括 嵌入在页岩内的7.2ft³的矿物53，即白云石、石灰石等以及8.1ft³的 干酪根54。由于转化该材料膨胀至26.1ft³55。这提供了7.2ft³的矿物 56(与转化前相同的数目)、6.6ft³的烃流体57、9.4ft³的烃蒸汽58以及 2.9ft³的焦炭59。可以看出，基本的体积膨胀发生在转化过程期间。这 又增加了岩石结构的渗透性。

[0149]在一种实施方式中，原位加热一部分的富含有机物岩石地 层至热解温度可以增加加热部分的渗透性。例如，渗透性可由于通过 施加热引起的加热部分内热压裂的形成而增加。随着加热部分的温度 增加，水可由于蒸发而被去除。汽化的水可以溢出和/或从地层中去除。 此外，加热部分的渗透性也可以增加，这是在宏观规模上由于加热部 分内至少一些地层烃的热解而产生烃流体的结果。

[0150]本文描述的某些体系和方法可用于处理至少一部分相对低 渗透性地层中(例如在含有地层烃的“致密”地层中)的地层烃。这 样的地层烃可以被加热以在地层的选定区中热解至少一些地层烃。加 热也可以增加至少一部分选定区的渗透性。从热解中产生的烃流体可 以从地层中产生，由此进一步增加地层渗透性。

[0151]富含有机物岩石地层的加热部分内选定区的渗透性也可以 在该选定区由于传导被加热时迅速增加。例如，不可渗透的富含有机 物岩石地层的渗透性在加热前可小于约0.1毫达西。在一些实施方式 中，热解至少一部分富含有机物岩石地层可以将该部分选定区内的渗 透性增加至约10毫达西、100毫达西、1达西、10达西、20达西或50 达西以上。因此，该部分选定区的渗透性可以增加大约10、100、1,000、 10,000或100,000以上的因数。在一种实施方式中，富含有机物岩石地 层在加热该富含有机物岩石地层之前具有1毫达西以下的初始总渗透 性，可选地0.1或0.01毫达西以下。在一种实施方式中，富含有机物 岩石地层在加热该富含有机物岩石地层之后具有1毫达西以上的加热 后总渗透性，可选地，10、50或100毫达西以上。

[0152]与加热富含有机物岩石地层相关，富含有机物岩石地层可 任选地被压裂以有助于传热或烃流体生产。在一种情况中，压裂可以 通过施加热在地层内产生热压裂而自然实现。热压裂形成是通过岩石 和流体的热膨胀以及干酪根转变成油和气的化学膨胀引起的。热压裂 可发生在经受加热的中间区域以及更冷的附近区域。附近区域中的热 压裂是由于压裂的蔓延以及更热区域中膨胀所引起的张应力。因此， 通过加热富含有机物岩石以及将干酪根转变成油和气，渗透性不但通 过流体形成和蒸发而且通过热压裂形成而增加。增加的渗透性有助于 地层内的流体流动以及从干酪根产生的烃流体的采出。

[0153]此外，可以使用被称为水力压裂的方法。水力压裂是油和 气回收领域中已知的方法，其中压裂流体在井筒内被加压到地层的压 裂压力之上，因此在地层内形成压裂面以释放井筒内产生的压力。水 力压裂可被用于产生附加渗透性和/或被用于给加热井提供拉伸的几何 形状。上面所并入的WO 2005/010320专利出版物描述了一种这样的方 法。

[0154]与从岩石基体尤其是浅深度的那些中生产烃相关，一个考 虑因素可能与地下沉有关。这特别在原位加热富含有机物岩石中是实 际情况，其中一部分基体本身被热转化并且移去。最初，该地层可包 含固体形式的地层烃诸如，例如，干酪根。该地层也可最初包含水溶 性矿物。最初，该地层也可以对流体流动是基本上不可渗透的。

[0155]原位加热该基体热解了至少一部分地层烃以产生烃流体。 这又在富含有机物地层中的熟化(热解的)富含有机物岩石区内产生 渗透性。热解和渗透性增加相组合允许烃流体从地层中产生。同时， 支撑基体的材料的损耗也产生相对于地表下沉的可能。

[0156]在些情况中，为了避免环境或水文地质影响，下沉被寻 求以最小化。在这方面，改变地表的等高线和地形甚至几英寸都可能 改变径流(runoff)型式、影响植被型式以及影响分水岭。此外，下沉具 有损坏在生产区域中形成的生产或加热井的可能。这种下沉可以对井 筒套管、水泥工件和井下设备产生破坏性的环带以及压缩性应力。

