专利名称：用于原位热解油生产的烯烃降低的制作方法
用于原位热解油生产的烯烃降低相关申请的交叉参考本申请要求保护2010年8月30日提交的名称为OLEFIN REDUCTION FOR INSITU PYROLYSIS OIL GENERATION (用于原位热解油生产的烯烃降低)的美国临时专利申请61/378，274的优先权权益，其全部内容被引入本文作为参考。
背景技术：
本节意图介绍本领域的多个方面，这可与本公开的示例性实施方式相关。这样的讨论被认为有助于提供框架，从而有助于更好地理解本公开的具体方面。因此，应当理解的是，本章应在此前提下阅读，而不一定作为对现有技术的承认。领域本发明涉及烃类自地下地层回收的领域。更具体地，本发明涉及烃流体自有机物富集岩石地层的原位回收， 该有机物富集岩石地层包括，例如，油页岩地层、煤地层和浙青砂地层。本发明还涉及降低(reducing)烃流体的烯烃含量的方法。技术概述已知某些地质地层包含被称为“干酪根”的有机物。干酪根是固态含碳物质。当干酪根嵌入岩石地层中时，该混合物被称为油页岩。这是真实的，而无论该矿物事实上是否在技术上是页岩，即主要由压实粘土形成的岩石。干酪根在暴露于热一段时间后进行分解。在加热后，干酪根在分子水平上分解成较小的分子，以生成油、气和含碳焦炭。还可生成少量水。油、气和水流体在岩石基质中具有移动性，而含碳焦炭基本上保持固定性。油页岩地层在世界范围内的多个区域被发现，包括美国。这种地层尤其被发现于怀俄明州(Wyoming)、科罗拉多州(Colorado)和犹他州(Utah)。油页岩地层倾向于存在于相对较浅的深度，并且其特征通常为有限的渗透性。一些认为油页岩地层是烃沉积物，其还未经历产生常规油和气储量所需的数年的热和压。干酪根分解生成移动性烃类的速率具有温度依赖性。基本转化可能需要总体上超过270°C (518° F)的温度经过至少数月的过程。温度越高，可在越短的时间内发生基本转化。当干酪根被加热至必要的温度时，化学反应使形成固态干酪根的较大分子分解为较小的油和气分子。热转化过程被称为热解或干馏。多年来已进行从油页岩地层提取油的尝试。地表处的近地表油页岩已被开采和干馏超过一个世纪。1862年，James Young开始加工苏格兰油页岩。该工业持续了约100年。通过地表开采的商业油页岩干馏也已在其他国家进行。这些国家包括澳大利亚、巴西、中国、爱沙尼亚、法国、俄罗斯、南非、西班牙、约旦和瑞典。但是，该实践在近年来已基本上废止，因为其被证明是不经济的，或因为关于页岩废渣处理的环境制约。(参见T. F. Yen, andG. V. Chilingarian, “Oil Shale, ” Amsterdam, Elsevier, ρ· 292,其全部公开内容被引入本文作为参考)。进一步，地表干馏需要开采油页岩，这使该具体应用限制于极浅的地层。在美国，自1900年代早期就已知西北部的科罗拉多州存在油页岩沉积物。数个研究项目已时而在该区域进行。关于油页岩生产的多数研究在1900年代的后半段实施。这种研究大部分关于页岩油地质学、地球化学和在地表设施中的干馏。1947年，美国专利号2，732，195被授予Fredrik Ljungstrom0该专利，名称为“Method of Treating Oil Shale and Recovery of Oil and Other Mineral ProductsTherefrom”，提出将高温下的热原位应用于油页岩地层。这种原位加热的目的是使烃类蒸馏并将其生产至地表。‘195Ljungstrom专利被引入本文作为参考。Ljungstrom创造了短语“热供应渠道”以描述钻入地层的井眼。井眼中容纳电热导体，其将热传递至周围的油页岩。因此，热供应渠道充当早期热注入井。热注入井中的电加热元件被布置在砂岩或水泥或其他导热性材料中，以使热注入井将热传递到周围的油页岩中。根据Ljungstrom,地下“集合体”在一些应用中被加热至500°C至1，000°C之间。与热注入井一起，毗邻于热注入井完成流体生产井。随着干酪根在热传导进入集合体或岩石基质后热解，热解油和气将通过邻近的生产井得到回收。Ljungstrom通过Swedish Shale Oil Company施用其自受热井筒的热传导方法。全规模工厂建立，从1944年运行至1950年代。(参见G. Salamonsson, “The LjungstromIn Situ Method for Shale-Oil Recovery,，，2nd Oil Shale and Cannel Coal Conference, v. 2, Glasgow, Scotland, Institute of Petroleum, London, pp. 260-280 (1951),在此其全部公开内容被引入本文作为参考。)经过多年至今已提出多种原位转化方法。这些方法通常涉及将热和/或溶剂注入地下油页岩地层。例如，美国专利号3，241，611,名称为“Recovery of Petroleum ProductsFrom Oil Shale”，提出将加压热天然气注入油页岩地层。‘611专利在1966年被授予J. L. Dougan，并被引入本文作为参考。Dougan提出，天然气在924° F的温度下被注入。另一方法出现在名称为“InSitu Thermal Recovery of Oil From an Oil Shale”的美国专利号3，400，762中。该专利在1968年被授予D.W. Peacock。‘762专利提出注入过热蒸汽。其他加热方法也已被提出。这种方法包括电阻加热和电介质加热，其被施加于储层体。美国专利号4，140, 180,被授予伊利诺斯州(Illinois)芝加哥的ITT ResearchInstitute，讨论了利用电能或射频(RF)范围的“激励”的加热方法。电阻器应用与电介质加热不同一在电阻器应用中，电流经过电阻材料，该电阻材料消耗电能成为热；在电介质加热中，高频振荡电流在附近材料中感应电流，并导致材料变热。对电加热方法关于重油储层的应用的评述被提供于R. Sierra and S. M. Farouq Ali,“Promising Progress in FieldApplication of Reservoir Electrical Heating Methods, ” SPE Paper No69, 709 (2001年3月12-14日)。加热还可以是氧化剂注入以支持原位燃烧的形式。实例包括按数字顺序排列的美国专利号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。这些专利一般应用井下燃烧器。井下燃烧器由于基础设施成本降低具有优于电加热方法的优势。在这方面，无需昂贵的电力工厂和配电系统。此外，因为避免了在电力生产过程中本身经过的能量损失，热效力增加。在一些实例中，已在基质中产生人为的渗透性，从而有助于加热后热解流体的移动。渗透性生成方法包括开采、碎石化、水力压裂(参见授予M.L. Slusser的美国专利号3，468，376和授予J. V. Vogel的美国专利号3，513，914)、爆炸压裂(授予W. ff. Hoover等的参见美国专利号1，422，204)、热压裂(参见授予R. ff. Thomas的美国专利号3，284，281)和蒸汽压裂(参见授予H. Purre的美国专利号2，952，450)。还提出在同井中堆叠的传导性裂缝或电极之间运行交变电流或射频电能以加热地下地层。参见美国专利号 3，149，672,名称为 “Method and Apparatus for ElectricalHeating of Oil-Bearing Formations” ；美国专利号 3，620, 300,名称为 “Method andApparatus for Electrically Heating a Subsurface Formation，，；美国专利号4，401，162，名称为“In Situ Oil Shale Process” ；和美国专利号 4，705，108，名称为“Method for In Situ Heating of Hydrocarbonaceous Formations，，。名称为“ElectricalMethod and Apparatus for the Recovery of Oil” 的美国专利号 3，642，066 提供了对在地下地层中通过在不同井之间运行交变电流的电阻加热的描述。其他专利已描述在井筒中建立有效电极的方法。参见美国专利号4，567，945，名称为“Electrode Well Method andApparatus” ；和美国专利号 5，620，049,名称为“Method for Increasing the Productionof Petroleum From a Subterranean Formation Penetrated by a Wellbore，，。名称为“In Situ Electrolinking of Oil Shale” 的美国专利号 3，137，347 描述了电流通过连接两井的裂缝流动以获得起始于周围地层整体的电流的方法。由于地层的体积电阻(bulk electrical resistance),地层加热主要在表面上发生。F. S. Chute和F. E. Vermeulen, Present and Potential Applications of Electromagnetic Heating inthe In Situ Recovery of Oil, AOSTRA J. Res. , v. 4, p. 19-33 (1988)描述了重油试验测试，其中利用“电预热”使电流在两井之间流动以降低粘度和在井间产生用于后续蒸汽驱的连通渠道。油页岩干馏和页岩油回收以后另外的历史可在被共同拥有的名称为“Methods ofTreating a Subterranean Formation to Convert Organic Matter into ProducibleHydrocarbons” 的美国专利号 7, 331, 385,和名称为 “Hydrocarbon Recovery fromImpermeable Oil Shales”的美国专利号7，441，603中找到。这两项专利的背景和技术公开被引入本文作为参考。注意，原位加热固体有机物至高温(例如，高于270°C)导致烃分子热分解。包含固体有机物的岩石的实例包括油页岩、浙青和煤。经过数月的过程发生有机物分解，并导致固态烃转化成液体、气体和固体(焦炭)。生成的流体被称为“热解油”和“热解气”。一些水也可生成。已知由快速热解生成的油其烯烃含量趋向高于天然存在的石油。烯烃是任何包含一对或多对通过双键连接的碳原子的不饱和烃。烯烃，特别是含有多个双键的烯烃，趋向于聚合成为大分子，形成沉淀物。这些沉淀物通常被称为胶质和淤渣。沉淀物可引起管道运输问题和罐存储问题。链烯是烯烃亚类，其是开放链分子。二烯烃是包含两个双键的烯烃分子。有机物快速热分解成液体和气体导致大部分所得分子是氢不饱和的，使得分子成为烯经。参见，例如，J. S. Ball, et al. , “Composition of Colorado Shale-OilNaphtha,，，Industrial and Engineering Chemistry, 41 (3), pp. 581-587 (Marchl949)和 L.Lundquist, “Refining of Swedish Shale Oil”，Oil Shale Cannel CoalConference, Vol. /Issue: 2，pp. 621-627 (1951)。因此，热解油有时需要化学氢化——如果其将被精炼成燃料如汽油。已知多种精炼工艺在地表进行化学氢化。但是，氢化增加资本成本，特别是如果在远程油田位置进行以允许管道运输至主要精炼厂。需要原位氢化烯烃分子以将烯烃分子转化成饱和形式。美国专利公开号2009/0133935,名为 “Olefin Metathesis for Kerogen Upgrading”,最近提出原位化学升格页岩结合的干酪根的方法。使干酪根在烯烃复分解催化剂存在的情况下接触一定量链烯物种。催化的复分解反应据称在页岩结合的干酪根与链烯物种之间发生。较小的干酪根衍生分子物种形成并被生产至地表。美国专利号6，918，442,名为 “In Situ Thermal Processing of an Oil ShaleFormation in a Reducing Environment”,要求保护原位加热油页岩地层的方法。该方法包括加热地层第一区段以从地层生成混合物；加热地层第二区段；控制热量，使得第一或第二区段的平均加热速率每天小于约1°C，其热解温度范围为约270°C至约400°C ;和使部分生成的混合物从地层第一区段再循环到地层第二区段中，以在地层第二区段中提供还原环境(reducing environment)。‘442专利还要求保护这样的方法包括从地层生成氢气和可缩合烃；和用至少部分生成的氢氢化部分生成的可缩合烃。该专利进一步要求保护向第一或第二区段提供氢(H2)以氢化第一或第二区段中的烃；和用来自氢化作用的热量加热第一或第二区段的部分。该专利中“来自氢化作用的的热量”表示什么不是完全清楚。无论如何，仍需要这样的生产烃流体的改良方法原位降低烯烃含量而无需再循环化学剂或氢化混合物以建立还原环境。虽然存在通过地表处理降低烯烃含量和通过注入反应性化学剂原位降低烯烃含量的方法，但存在对这样的生产烃流体的改良方法的需求原位降低烯烃含量而无需依靠地表处理或获得注入的反应性化学剂。概述本文所述的方法在提高烃流体自有机物富集岩石地层的回收率方面具有多种益处。在多个实施方式中，这种益处可包括烃流体产量增加和热解油质量提高——如在页岩油生产操作过程中。首次提供了从有机物富集岩石地层向地表设施生产烃流体的方法。有机物富集岩石地层包括地层烃，如固态烃或重烃。一方面，有机物富集岩石地层是浙青砂地层或煤床。另一方面，有机物富集岩石地层是油页岩地层。地层的初始渗透性可小于约10毫达西。