[0157]为了避免或最小化下沉，提出留下选定部分的基本上未热 解的地层烃。这有助于保护一个或多个未熟化的富含有机物岩石区。 在一些实施方式中，未熟化的富含有机物岩石区可以成形为基本垂直 的柱，其延伸穿过富含有机物岩石地层的厚度的主要部分。

[0158]地层内的加热速度和热分布可以被设计和执行，以便留下 足够的未熟化柱以防止下沉。一方面，热注入井筒在布井中形成，从 而油页岩未处理的柱被留在其中以支撑上覆岩层和防止下沉。

[0159]优选的是，油和气的热回收在地层中存在的苏打石或其它 水溶性矿物的任何溶液采矿(solution mining)之前进行。溶液采矿可以 在岩石地层中产生大的空穴并且在油页岩开发区域中使角砾岩塌方。 这些空穴和角砾化区段可给原位和采矿回收油页岩造成问题，这进一 步增加了支撑柱的效用。

[0160]在一些实施方式中，通过原位转化过程产生的烃流体的组 成和特性可根据例如富含有机物岩石地层内的条件变化。控制热和/或 富含有机物岩石地层中选定部分的加热速度可以增加或减少选定的采 出液的生产。

[0161]在一种实施方式中，操作条件可以通过测量富含有机物岩 石地层的至少一种特性进行确定。测量的特性可以被输入到计算机可 执行程序中。从地层中生产的采出液的所选至少一种特性也可以被输 入到计算机可执行程序中。该程序可以是可操作的，以从至少一个或 多个测量的特性中确定一组操作条件。该程序也可以被配置以从所选 择的采出液的至少一种特性确定该组操作条件。照此，所确定的这组 操作条件可以被配置以增加从该地层生产选定采出液。

[0162]某些加热井实施方式可包括例如通过绝缘导体或其它类型 的线路与任何加热井连通的操作系统。该操作系统可以被配置以与加 热井对接。操作系统可以接受来自加热器的信号(例如电磁信号)， 其表示加热井的温度分布。此外，操作系统可以被进一步配置以本地 控制或遥控加热井。例如，操作系统可通过改变与加热井连接的设备 的参数，改变加热井的温度。因此，操作系统可以监控、改变和/或控 制至少一部分地层的加热。

[0163]在一些实施方式中，在地层中的平均温度可能已经达到选 定温度后，加热井可以被调小和/或关闭。调小和/或关闭加热井可减少 输入能量成本，基本上抑制了地层的过热，并且允许热基本上传递到 地层更冷的区域。

[0164]加热的富含有机物岩石地层内的温度(和平均温度)可以 变化，这取决于例如与加热井的接近度、地层的热传导性和热扩散性、 发生反应的类型、地层烃的类型以及富含有机物岩石地层内水的存在。 在油田中建立监控井的位置，温度测量可以在井筒内直接进行。此外， 在加热井处，在地层紧接周围的温度被相当充分地了解。然而，期望 将温度插入到地层中间温度传感器和加热井中的位置上。

[0165]根据本发明生产过程的一个方面，富含有机物岩石地层内 的温度分布可以采用数字模拟模型进行计算。数字模拟模型可通过已 知数据点的内插以及地层传导率的假定计算地表温度分布。此外，数 值模拟模型可被用于测定处于评估温度分布下的地层的其它参数。例 如，地层的各种特性可包括但不限于地层的渗透性。

[0166]数字模拟模型也可包括评估处于评估温度分布下的富含有 机物岩石地层内形成的流体的各种特性。例如，所形成流体的各种特 性可包括但不限于地层内形成的流体的累积体积、流体粘度、流体密 度和地层内形成的流体的组成。这种模拟可被用于评估商业规模操作 或小规模油田试验的性能。例如，基于，但不限于，可从研究规模操 作中生产的产物总体积，可以评估商业规模开发的性能。

[0167]一些实施方式包括从富含有机物岩石地层生产至少一部分 烃流体。烃流体可以通过生产井进行生产。生产井可以是下套管井或 裸眼井并且通过本领域中已知的方法进行钻井和完井。

[0168]一些实施方式进一步包括从富含有机物岩石地层生产采出 液，其中采出液包含烃流体和含水流体。含水流体可包含水溶性矿物 和/或迁移污染物种类。在这样的情况中，采出液可以在地表设备中被 分离成烃流和含水流。此后水溶性矿物和/或迁移污染物种类可以从含 水流中进行回收。该实施方式可以与本文所讨论的发明的其它方面中 任何方面进行组合。

[0169]生产的烃流体可包括热解油成分(或可冷凝成分)以及热 解气成分(或非冷凝成分)。从地层中生产的可冷凝烃将一般包括石 蜡、环烷、单环芳烃和双环芳烃作为成分。这种可冷凝烃还可包括其 它成分诸如三环芳香烃和其它烃种类。

[0170]在某些实施方式中，采出液中大部分烃可具有小于约25的 碳数。可选地，流体中按重量计小于约15％的烃可具有大于约25的碳 数。非冷凝烃可包括但不限于碳数小于5的烃。

[0171]在某些实施方式中，采出液中可冷凝烃的API比重可为大 约20或以上(例如25、30、40、50等)。在某些实施方式中，采出液中 氢与碳原子比可为至少约1.7(例如1.8、1.9等)。

[0172]一些生产过程包括在从富含有机物岩石地层基本上去除地 层水溶性矿物之前，原位加热包含地层烃和地层水溶性矿物的富含有 机物岩石地层。在本发明的一些实施方式中，在原位加热之前不需要 部分、基本上或完全去除水溶性矿物。例如，在含有天然发生的苏打 石的油页岩地层中，油页岩可以在通过溶液采矿基本上去除苏打石之 前被加热。基本上去除水溶性矿物可表示水溶性矿物的去除程度，其 从本领域中已知的任何商业溶液采矿操作中发生。基本上去除水溶性 矿物可近似为去除富含有机物岩石地层内烃流体生产的目标区域中存 在的特定水溶性矿物总量的按重量计5％以上。在可选实施方式中，富 含有机物岩石地层的原位加热以热解地层烃可以在从富含有机物岩石 地层去除按重量计3％以上的地层水溶性矿物之前开始，可选地，按重 量计7％、按重量计10％或按重量计13％。

[0173]在采出苏打石之前加热油页岩以生产油和气的影响是将苏 打石转化成更可回收形式(碱灰)，并且提供渗透性，有助于其随后 的回收。水溶性矿物回收可以在干馏油生产后就发生，或者它可以被 留下几年的时期用于后面的回收。如果期望的话，碱灰可在地表上容 易被转化回苏打石。这种转化可容易实行使得两种矿物可有效地互换。

[0174]在些生产方法中，加热富含有机物岩石地层包括通过苏 打石的分解产生碱灰。该方法可包括在地表设备中处理含水溶性矿物 的含水溶液以去除一部分水溶性矿物。该处理步骤可包括通过由于改 变含水溶液的温度引起的沉淀除去水溶性矿物。

[0175]水溶性矿物可包括钠。水溶性矿物还可包括苏打石(碳酸 氢钠)、碱灰(碳酸钠)、片钠铝石(NaAl(CO₃)(OH)₂)或其组合。表面 处理可进一步包括在地表设备中通过与CO₂反应将碱灰转化成碳酸氢 钠(苏打石)。在部分或完全去除水溶性矿物后，含水溶液可被再注 入到地下地层，在那里它可以被隐蔽。该地下地层可以与原始富含有 机物岩石地层相同或不同。

[0176]在一些生产方法中，加热富含有机物岩石地层既热解至少 一部分地层烃以产生烃流体并且使得在富含有机物岩石地层中在先结 合的迁移污染物种类可以得到。迁移污染物种类可以通过地层烃的热 解形成，可以在加热后从地层本身中释放，或者可以在加热地层后通 过产生增加的渗透性而使其可接近。在富含有机物岩石地层中存在的 或注入其中的水或其它含水流体中，迁移污染物种类可以是可溶的。

[0177]从热解的油页岩中产生烃一般留下一些至少部分水溶的迁 移污染物种类。取决于热解页岩油与较浅区段的水文连通性，这些成 分可最后迁移到浓度上环境不可接受的地下水中。潜在的迁移污染物 种类的类型取决于油页岩热解的特性以及正被转化的油页岩的组成。 如果热解是在氧或空气不存在下进行的，污染物种类可包括芳烃(例如 苯、甲苯、乙苯、二甲苯)、多芳烃(例如蒽、芘、萘、)、金属污染 物(例如As、Co、Pb、Mo、Ni和Zn)，及其它种类诸如硫酸盐、氨、 Al、K、Mg、氯化物、氟化物和酚。如果使用的是氧或空气，污染物 种类还可包括酮、醇和氰化物。此外，存在的具体的迁移污染物种类 可包括上述种类的任何次组或组合。

[0178]油田开发者可以期望评估富含有机物岩石地层与含水层的 连通性。这可以进行以确定富含有机物岩石地层中的地层烃的原位热 解是否可产生倾向于迁移到含水层的迁移种类，或者其程度。如果富 含有机物岩石地层与含水层是水文相连的，可以采取防范措施以减少 或防止在热解期间产生或释放的种类进入含水层。可选地，富含有机 物岩石地层可以在如这里所述热解后用水或含水流体冲洗以去除水溶 性矿物和/或迁移污染物种类。在其它实施方式中，富含有机物岩石地 层可以与任何地下水源基本上水文不连接。在这样的情况中，冲洗富 含有机物岩石地层可能对于迁移污染物种类的去除来说不是必需的， 但是尽管如此对于水溶性矿物的回收来说可能是期望的。