该方法包括提供多个原位热源。选定的热源被配置以在有机物富集岩石地层的第一区域中生成热量。第一区域可占据面积延伸为至少1，OOOm2的的体积。可选地，第一区域可占据面积延伸为至少4，OOOm2的体积。该方法还包括原位加热第一区域中的有机物富集岩石地层。加热目的是造成地层烃热解或流动。优选地，有机物富集岩石地层被加热至至少200°C的温度。有机物富集岩石地层的加热持续进行，以使热量从各个热源离开并穿过第一区域。当地层是油页岩地层时，第一区域优选地被加热至至少270°C的温度。该方法还包括提供多个接近选定热源的生产井。生产井位于第一区域内。然后该方法包括通过第一区域内的多个生产井从第一区域生产具有第一组成的烃流体。该方法还包括原位加热第二区域内的有机物富集岩石地层。有机物富集岩石地层的加热持续进行，以使热量从第二区域内的热源离开，使得最接近第二区域内热源的有机物富集岩石地层中形成至少200°C温度。当地层是油页岩地层时，第一区域优选被加热至至少270°C的温度。该方法还包括从第二区域生产烃流体。生产通过第一区域内的多个生产井进行。在这种方式下，产自第二区域的烃流体接触第一区域的岩石基质中的焦炭。这些烃流体因此具有第二组成。第二区域可接近于第一区域。在这种情况下，通过穿过岩石基质的多孔流动提供第二区域与第一区域之间的流动连通。可选地，第二区域可与第一区域分离或位置与第一区域相距甚远。在这种情况下，利用管状体提供第二区域与第一区域之间的流体连通。在任一种情况下，该方法然后包括通过第一区域内的多个生产井从第二区域生产烃流体。根据本文的方法，产自第一和第二区域的烃流体组成的共同平均烯烃含量低于单独产自第一区域的烃流体。换句话说，烃流体第二组成的平均烯烃含量低于烃流体的第一组成。烯烃含量可以指以低于约330°C的大气起泡点截取的液体蒸馏物的烯烃含量。另一方面，较低的烯烃含量反映二烯烃含量。本文还提供从油页岩地层氢化热解油的方法。一方面，该方法包括提供多个原位热源。各热源被配置以在油页岩地层第一区域中生成热量，以使固态烃热解成热解油。该方法还包括原位加热第一区域中的油页岩地层。加热的目的是使地层烃热解。优选地，油页岩地层被加热至至少270°C的温度。油页岩地层的加热持续进行，以使热量离开各个热源并穿过第一区域。该方法还包括提供多个接近选定热源的生产井。生产井位于第一区域内。该方法然后包括通过第一区域内的多个生产井从第一区域生产烃流体。该方法还包括原位加热第二区域内的有机物富集岩石地层。有机物富集岩石地层的加热持续进行，以使热量离开第二区域内的热源，以使最接近第二区域内的热源的有机物富集岩石地层中形成至少270°C的温度。该方法还包括从第二区域生产烃流体。生产通过第一区域内的多个生产井进行。在这种方式下，产自第二区域的烃流体接触第一区域的岩石基质中保留的固体碳材料。其用于氢化热解油和降低烯烃含量。根据本文方法，产自第一和第二区域的烃流体组成的共同平均烯烃含量低于单独产自第一区域的烃流体。一方面，该方法还包括将气体注入第二区域中的有机物富集岩石地层。注入的气体优选在有机物富集岩石地层中基本上无反应性。注入的气体可以是，例如，(i)氮气、(ii)二氧化碳、(iii)甲烷或(iv)其组合。可选地，注入的气体可以是产自生产井的烃气体。有利地，注入气体使第二区域中的地层压力增加，有助于使热解油流动至第一区域。注入气体还使第二区域内的有效热扩散率值增加，有助于提供更加一致的原位转化。附图简沭本发明附上了一些附图、制图、图表和流程图以使其可得到更好的理解。但要注意的是，附图仅示例本发明的选择性实施方式，因此不被认为限制范围，因为本发明可允许其他等价有效的实施方式和应用。
图1是示例性烃开发区域的横截面等距视图。烃开发区域包括限定有机物富集岩石基质的地下地层。
图2是进行热解和生产的示例性油页岩地层的横截面视图。显示了代表性加热井和代表性生产井。图3A至3D是烃开发区域的透视图。各烃开发区域具有进行热解和生产的第一区域，然后在第一区域后具有进行热解和生产的第二区域。图3A显示烃开发区域。在此,第一和第二区域分别以棋盘格局(checker-boardpattern)安排。图3B显示烃开发区域。第一和第二区域分别再次以棋盘格局安排。在此，第二区域中选定的热注入井转变为气体注入井。图3C显示烃开发区域。在此，第二区域的面积延伸明显大于第一区域的面积延伸。图3D显示烃开发区域。在此，第一和第二区域分别以平行排安排。图4A至4B是烃开发区域的透视图。该区域具有首先进行热解和生产的第一区域，和其次进行热解和生产的第二区域。但是，第一和第二区域不是相邻的。图4A显示烃开发区域，其中第一区域首先进行热解和生产。图4B显示图4A的烃开发区域，并且第二区域正在进行热解和生产。生产的热解油和热解气被运输至第一区域，用于注入及随后的生产。图5显示流程图，表明将烃流体从有机物富集岩石地层生产至地表设施的方法的步骤。某些实施方式详述定义如本文所用，术语“烃类”是指如不排外主要包括元素氢和碳的有机化合物。烃类还可包括其他元素，如，但不限于，卤素、金属元素、氮、氧和/或硫。烃类通常分成两类月旨肪烃或直链烃，以及环烃或闭合环烃一包括环萜烯。含烃材料的实例包括任何形式的天然气、油、煤和浙青，其可用作燃料或升格成燃料。如本文所用，术语“烃流体”是指作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、在处理条件下或在环境条件下(15°C和Iatm压力)作为气体或液体的烃或烃混合物。烃流体可包括，例如，油、天然气、煤床甲烷、页岩油、热解油、热解气、煤热解产物及其他处于气态或液态的烃。如本文所用，术语“生产流体(产液，produced fluids)”和“生产流体(产液，
production fluids)”是指从地下地层-包括,例如,有机物富集岩石地层-移除的液
体和/或气体。生产流体可包括烃流体和非烃流体。生产流体可包括，但不限于，油、热解页岩油、天然气、合成气、煤热解产物、二氧化碳、硫化氢和水(包括蒸汽)。如本文所用，术语“流体”是指气体、液体及气体和液体组合，以及气体和固体组合、及液体和固体组合。如本文所用，术语“气体”是指在Iatm和15°C下处于其蒸气相的流体。如本文所用，术语“可凝结烃”意为在约15°C和I个绝对大气压下凝结成液体的那些烃。可凝结烃可包括碳数大于4的烃的混合物。如本文所用，术语“不可凝结”意为在约15°C和I个绝对大气压下不凝结成液体的那些化学种类。不可凝结种类可包括不可凝结烃和不可凝结非烃种类，如，例如，二氧化碳、氢气、一氧化碳、硫化氢和氮气。不可凝结烃可包括碳数小于5的烃。术语“液化天然气”或“LNG”是天然气，其众所周知包括高百分比的甲烷，但包括任选地其他成分和/或混合物，包括但不限于，乙烷、丙烷、丁烷、二氧化碳、氮气、氦气、硫化氢或其组合)，其经处理以去除一种或多种组分(例如，氦气)或杂质(例如，水、硫化氢和/或重烃)，然后在几乎大气压下通过冷却而冷凝成液体。 如本文所用，术语“油”是指主要包含可凝结烃混合物的烃流体。如本文所用，术语“重烃”是指在环境条件(15°C和Iatm压力)下具有高粘性的烃流体。