[0179]在从富含有机物地层生产烃后，一些迁移污染物种类可保 持在岩石地层中。在这样的情况下，可以期望将含水流体注入到富含 有机物岩石地层中并且使注入的含水流体溶解至少部分水溶性矿物和/ 或迁移污染物种类以形成含水溶液。含水溶液然后可通过例如溶液生 产井从富含有机物岩石地层中采出。含水流体可进行调节以增加迁移 污染物种类和/或水溶性矿物的溶解度。调节可包括加入酸或碱以调节 溶液的pH。所得含水溶液然后可从富含有机物岩石地层中采出到地表 进行加工。

[0180]在初始含水流体采出后，可进一步期望用含水流体冲洗熟 化的富含有机物岩石区和未熟化的富含有机物岩石区。含水流体可被 用于进一步溶解水溶性矿物和迁移污染物种类。冲洗可以任选地在大 部分的烃流体已经从熟化的富含有机物岩石区段采出后完成。在一些 实施方式中，冲洗步骤可以被延迟到烃流体生产步骤之后。冲洗可以 被延迟以允许从加热步骤产生的热向更深处传递，进入周围未熟化的 富含有机物岩石区段，以便将周围未熟化的富含有机物岩石区段内的 苏打石转化成碱灰。可选地，冲洗可以被延迟以允许加热步骤产生的 热在周围未熟化的富含有机物岩石区段内产生渗透性。此外，冲洗可 基于碳酸氢钠、碱灰或两者的目前和/或预测的市场价而被延迟，如本 文进一步讨论的。该方法可以与本文所讨论的本发明其它方面的任何 一个进行组合。

[0181]含水溶液冲洗后，可以期望在地表设备中处理含水溶液以 去除至少一些迁移污染物种类。迁移污染物种类可通过使用例如吸水 材料、反渗透、化学氧化、生物氧化和/或离子交换去除。这些方法的 实例在本领域中都是已知的。示例性吸收材料可包括活性炭、粘土或 漂白土。

[0182]在油页岩源的某些区域中，另外的烃源可以存在于较低的 深度处。其它烃源可包括更深的油页岩地层。其它烃源也可包括更深、 低渗透性地层中的天然气。这样的地层存在于美国西部所谓的“致密 气”地层中的一些部分。其它烃源可包括夹带在煤中和吸附到煤上的 天然气。这样的地层有时被称为“煤层甲烷”。

[0183]挑战在于同时开发需要热解的地层和更深的地层。在这方 面，热解油页岩或焦油砂地层用于生产油和气要求地层被加热。这样 的温度经常超过600°F。没有现存的技术存在以钻井穿过此类高温岩石 以便进入更深的烃源。即使井被预先钻到更深的地层，传统的井设计 也没有意图经受得住这些温度所产生的极限热应力。

[0184]因此，本文提出，保留基本未被加热的烃开发区域内的某 些区域。在地表，这样的区域可被称为衬垫(pad)。目标为更深源的井 从地表井衬垫垂直或定向钻井。更深源的定向井可以在油页岩区段下 面偏离，从而它们避免与原位油页岩加热相关的高温。

[0185]图6是烃开发区域600的一部分的横截面图。开发区域600 描绘了地表602以及地表602下面的地层610。地下地层610是富含有 机物岩石地层，诸如油页岩。油页岩地层610包括可被转化成烃流体 的干酪根。开发区域600用于从地下油页岩地层610开发烃的目的。 这通过原位加热和热解过程实现。

[0186]地层610在深度“d₁”处。深度“d₁”一般是通过地表602 与地层610的顶部之间的距离测量的。在一些实施方式中，目标为原 位热解的油页岩地层610位于地表下200英尺以上的深度处。在可选 实施方式中，目标为原位热解的油页岩地层610位于地表602下500、 1000或1500英尺以上的深度处，但是一般不超过5,000英尺深。在可 选实施方式中，目标为原位热解的油页岩地层610位于地表602下500 与4,000英尺之间的深度处，可选地在600与3,500英尺之间，或者在 700与3,000英尺之间。

[0187]地层610可以是最初具有非常有限的渗透性的油页岩，例 如小于5毫达西。为了开发油页岩地层610，必要的是热解地层610 中的固体烃或干酪根。这是通过在热解温度或以上加热地层610延长 的时间段而进行的。为了加热地层610和产生烃，提供了多个加热井 632。在例证性开发区域600中，加热井632以多行或线性排列布置。 每个加热井632具有向下延伸到地层610并在其中完井的井筒634。在 图6布置中的每个井筒634基本上是垂直的。然而，本发明不受加热 井632完井或布置的特性限制。

[0188]优选地，加热井632被设计以在选定温度下向地层610提 供电阻热。一方面，热解的油页岩地层610在加热后将具有10毫达西 以上的平均渗透性。加热井632可相对近的定位，分开10英尺至高达 300英尺。可选地，井筒可以被隔开20至200英尺或者30至100英尺。

[0189]加热井632的行之间散布的是生产636。每个生产井636 也具有向下延伸到地层610并在其中完井的井筒638。图6布置中的每 个生产井筒636也基本上是垂直的。然而，本发明不受生产井636完 井或布置的特性限制。

[0190]可以看出，加热井632和生产井636以重复的5点布井进 行布置。该布井以630表示。5点布井仅仅是例证性的；加热井632 到生产井636的相对布置可以以任何其它的布井方式，包括任何其它 的多边形布井诸如3点布井或7点布井(未显示)。

[0191]应当注意，采用加热井632加热油页岩地层610的方法也 改变了地层610的渗透性。通过加热油页岩以及将干酪根转化成油和 气，渗透性通过将干酪根逐渐转变成流体而增加。热解的烃流体在地 层610中迁移到生产井636的井筒638。

[0192]在图6的开发区域600中，另一烃源位于油页岩地层下面。 更深的源以620表示，并且位于第二深度“d₂”处。深度“d₂”又是通 过地表602与更深的源620顶部之间的距离测量的。在一些实施方式 中，目标为开采的更深的源620位于地表下3,000英尺以上的深度处。 在可选实施方式中，更深的资源620位于地表602下面5,000、7,500 或10,000英尺以上的深度处。

[0193]更深的烃源620可包括更深的油页岩地层。可选地，更深 的源620可以是“致密气”地层。仍然是可选地，更深的烃源可以是 “煤层甲烷”地层。仍然是进一步地，更深的源620可以是更常见的 油和气源。

[0194]为了评估更深的烃源620，提供多个更深的生产井642。每 个更深的生产井642具有在更深的源620中完井的井筒644。在这种情 况中，至少一些井筒644是偏离的。以这种方式，完井延伸到更深的 源620的不同部分。

[0195]一个或多个衬垫605被保留在井网630中。衬垫605代表 地表602中没有加热井632的区域。衬垫605进一步代表基本上未加 热的岩石支柱，其向下延伸到油页岩(或更浅的)地层610。在这方面， 井衬垫605的地表位置可以进行选择以与留下未处理的油页岩地层 610部分相符，从而充当支撑上覆岩层的支柱，而处理的油页岩应当失 去了其机械完整性。支柱代表未加热的区带607。

[0196]在图6的图中，显示了三个井衬垫605。井衬垫605被设 定尺寸以允许一个至20个要钻到更深的烃源620的更深的生产井642。 在一种实施方式中，2英亩间距的高达10个钻井位置(未显示)被提 供在衬垫605上。

[0197]在加热井632和衬垫605之间期望有一些距离。一方面， 50英尺的间距被提供在衬垫605和最近的加热井632之间。另一方面， 100英尺、或150英尺或200英尺的间距被提供在衬垫605和最近的加 热井632之间。该间距应当足以防止更深的生产井642的井筒644暴 露于大约300°F以上的温度。

[0198]在井开发区域600中，衬垫605位于开发区域600内部。 然而，在可选的实施方式中，衬垫也可以沿着开发区域的周边。

[0199]图7是在这样的可选实施方式中烃开发区域700的平面图。 这里，提供多个衬垫705。衬垫705位于地球表面702上。每个衬垫 705具有至少一个更深的生产井742。更深的生产井742向下延伸至更 深的源，诸如图6中所示的源620。一些衬垫705被置于开发区域700 内。定位在这种衬垫705上的更深的生产井742优选地是垂直的。然 而，一些衬垫705被置于开发区域705的周边上。在那种情况中，更 深的生产井742可以是偏离的并且被完井用于开发区域700内一位置 上的生产。

[0200]在例证性的开发区域700中，用于将井钻到更深的源的井 衬垫705约为850英尺乘350英尺。如果更深的源在约20英亩间距处 被开发，那么21口井将从每个垫705中被钻出。

[0201]开发区域700也是用于从更浅的地层(诸如图6的油页岩 地层610)生产烃的目的。对于该操作，提供了多个加热井710。加热 井710诸如通过电阻热加热地层，以便热解富含有机物岩石。以这种 方式，烃流体被产生以回收。