重烃可包括高粘性烃流体，如重油、焦油、浙青和/或柏油。重烃可包含碳和氢，以及较低浓度的硫、氧和氮。另外的元素也可痕量存在于重烃中。重烃可通过API重力(APIgravity)分类。重烃的API重力通常在约20度以下。重油，例如，通常其API重力为约10至20度，而焦油通常其API重力在约10度以下。重烃在15°C下的粘度通常大于约100厘泊。如本文所用，术语“固态烃”是指自然地发现的在地层条件下基本上处于固体形式的任何烃材料。非限制实例包括干酪根、煤、不纯石墨、浙青岩和天然矿物蜡。如本文所用，术语“地层烃”是指有机物富集岩石地层中包含的重烃和固态烃。地层烃可以是，但不限于，干酪根、油页岩、煤、浙青、焦油、天然矿物蜡和浙青岩。如本文所用，术语“焦油”是指通常粘度在15°C下大于约10，000厘泊的粘性烃。焦油的比重通常大于1. 000。焦油的API重力可小于10度。“浙青砂”是指其中具有焦油的地层。如本文所用，术语“干酪根”是指固态不溶性烃，其主要包含碳、氢、氮、氧和/或硫O如本文所用，术语“浙青”是指非晶体固体或粘性烃材料，其基本上可溶于二硫化碳。如本文所用，术语“地下”是指存在于地球表面以下的地质层。如本文所用，术语“含烃地层”是指任何包含烃大于痕量的地层。例如，含烃地层可包括包含烃水平大于按体积计5%的部分。位于含烃地层中的烃可包括，例如，油、天然气、重烃和固态烃。如本文所用，术语“有机物富集岩石”是指任何容纳固态烃和/或重烃的岩石基质。岩石基质可包括，但不限于，沉积岩、页岩、粉砂岩、砂岩、沉积石英岩、碳酸盐(carbonates)和硅藻岩。有机物富集岩石可包含干酪根。如本文所用，术语“有机物富集岩石地层”是指任何包含有机物富集岩石的地层。有机物富集岩石地层包括，例如，油页岩地层、煤地层和浙青砂地层。如本文所用，术语“地层”是指任何可限定的地下区域。地层可包含任何地质地层的一个或多个含烃层、一个或多个非含烃层、上覆岩层和/或下伏岩层。“上覆岩层”和/或“下伏岩层”是在目标地层上方或下方的地质材料。“上覆岩层”或“下伏岩层”可包括一种或多种不同类型的基本上不可渗透的材料。例如，上覆岩层和/或下伏岩层可包括砂岩，页岩，泥岩或湿/密碳酸盐(即，不可渗透的无烃碳酸盐)。上覆岩层和/或下伏岩层可包括相对不可渗透的含烃层。在一些情况下，上覆岩层和/或下伏岩层可以是可渗透的。
如本文所用，术语“热解”是指化学键通过施热断裂。例如，热解可包括单独通过热或通过热与氧化剂组合将化合物转化成一种或多种其他物质。热解可包括通过添加可得自分子氢的氢原子、水、二氧化碳或一氧化碳改变化合物的性质。热可被传递至一段地层以引起热解。如本文所用，术语“水溶性矿物”是指可溶于水的矿物。水溶性矿物包括，例如，苏打石(碳酸氢钠)、苏打灰(碳酸钠)、片钠铝石(NaAl (CO3) (OH)2)或其组合。基本溶解可需要热水和/或非中性PH溶液。如本文所用，术语“地层水溶性矿物”是指在地层中自然地发现的水溶性矿物。如本文所用，术语层的“厚度”是指层横截面上限与下限之间的距离，其中垂直于横截面的平均倾斜度测量该距离。如本文所用，术语“热裂缝”是指在地层中生成的裂缝，其是由部分地层和/或地层中流体的膨胀或收缩直接或间接造成的，其依次是由升高/降低地层和/或地层中流体的温度和/或由增加/减少加热导致的地层中流体压力造成的。热裂缝可蔓延到或形成于明显冷于加热区域的相邻区域。如本文所用，术语“水力裂缝”是指至少部分蔓延到地层中的裂缝，其中通过将加压流体注入地层而生成裂缝。虽然使用术语“水力裂缝”，但本发明在此不限于用于水力裂缝。本发明适用于以任何本领域技术人员认为适当的方式生成的任何裂缝。裂缝可通过注入支撑剂材料被人为保持开放。水力裂缝可基本上水平定向、基本上垂直定向或沿任何其他平面定向。如本文所用，术语“焦炭”意为得自烃裂解处理的含碳固体。术语“焦炭”包括自固态烃热解留下的固体残渣。如本文所用，术语“井筒(wel Ibore )”是指钻入地下或在地下插入管道而在地下形成的孔洞(hole)。井筒可以构成井的部分或全部。井筒可具有基本上圆形的横截面或其他横截面形状(例如，椭圆形、正方形、矩形、三边形或其他规则或不规则形状)。井筒可以是加套的、加套并注水泥的或是裸眼。井筒可以是垂直的、水平的或是垂直和水平之间的任何角度(斜井筒)。垂直井筒可包括非垂直组件。如本文所用，术语“井(well)”在指地层中的孔(opening)时可与术语“井筒(wellbore)”交替使用。选择性具体实施方式
的描述在此联合某些具体实施方式
对本发明进行描述。但是，在下列具体描述针对具体实施方式
或具体应用的情况下，其仅被意为示例性，而不被解释为限制本发明的范围。图1是示例性烃开发区域100的横截面透视图。烃开发区域100具有地表110。优选地，地表110是陆上地球表面。但是，地表110可以是水体如湖、河口、海湾或海洋下的地球表面。烃开发区域100还具有地下120。地下120包括多种地层，包括一个或多个近地表地层122、含烃地层124和一个或多个非烃地层126。近地表地层122表示上覆岩层，而非烃地层126表示下伏岩层。一个或个近地表地层122和非烃地层126其中均一般具有矿物学不同的多种岩层。含烃地层124限定由有机物富集岩石层组成的岩石基质。烃开发区域100的目的是从含烃地层124生产烃流体。示例性含烃地层124包含有机物富集岩石(如，例如，干酪根)和可能包含有价值的水溶性矿物(如，例如，苏打石)。要理解的是，代表性地层124可以是任何有机物富集岩石地层，包括例如包含煤或浙青砂的岩石基质。另外地，组成地层124的岩石基质可以是可渗透的，可半渗透的或不可渗透的。本发明特别有利于页岩油开采区域，该页岩油开采区域最初具有十分有限的流体渗透性或实际上无流体渗透性。例如，最初的渗透性可小于10毫达西。可基于多个因素选择开发含烃地层124。其中一个因素是地层124中有机物富集岩石层或区段的厚度。如图2更充分描述，含烃地层124由一系列具有不同厚度和不同有机等级的层组成。较大产油气带厚度可指烃流体较大的潜在体积产量。地层124中各含烃层的厚度可取决于如下而不同例如，有机物富集岩石层形成的条件。因此，如果那个地层包括至少一个其厚度足以经济地生产烃流体的含烃区段，将一般选择处理有机物富集岩石地层，如含烃地层124。如果紧密排列在一起的几个层的厚度足以经济地生产生成流体，也可选择有机物富集岩石地层，如地层124。例如，地层烃的原位转化过程可包括选择和处理厚度大于约5米、10米、50米或甚至100米的有机物富集岩石地层中的层。在这种方式下，对在有机物富集岩石地层上方和下方形成的层的热损失(作为总注入热的一部分)可小于来自地层烃薄层的这种热损失。但是本文描述的过程还可包括附加地选择和处理这样的层可包括基本上不含地层烃或地层烃薄层的层。还可考虑含烃地层124中一个或多个区段的丰富度。对于油页岩地层，丰富度通常是干酪根含量的函数。油页岩地层的干酪根含量可利用多种数据由露头或核心样本确定。这种数据可包括有机碳总量、氢指数和改良Fischer分析的分析。