[0202]为了生产烃流体，形成了多个生产井。生产井以720显示。 在例证性开发区域布置700中，加热井710与生产井720的比值为6∶1。 然而，任何比例可被用于本文的方法。

[0203]同区域中页岩油源和天然气源的同时开发可协作地利用 某些设备和后勤运作。例如，气体处理可以在单个工厂进行。同样， 职员可以开发中共享。仍是进一步，开发区域700内衬垫705的放置 有助于防止从地表702的下沉。更深的烃源应当进行开发，而不留下 比减缓下沉所必需的任何更多的未处理油页岩。

[0204]图8提供在仍然另外的布置中例证性烃开发区域800的透 视图。这里，地表区域以802显示。地表802下面是油页岩地层810。 油页岩地层810可表示相互靠近的多个区。油页岩地层810下面是更 深的烃源820。

[0205]为了将油页岩热解成烃流体，提供了多个加热井832。例 证性的加热井832水平地在油页岩地层810中完井。两个例证性的水 平井筒以虚线显示在834。加热井832被提供以在油页岩地层810内产 生热解的烃流体。

[0206]在开发区域800的地表802上还可以看见的是各个衬垫 805。衬垫805包含用于从更深的烃源820生产烃的更深的生产井842。 每个更深的生产井842具有相应的井筒844。可以看出，井筒844是偏 离的，以便从油页岩地层810下面的不同位置生产烃。最重要地，更 深的生产井842的井筒844被安排以避免从加热井832的井筒834产 生的热。

[0207]从上面的描述和例证中，可以看出提供了从不同深度处的 地下地层中生产烃的方法。一方面，该方法包括在第一深度d₁处的地 下地层(诸如地层610)内原位加热富含有机物岩石的步骤。加热步骤 的结果是地层610内至少一部分富含有机物岩石被热解成烃流体。优 选地，第一深度d₁的地层610的富含有机物岩石是油页岩。

[0208]该方法还包括在第一深度d₁的地下地层610内提供至少一 个基本上未加热的区段(如区域607)。以这种方式，剩下该区域607 内的富含有机物岩石基本上未被热解。该方法进一步包括穿过未加热 的区域607钻出至少一个更深的生产井(如井642)，以及在比第一深 度d₁更深的第二深度d₂处的地下地层(如地层620)中完成所述至少 一个更深的生产井642。此后，烃流体通过所述至少一个更深的生产井 642采出。

[0209]在一种实施方式中，加热第一深度d₁处的地下地层610的 步骤包括完成多个加热井(如加热井632)，其被设计以原位加热富含有 机物岩石。加热井632可以是电阻加热井。可选地，加热井632可以 被设计以循环加热的流体，以便通过热对流加热周围地层。可选地， 加热井632可提供井下燃烧。无论该方法如何，加热第一深度d₁处的 地下地层610的步骤优选地导致至少一部分富含有机物岩石地层610 达到300℃或更高的温度。

[0210]从所述至少一个更深的生产井642生产的烃流体可包括天 然气。这类天然气的实例是甲烷。一方面，该方法进一步包括使用从 所述至少一个生产井642生产的天然气进行至少部分发电的步骤。一 方面，所述电被用于给加热井632提供电源，其中加热井632是电阻 加热井。

[0211]在本发明的一种实施方式中，所述至少一个更深的生产井 642包括穿过未加热的区域607钻出的多个生产井。更深的生产井642 可以从相对于开发区域(例如区域600)的多个位置钻出。例如，生产 井642可以从未加热区域607正上方的地表区域或衬垫605中钻出。 在这种情况中，至少一些生产井642可以在第一深度d₁下面偏离，并 且然后以至少10英亩的间距在第二深度d₂的地下地层620中完成。另 一方面，生产井642可以从不是在未加热区域正上方的地表区域602 中钻出。例如，地表区域可以是在油页岩开发区域600周边上的衬垫 605。

[0212]多个更深的生产井642中一些或全部是从地表602上共同 的位置中钻出。例如，共同的位置可以是位于加热区域上方的地表上 的地表井衬垫605。井衬垫605可具有小于100,000ft²的表面积。衬垫 605可以位于未加热区域的正上方，以便限定容纳例如约3个至约10 个生产井的钻井衬垫。多个生产井642中一些或全部可以是偏离的。 在这种情况中，偏离的生产井642可以在比加热的油页岩地层610的 最低深度更深的深度处基本偏离。无论生产井是否偏离，多个生产井 642中一些或全部可以在更深的地下地层620中完成。可选地，多个生 产井中一些或全部可以在第一深度d₁下面不同的地下地层中完成。

[0213]本公开内容的方法可包括在第一深度d₁的地下地层610的 富含有机物岩石中生产热解的烃流体的另外步骤。在一种实施方式中， 从富含有机物岩石中生产热解的烃流体与从比第一深度更深的地下地 层620中生产烃流体全部或部分地同时发生。在可选的方面，通过所 述至少一个生产井642生产烃流体被中止，并且然后进行加热步骤以 便将未加热区域607中的至少一部分富含有机物岩石热解成烃流体。

[0214]在上述方法的一个方面，从在第二深度d₂的所述至少一个 生产井642生产的烃流体限定了包含甲烷和硫化氢的气流。第一深度 d₁的地下地层610的富含有机物岩石可包括煤层。在这种情况中，该 方法可进一步包括将气流注入煤层的步骤，以便从气流中去除至少一 部分硫化氢。这种方法可进一步包括从煤层中生产气。从第二深度620 生产的气流还可包括二氧化碳。在这种情况中，该方法可进一步包括 从气流中去除至少一部分二氧化碳的步骤。

[0215]在上述方法的另一方面，从第二深度d₂的至少一生产井642 中生产的烃流体包括硫化氢。第一深度d₁的地下地层610的富含有机 物岩石还可包括煤层。在这种情况中，该方法进一步可以包括将来自 具有大部分硫化氢的烃流体的气流注入煤层的步骤。仍然是进一步地， 该方法可包括从煤层中生产富含甲烷的气体。

[0216]在一种实施方式中，该方法包括穿过未加热区域607完成 至少一个冷却井的步骤，以便防止未加热区域607中的富含有机物岩 石热解。冷却井优选地具有循环冷却流体的井下管道装置。冷却流体 可使未加热区域不达到超过250℃，或者更优选地125℃的温度。

[0217]开发区域600内不在未加热区域607内的地表部分602推 理上是加热区域。加热区域与未加热区域607的表面积比可以变化。 一方面，至少个基本上未加热区域607占油页岩开发区域的至多 50％。可选地，至少一个基本上未加热区域607占油页岩开发区域的至 多20％，或者，仍然是可选地，占油页岩开发区域的至多10％。在一 种实施方式中，至少一个基本上未加热区域607包括多个未加热区域， 其中每一个单独地占油页岩开发区域的至多20％。在该实施方式中， 多个未加热区域可在油页岩开发区域的加热区域内形成拼接物。此外， 穿过多个未加热区域607钻出至少一个生产井的步骤可包括在地表 602上选择与基本上未加热区域地下对应的衬垫605。

[0218]加热后冷却加热区域可以是期望的。因此，在一种实施方 式中该方法进一步包括将水注射到第一深度d₁处的地下地层610和/或 比第一深度d₁更深的地下地层620的一个或多个中，从而冷却至少一 部分加热区域。

[0219]在种特别优选的实施方式中，未加热区域607充当防止 地下沉的支柱。在该实施方式中，多个未加热区域可以在油页岩开发 区域(如区域600)的加热区域内形成拼接物。在第一深度d₁的地下 地层610内选择基本上未加热区域的衬垫605的步骤可包括确定在油 页岩开发内区域600内防止地下沉所需的未加热区域607的最小数量。

[0220]各种顺序可被用于从不同深度处的地下地层生产烃的方 法。一方面，穿过未加热区域607钻出地少一个生产井642的步骤发 生在加热位于第一深度d₁处的地下地层610内的富含有机物岩石的步 骤之前。另一方面，穿过未加热区域607钻出至少一个生产井642的 步骤发生在第一次加热位于第一深度d₁处的地下地层610内的富含有 机物岩石的第1周至第26周期间。在仍然另一方面，穿过未加热区域 607钻出至少一个生产井642的步骤发生在第一深度d₁处的地下地层 610内富含有机物岩石中至少一部分已经被加热到至少100℃之后。

[0221]图9图解了地表设备970的一种实施方式的示意图，所述 地表设备970可被配置来处理采出液。采出液985可以通过如本文描 述的生产井971从地下地层984中生产。采出液985可包括通过本文 描述的任何方法生产的任何采出液。地下地层984可以是任何地下地 层，其包括，例如，包含诸如油页岩、煤、或焦油砂中任何一种的富 含有机物岩石地层。

[0222]生产方案可以涉及将采出液淬火972至300°F、200°F或者 甚至100°F以下的温度，在油分离器973中分离出可冷凝成分(即油 974和水975)，在气体处理单元977中处理非冷凝成分976(即气) 以去除水978和硫种类979，在天然气981中从气体(例如丙烷和丁 烷)中去除较重的成分以形成要出售的液态石油气(LPG)980，并且 在电厂988从剩余的气体983产生电能982。