Fischer分析是标准方法，其包括在I小时内加热含烃层样本至约500°C，收集产自加热后样本的流体，和定量生产流体的量。丰富度可取决于多种因素，包括形成含地层烃层的条件、层中地层烃的含量，和/或层中地层烃的组成。薄且富集的地层烃层比厚的多但较不富集的地层烃层也许能够生产明显更有价值的烃。当然，从厚且富集的地层生产烃是理想的。地下渗透性也可通过岩石样本、露头或地下水流的研究评估。此外，开发区域与地下水源的连接性可被评估。有机物富集岩石地层如地层124可基于地层基质的渗透性或多孔性被选择开发，即使地层124的厚度相对较低。相反，有机物富集岩石地层可被放弃，如果其中看起来与地下水垂直邻接。在选择开发地层时可考虑石油工程师已知的其他因素。这种因素包括感知产油气带的深度、厚度连续性及其他因素。例如，地层中岩石的有机物含量或丰富度也将影响最终的体积产量。为到达含烃地层124和从中回收自然资源，形成多个井筒130。图1中的各井筒130具有与其相关的向上箭头或向下箭头。向上箭头表示相关井筒130是生产井。这些向上箭头中一些用“P”表示。生产井“P”从含烃地层124至地表110生产烃流体。相反，向下箭头表示相关井筒130是热注入井或加热井。这些向下箭头中一些用“I”表示。热注入井“I”将热注入含烃地层124。热可以多种本领域已知的方式被注入地层，该方式包括热流体注入、热流体在井筒中循环、井下燃烧器的应用和井下电加热器或热源的应用。。
加热地层124中的有机物富集岩石的目的是热解至少部分固态地层烃，以生成烃流体。地层124中的有机物富集岩石被加热至足以热解至少部分油页岩(或其他固态烃)的温度，从而将干酪根(或其他有机物富集岩石)转化成烃流体。可选地，加热的目的是通过降低粘度动员(mobilize)重烃，使其能够流动。在任何情况下，所得烃液体和气体可被精制成类似普通商业石油产品的产物。这种液体产物包括运输燃料，如柴油、喷气燃料和石脑油。生成的气体包括轻质烷烃、轻质链烯、H2, CO2, CO和NH3。固态地层烃可通过将地层124 (或地层中的受热区域)中的有机物富集岩石升高至热解温度而被原位热解。在某些实施方式中，地层124的温度可被缓慢升高经过热解温度范围。例如，原位转化过程可包括加热至少部分地层124，以使一个或多个区段的平均温度以每天小于选定量(例如，约10°C、5°C ;3°C、1°C或O. 5°C)的速率升高至约270°C以上。在进一步的实施方式中，该部分可被加热，以使一个或多个选定区域的平均温度经过一个月的时间在约375°C与400°C之间。含烃地层124可被加热，以使地层中的温度达到(至少)初始热解温度，即，热解开始发生的温度范围下限的温度。热解温度范围可不同，这取决于地层中的地层烃类型、加热方法和加热源的分布。例如，热解温度范围可包括约270°C与800°C之间的温度。可选地，地层124的目标区域整体可被加热至约300°C与600°C之间。在可选的实施方式中，热解温度范围可包括在约270°C与500°C之间的温度。油页岩转化成烃流体将在原来基本上不可渗透的地层124的岩石基质中产生渗透性。例如，渗透性可由于施热造成的受热部分中热裂缝的形成而增加。随着受热地层124的温度增加，水可由于蒸发而被去除。蒸发的水可通过生产井“P”脱离地层124和/或从地层124移除。另外地，在宏观规模上，地层124的渗透性也可由于烃流体产生而增加，该烃流体产自至少一些地层烃的热解。在一个实施方式中，在加热含烃地层124前，地层124中的有机物富集岩石的初始总渗透性小于10毫达西，可选地小于O.1或甚至O. 01毫达西。地层124的受热部分中选定区域的渗透性可迅速增加，此时选定区域通过传导受热。例如，热解至少部分有机物富集岩石地层可使选定区域内的渗透性增加至约I毫达西，可选地，大于约10毫达西、50毫达西、100毫达西、I达西、10达西、20达西或50达西。因此，选定区域或区段的渗透性可增加大于约 10、100、1，000、10，000 或 100，000 倍。要理解的是，石油工程师将建立井筒130最佳完井深度和安排的策略，这取决于预期储层特征、经济制约和工作调度制约。另外地，工程技术人员将确定应当形成哪种井筒“I”用于初始地层加热。在热解过程后，一些热注入井“I”可转变为注水井。这特别有利于在烃开发区域100周围的热注入井“I”。水的注入可控制热解流体从烃开发区域100迁移。在示例性烃开发区域100中，井筒130被安排成排。生产井“P”成排，并且热注入井“I”在相邻排。这在工业中被称为“行列(line drive)”安排。但是，可应用其他几何学安排，如5位点安排。本文公开的发明不限于生产井“P”和热注入井“I”在具体区域中的安排，除非权利要求中如此陈述。在图1的安排中，各井筒130在含烃地层124中完成。完井可以是裸眼井或下套管井。生产井“P”的完井还可包括已支撑的或未支撑的由于水力压裂操作而从中发散的水力裂缝。不同的井筒130显示为已经基本上垂直完成。但是，要理解的是，一些或全部井筒130，特别是生产井” P”，可偏离到钝角或甚至水平的定向。在图1的视图中，仅8个井筒130显示为热注入井” I”。同样，仅8个井筒130显示为生产井”P”。但是，要理解的是，在油页岩开发项目中，将钻出多个另外的井筒130。此夕卜，可任选地形成单独的井筒(未显示)用于注水、冷冻和感测或数据收集。生产井”P”和热注入井” I”也被以预定间距安排。在一些实施方式中，为不同井筒130提供15至25英尺的井间距。除非另外说明，下面公开的权利要求不限于生产井叩”或热注入井” I”的间距。总体上，井筒130间距可以为约10英尺上至甚至约300英尺。一般，井筒130在浅的深度完成。完井深度的范围可以为200至5，000英尺的真垂直深度。在一些实施方式中，目的在于原位干馏的油页岩地层的深度大于地表下200英尺，或可选地，地表下400英尺。可选地，转化和生产在500至2，500英尺之间的深度发生。如上文简要暗示，在转变为注水井和产油井和/或水溶性矿物溶液生产井前可针对某些初始功能选择井筒130。一方面，钻出井筒130，从而以指定顺序服务于两个、三个或四个不同的目的。适当的工具和设备可相继在井筒130中运行和从井筒130被移除，从而服务于多个目的。图1还示意性显示生产流体处理设施150。处理设施150被设计以通过一个或多个管线或流线152接收产自地层124的有机物富集岩石的流体。流体处理设施150可包括适于接收和分离产自受热地层124的油、气和水的设备。流体处理设施150可进一步包括用于分离出溶解的水溶性矿物和/或迁移的污染种类的设备，该迁移的污染种类包括，例如，自含烃地层124回收的采出水中溶解的有机污染物、金属污染物或离子污染物。图1显示两个出口线路154、156。出口线路154、156携载来自流体处理设施150的流体。出口线路154携载热解油，而出口线路156携载热解气。要理解的是，一般还将存在第三线路(未显示)，用于携载分离水。该水可经过处理，并任选地，被重新注入含烃地层124。该水可用于维持储层压力或可作为地下回收项目的部分在生产过程完成时被循环经过含烃地层124。图2是部分烃开发区域200的横截面视图。烃开发区域200包括地表210和地下220。烃开发区域的目的是从地下220内的有机物富集岩石地层230生产烃流体。首先注意，有机物富集岩石地层230具有多个岩层。这些被表示为232、234和236。岩层232代表有机物富集岩石地层230的”贫”区段，即具有低干酪根含量。岩层236代表有机物富集岩石地层230的”富”区段，即具有高干酪根含量。岩层234代表这样的有机物富集岩石地层230区段其干酪根含量较不富集，但仍以经济数量提供可生产的烃。换句话说，岩层234的丰富度范围是贫层232上限范围与富层236下限范围的中间值。在图2中，提供2个相邻井。这些以240和260显示。井240是示例性热注入井，而井260是示例性生产井。热注入井240具有上端242和下端244。类似地，生产井260具有上端262和下端264。热注入井240具有在245的孔，而生产井260具有在265的孔。为热注入井240提供井口 241。类似地，为生产井260提供井口 261。井口 241、261使孔245、265与地表210隔离。井口 241、261被示意性显示；但是，要理解的是，井口241,261将包括一个或多个流量控制阀门。
具体涉及热注入井240，热注入井240被衬以套管柱250。套管柱250是地表套管。由于油页岩地层趋于浅显，一般仅需要单个套管柱250。但是，要理解的是，还可使用第二套管柱(未显示)。套管柱250在地表210具有上端252。上端252与下方裂缝阀门或对于井树常见的一些其他阀门处于密封流体连通。套管柱250还具有下端254。优选地，下端254延伸至热注入井240下部。热注入井240向有机物富集岩石地层230供热。一方面，热量通过电阻热生成。为此，套管柱250由钢或其他导电性材料制成。优选地，套管柱250上部252由高传导性材料制成，并向下绝缘至有机物富集岩石地层230。在图2的安排中，热注入井240的套管柱250是电路的部分。电流通过绝缘电线295被递送至套管柱250。然后电流经过套管柱250。套管柱250的底部254被制成以生成电阻热。该热量从井240的底部254辐射并进入有机物富集岩石地层230。热量使地层230中的有机物富集岩石达到热解温度，其依次使固态地层烃或可能地重烃转化成可流动的烃流体。电流通过导电元件248回到地表210。在图2的安排中，导电元件248是金属条。但是，导电元件248可以可选地是导线、棒、管状体或其他细长的金属装置。导电元件248除其最低端处外优选绝缘。这防止电流与套管柱250短路。可沿导电元件248长度使用非传导性扶正器(未显示)，从而进一步防止与套管柱250接触。为将电流从套管柱250递送至导电元件248，使用传导性扶正器。其以246显示。传导性扶正器246优选地被置于恰在有机物富集岩石地层230上方。但在可代替的安排中，导电元件248延伸至热注入井240的底部244，并且传导性扶正器246被置于接近套管250的底部254。套管柱250具有水泥外壳256，其被布置在至少井240的上端242周围。其用于隔离地下210的岩层和任何弱透水层。在其下端244，热注入井240以裸眼井完成。裸眼井基本上沿有机物富集岩石地层230深度延伸。为生成电阻热，电流被向下输送经过套管柱250，该套管柱250充当第一导电元件。电流到达导电性扶正器246 (或其他传导元件)，然后到达导电元件248，该导电元件248充当第二导电元件。然后电流返回地表210，形成电路。电流还到达套管柱250的底部254。随着电流经过套管柱250的底部254，热通过电阻生成。形成套管250的管在套管柱250底部254的电阻率高于上部252。注意，电流可以相反方向经过，即，向下经过导电元件248并向上回到套管柱250。但是，在此方向，电流不能有效地向下到达套管柱250的底部254和沿有机物富集岩石地层230经过。还要注意，可应用其他用于提供套管柱250与导电元件248之间电连通的安排。例如，导电性粒状材料可沿有机物富集岩石地层230被布置于井240的孔245中。煅烧石油焦炭是适当传导性材料的实例。粒状材料可被设计以使其电阻率显著高于第一导电元件250和第二导电元件248的电阻率。在这种安排下，粒状材料将被填充至第二导电元件248底部，从而提供第一导电元件250与第二导电元件248之间的电连通。在相关安排下，导电性粒状材料可被布置于相邻井筒的下端，并且粒状材料与各井筒中的导电元件处于电连通。通道在地下第一井筒与第二井筒之间形成。通道在地下被定位至少部分处于或接近所要加热的岩层。一方面，通道包括一个或多个连接裂缝。导电性粒状材料被另外布置在裂缝中，从而提供相邻井筒的导电元件之间的电连通。在这种安排下，电流在导电元件之间经过。电流经过导电元件和中间的粒状材料使电阻热主要从井筒中的导电元件生成。这种生热安排被公开和描述于2008年11月6日公开的美国专利公开号2008/0271885。该公开名称为“Granular Electrical Connectionsfor In Situ Formation Heating”。图30A和31和相关文本被引入本文作为参考。美国专利公开号2008/0271885还描述了某些实施方式，其中相邻井筒之间的通道是钻出的通道。在这种方式下，井筒下端处于流体连通。然后传导性粒状材料被灌注或以其他形式布置于通道中，使得粒状材料位于井筒和钻出的通道中。电流再次经过导电元件和中间粒状材料使电阻热主要从井筒中的导电元件生成。这种生热安排被公开和描述，涉及图30B、32和33及相关文本，其被引入本文作为参考。在另一加热安排中，电阻加热器可通过在各个井筒内提供导电性管道或其他元件而形成。更具体地，第一导电元件和第二导电元件可被布置于各井筒。然后传导性粒状材料被布置于各个井筒中的传导元件之间，从而提供电连通。粒状材料可与传导性较高或较低的材料混合，以调节体积电阻率(bulk resistivity)。传导性较高的材料可包括金属屑或金属丸；传导性较低的材料可包括石英砂、陶瓷颗粒、粘土、砾石或水泥。电流经过传导元件和粒状材料。电流经过传导元件和中间粒状材料使电阻热主要从各个井筒中的电阻粒状材料生成。在一个实施方式中，在期望最小限度或无加热的区域中导电性粒状材料掺杂(intersperse)以高传导性粒状材料段塞。这种加热井安排被被公开和描述于2008年9月25日公开的美国专利公开号2008/0230219。该公开名称为“Resistive Heater for In Situ Formation Heating，，。图 30A、31A、32 和 33 及相关文本被引入本文作为参考。又一方面，电阻加热器可通过在相邻井筒中提供导电元件而形成。相邻井筒的下端通过钻出的通道连接。然后传导性粒状材料被灌注或以其他方式被置于通道中，使得粒状材料处于各个通道和至少部分处于各相应井筒中。电流在井筒之间经过粒状材料。电流经过管道和中间粒状材料使电阻热主要从电阻粒状材料通过地下生成。这种安排也被公开和描述于美国专利公开号2008/0230219，具体地涉及图34A和34B。图34A和34B及相关文本同样被引入本文作为参考。共同拥有的美国专利公开号2010/0101793也具有指导性。