[0223]电能982可被用作通过本文描述的任何方法加热地下地层 984的能源。例如，电能982可以在高压例如132,000V下输入变压器 986，并且在被输入到位于加热井987——其位于地下地层984中—— 中的电阻加热器元件之前逐步下降至更低的电压例如6,600V。以这种 方式，加热地下地层984所需能量的全部或部分可以从采出液985的 非冷凝成分976中产生。过量的气体——如果有的话——可以被输出 销售。

[0224]来自原位油页岩生产的采出液包含多种可以在地表设备中 被分离的成分。采出液典型地包含水、非冷凝烃烷种类(例如甲烷、 乙烷、丙烷、正丁烷、异丁烷)、非冷凝烃烯种类(例如乙烯、丙烯)、 由烷烃、烯烃、芳烃和多芳烃等组成的可冷凝烃种类以及CO₂、CO、 H₂、H₂S和NH₃。

[0225]在地表设备中，可冷凝成分可以通过降低温度和/或增加压 力从非冷凝成分中分离出来。温度降低可以利用被周围空气或可利用 的水冷却的热交换器实现。可选地，热的采出液可以通过与先冷却的 采出烃液热交换进行冷却。压力可以通过离心式或往复式压缩机增加。 可选地，或者联合地，扩散器-膨胀器装置可被用于从气流冷凝出液体。 分离可以涉及冷却和/或压力变化的几个阶段。

[0226]当降低温度或增加压力时，除了可冷凝烃980外，水可以 从气体中滴出。液体水可以通过重力沉降器或离心分离器与冷凝的烃 分开。破乳剂可被用于促进水分离。

[0227]从生产的烃气中去除CO₂以及其它所谓的酸气(如H₂S) 的方法包括使用化学反应方法和物理溶剂方法。化学反应方法一般包 括在高压和/或低温下使气流接触胺的水溶液。这使得酸气种类与胺发 生化学反应并且进入到溶液中。通过升温和/或降压，化学反应可以被 逆转并且浓缩的酸气流可以被回收。可选的化学反应方法涉及热的碳 酸盐溶液，一般地碳酸钾。热的碳酸盐溶液被再生，并且浓缩的酸气 流通过使该溶液接触气流而回收。物理溶剂方法一般涉及在高压和/或 低温下使气流接触二元醇。类似于胺方法，降压或升温允许溶剂再生 以及酸气回收。某种胺或二元醇可以在去除的酸气种类上或多或少地 具有选择性。任何这些方法的规模大小调整需要测定要循环的化学品 的量、循环速率、再生所需的能量输入以及气体化学品接触设备的尺 寸和类型。接触设备可包括填料塔或多级塔板逆流塔。这些方面中每 一方面的最优尺寸调整高度取决于气体从地层中生产的速率以及气流 中酸气的浓度。

[0228]酸气去除还可以通过使用蒸馏塔而实现。这种塔可包括中 间的冷冻段，其中允许冷冻的CO₂和H₂S颗粒形成。冷冻的颗粒和液 体的混合物向下落下进入汽提段，其中更轻的烃气体在塔内逸出并且 上升。精馏段可以被提供在塔的上端以进一步促进塔顶气流的净化。

[0229]气流的氢含量可以通过取出全部或部分氢或者通过去除全 部或部分非氢种类(例如CO₂、CH₄等)进行调整。分离可以利用低温 冷凝、变压或变温吸附、或选择性扩散膜实现。如果需要另外的氢， 氢可以借助通过典型的水汽转换反应重整甲烷而制得。

结论

[0230]上述的方法可具有优点，其中涉及在科罗拉多州的Piceance 盆地中回收烃。一些人已经进行了评估，在美国西部的一些油页岩沉 积物中，每地表英亩可以回收高达1百万桶油。一项研究已经进行了 评估，Piceance盆地的油页岩地层的有苏打石部分内在某些地方的油页 岩资源为四千亿桶页岩油。总的来说，仅仅在Piceance盆地可存在高 达1万亿桶页岩油。

[0231]本发明的某些特征就一组数值上限和一组数值下限进行了 描述。应当理解，除非另外指明，通过这些极限值的任何组合形成的 范围在本发明的范围内。尽管按照美国实践，一些从属权利要求具有 单一从属关系，但这种从属权利要求中任一项的每个特征可以与从属 于相同的一个或多个独立权利要求的其它从属权利要求中一项或多项 的每一个特征进行组合。

[0232]尽管显然的是本文描述的发明进行了完满地计算以实现上 面提到的益处和优点，但是应当理解的是本发明容许进行修改、变化 和改变，而没有脱离其精神。