该申请提交于2009年 8 月 28 日，名称为 “Electrically Conductive Methods for Heating a SubsurfaceFormation to Convert Organic Matter into Hydrocarbon Fluids，，。该申请教导了置于有机物富集岩石地层并具有不同体积电阻率的两种或更多种材料的应用。电流经过地层中的材料，生成电阻热。该材料提供电阻热，而不在井筒附近产生热点。该专利申请其全部内容被引入本文作为参考。国际专利公开W02005/045192教导了尤其令人感兴趣的加热选择，其利用受热流体在油页岩地层中的循环。在W02005/045192的工艺中，超临界加热后的石脑油可循环经过地层中的裂缝。这表示油页岩通过浓热烃蒸气循环经过紧密间隔的水力裂缝组而得到加热。一方面，裂缝水平形成，并被常规支撑。320至400°C的裂缝温度被保持上至5至10年。蒸发的石脑油可以是优选的加热介质，因为其具有高体积热容量、备用性和在加热温度下相对较低的降解速率。在W02005/045192的工艺中，随着干酪根成熟，流体压力将驱动生成油到达受热裂缝，在此其将随循环烃蒸气被生产。无关于加热技术，开发区域200包括地表处理设施225。地表处理设施225服务于主要目的处理从有机物富集岩石地层230得到的生产流体。生产流体由于地层230中发生热解而生成。生产井260中以箭头” F”表示生产流体流动至地表处理设施225。地表处理设施225分离流体组分并递送热解油流222和热解气流224，进行商业销售。可进行气流224另外的气体处理，以去除酸性气体。单独的线路(未显示)从地表处理设施225去除分离水，用于可能的进一步处理。地表处理设施225储存部分分离气体，作为燃气轮机进料流291。燃气轮机进料流291为燃气轮机292提供燃料。燃气轮机292进而是电力工厂290的部分。在燃气轮机292中，燃料组合氧化剂并被点燃，造成发电厂290中的燃气轮机292运转并产生电。电流以线路293显示。电流293被递送至变压器294。变压器294使电压步降(st印down)，例如6，600V，并递送步降的电流经过电线295。这是被递送至热注入井240的电流。热注入井240然后将电阻热提供到有机物富集岩石地层230中。热前缘(未显示)在有机物富集岩石地层230中生成。热前缘将有机物富集岩石地层230加热至足以使固态烃热解成烃流体的水平。在油页岩地层的情况下，该水平至少为约270°C。热前缘(未显示)在有机物富集岩石地层230中形成。热前缘加热有机物富集岩石地层230至足以将固态烃热解成烃流体的水平。在油页岩地层的情况下，该水平至少为约270。。。作为热注入井240的选择，另外的热可通过热注入线路249被注入孔245。该热可以是蒸汽的形式。更优选地，该热形式是受热气体，如空气、氮气或氧气。受热气体如箭头” G”所示被递送至套管250的底部254。为提供受热气体，另一滑流的热解气226可取自流体处理设施225。热解气226与空气在燃烧发生器227混合，并被点燃。可添加另外的非反应性气体，并且受热气流通过线路228被释放。线路228中的受热气流被递送至井口 241，然后进入热注入线路249。热注入线路249向下递送受热气体” G”到达有机物富集岩石地层230。注入受热气体” G”不仅向地层230提供更多热量用于热解，还可增加在地层230中的有效热扩散率值。注意，操作人员可选择注入气体，而不加热气体。例如，气体可以是二氧化碳、氮气或甲烷。可选地，操作人员可选择通过与热注入井240紧密间隔的单独井注入受热气体。优选地，注入气体在有机物富集岩石地层230中基本上无反应性。例如，气体可以是氮气、二氧化碳、甲烷或其组合。如示，烃开发区域200还包括生产井260。生产井260提供用于将烃流体从有机物富集岩石地层230运输至地表210的管道。生产井260被衬以套管柱270。套管柱270是地表套管。重申，由于油页岩地层趋于浅显，一般将仅需要单个套管柱270。但要理解的是，还可使用第二或甚至第三套管柱(未显示)，这取决于完井深度。
套管柱270具有在地表210的上端272。上端272与对于井树常见的下阀门处于密封流体连通。套管柱270还具有下端274。优选地，下端274延伸至约有机物富集岩石地层230的顶部。套管柱270具有水泥外壳276，该水泥外壳276至少被布置在井260的上端262周围。其用于隔离地下210的岩层和任何弱透水层。在其下端264，生产井260完成为裸眼井。裸眼井基本上沿有机物富集岩石地层230的深度延伸。生产井260还具有生产管柱280。生产管280具有在地表210的上端282。上端282与对于井树常见的上阀门处于密封流体连通。生产管柱280还具有下端284。优选地，下端284延伸至生产井240的下部264。生产管280的下部285沿有机物富集岩石地层230的深度延伸。优选地，下部285限定有槽的管状体，其允许热解的生产流体进入生产管280。但是，下部可以是无槽的管，其具有开放的下端。在任一实例中，流体”F”可在储层压力下经过管280的孔265，并到达地表210。可选地，可应用人造提升系统。这可以是，例如，电潜泵或往复式机械泵。封隔器266被优选提供于生产井260。封隔器266隔离生产管280和周围的套管270之间的环形区域275。封隔器266还引导生产流体”F”向上经过生产套管280。在生产流体”F”到达地表210后，其经过井口 261。生产流体”F”被运输通过流体线路269并到达流体处理设施225。流体处理设施225被示意性显示。但是要理解的是，流体处理设施225将由阀门、管、仪表、分离器、过滤器和多种其他组件组成。本发明不限于流体处理设施225的安排。烃开发区域200的目的是热解地层230中的有机物富集岩石基质和获得有价值的烃流体。如上所述，有机物富集岩石地层230 —般不是均质的岩体，但具有代表不同等级的固态烃材料的层段或区段。理想的是提供可原位升格热解油的方法。更具体地，理想的是在将烃流体生产至地表前降低热解油中的烯烃含量。为将此实现，提出以如下方式生产烃流体流体接触残留的固体碳材料或焦炭，该残留的固体碳材料或焦炭自先前热解操作留在地下。图3A至3D提供了不同实施方式的烃开发区域的透视图。各烃开发区域具有进行热解和生产的第一区域，然后在第一区域后进行热解和生产的第二区域。图3A显示第一实施方式的烃开发区域300A。烃开发区域300A具有地表310。烃开发区域300A还具有地下320。地下320包括地层325，其包含有机物富集岩石。有机物富集岩石地层325可以是油页岩地层。可选地，有机物富集岩石地层325可以是重油地层。在任一种情况下，有机物富集岩石地层325包含地层固体，如干酪根或浙青砂，其在施热后可转化成烃流体。为在地层325中生成热量，提供多个热注入井。根据本发明，在两个不同的区域提供热注入井。其代表第一区域330和第二区域340。热注入井在第一区域330中示于332，并在第二区域340中示于342。热注入井322、342可遵循图2所示加热井210的安排。其中，加热井240利用细长的传导性管状体250以在地下地层230中产生热量。但是，热注入井332、342可利用其他导电元件或颗粒加热地层230。进一步，热注入井322、342可包括燃烧加热器或任何适于在地下地层325内形成超过例如270°C的温度其他类型加热器。
为将有机物富集岩石地层325中的固态烃转化成烃流体，随时间向地下地层325施热。例如，可向第一区域中的地下地层325施热，使得地层325中保持高于270°C的温度至少12周，更优选至少26周。可选地，可向第一区域中的地下地层325施热，使得地层325中保持高于300°C的温度至少8周，更优选至少26周。同等热量可稍后被施加于第二区域340中的地层325。在图3A的示例性烃开发区域300A中，第一区域330和第二区域340被以棋盘格局安排。各区域330、340均是四边多边形。区域330、340的形式可以是正方形或矩形。可选地，三边形、六边形或形状组合的棋盘格局是可能的。在示例性区域300A中，区域330、340略微伸长以形成矩形形状。可提供这样的伸长例如，其中操作人员认为热量可穿过有机物富集岩石地层325传导的一种方向快于另一种方向。在这种情况下，各个区域330、340可在热量可更有效传导的方向伸长。在采用其他形状如五边形或三边形时也可应用区域的伸长。—方面，热量可在垂直于岩石最大主应力方向的方向更有效地传导。这可以是，例如，地层325在地表310以下大于1，000英尺处。另一方面，热量可在平行于岩石最大主应力方向的方向更有效地传导。这可适于，例如，地层325在地表310以下公称小于1,000英尺处。在任一种情况下，第一区域330、第二区域340或二者可均占据面积延伸为至少
I,OOOm2的体积。可选地，第一区域330、第二区域340或二者可均占据面积延伸为至少4，OOOm2的体积。具体参考第一区域330，代表第一区域330的各区段包括多个热注入井和多个生产井。注意，热注入井以332显示，而生产井以334显示。在形成第一区域330的每一个示例性区段中，显示四个热注入井332和两个生产井334。这产生有几分改良的五点格局，其中应用两个生产井334而非仅一个。但是，可应用其他安排。这种其他安排可以是，例如，七点格局或九点格局。进一步，形成第一区域330的各区段可具有更多个热注入井332和生产井334,从而建立多于一个的五点或七点或九点井格局。现参考第二区域340，代表第二区域340的各区段也包括多个热注入井。注意，热注入井以342显示。但是，不显示生产井。在形成第二区域340的每一个示例性区段中，以五点格局显示五个热注入井342。但是，可应用其他安排。这种其他安排可以是，例如，七点格局或九点格局。进一步，形成第二区域340的各区段可具有更多个热注入井342，从而建立多于一个的五点或七点或九点井格局。在操作中，启动第一区域330的热注入井332以加热地下地层325。在固态烃热解或以其他形式转化成可流动的烃流体后，启动生产井334。在这种方式下，有价值的烃流体在地表310得到回收。转化烃固体或动员高粘度烃的方法留下残留固体碳材料，其被称为焦炭。焦炭保持锁定在构成地下地层325的有机物富集岩石的基质内。焦炭也包含氢原子。认为通过使热解油经过有机物富集岩石和焦炭残渣，氢原子将转移至热解油中的碳原子。更具体地，热解油中的烯烃将被氢化并升格至较高质量的烃流体。为建立该方法，本文有利地提出热解或以其他形式转化第二区域340中的烃固体或高粘度烃，然后使新形成的烃流体经过保留在第一区域330中的焦炭。因此，在第一区域330中生产井334的生产已经开始后的一些时间点，启动第二区域340中的热注入井342。一方面，在第一区域330中的生产开始后一个月启动第二区域340中的热注入井342。更优选地，在第一区域330中的生产开始后6个月与24个月之间启动第二区域340中的热注入井342。一方面，第一区域330中的加热开始后6个月至24个月开始第二区域340中的加热。另一方面，在第一区域330的生产基本上终止后I个月至12个月内开始第二区域340中的加热。启动第二区域340中的热注入井342将使第二区域340中的烃固体或高粘度烃热解或以其他形式转化成烃流体。但是，烃流体未从形成第二区域340的区段大量产生。事实上，在图3A的示例性开发区域300A中，未在第二区域340中提供生产井。相反，烃流体将从第二区域340流动至第一区域330中。烃流体将流动穿过岩石基质一包括有机物富集岩石地层325，将通过第一区域330中的多个生产井334生产，然后将向上流动至地表310。一方面，烃流体自第二区域340的生产在第一区域330中的有机物富集岩石地层325已基本上热解后I个月至12个月内开始。要理解的是，产自第一区域330和第二区域340的烃流体将在流体处理设施(未显示)中被处理。部分处理将涉及可压缩的烃流体(气体)从不可压缩的烃流体(油)的分离。伴随的水的产生也将被分离。无论处理以何种方式进行，产自第一 330和第二 340区域的烃流体组成的共同平均烯烃含量将低于单独产自第一区域330的烃流体。图3A所示的井安排为烃流体质量提供另一益处。在这方面，被动员的烃流体被提供以通向生产井334的流路，其中大部分通过来自各加热井332、342的热量生成的烃能够迁移至生产井334，而无需经过另一加热井。可选地，大部分被动员的烃流体被提供以通向生产井334的流路，其中大部分通过来自第二区域340中各加热井342的热量生成的烃能够迁移至生产井334，而无需经过地层温度大幅增加的区域。这防止被动员的烃原位“焙烧过度”。本文提供了烃开发区域的其他安排。图3B显示第二实施方式的烃开发区域300B。烃开发区域300B总体上按照烃开发区域300A安排。在这方面，开发区域300B也被安排以棋盘格局的第一区域330和第二区域340。但是，在开发区域300B中，第二区域340的区段中的一些热注入已经转变成气体注入井。气体注入井示于346。气体注入井346的益处是加热过程中的气体注入可使地层325中岩石基质的热扩散率增加。进一步注入气体可增加相应于第二区域340区段的地下地层中的压力，驱动转化的烃流体到达第一区域330中的生产井334。图3C提供了烃开发区域又一安排。图3C显示第三实施方式的烃开发区域300C。在此，第一区域330和第二区域340的几何构型已被改变。形成第一区域330的各个区段的尺寸加倍。进一步，第二区域340的面积延伸明显大于第一区域330的面积延伸。热注入井332和生产井334以五点格局显示在第一区域330中。热注入井342显示分散在整个第二区域340中。图3D提供了烃开发区域的再进一步安排。图3D显示第四实施方式的烃开发区域300D。在此，第一 330和第二 340区域分别以平行排安排。热注入井332和生产井334以五点格局显示在第一区域330中。热注入井342显示线性安排在第二区域340中。
如前图3A至3C，在图3D的烃开发区域300D中，在第一区域330中进行加热和生产，然后在第二区域340中加热和生产。被动员的烃流体从形成第二区域340的排流动至形成第一区域330的排。随着流体流动至形成第一区域330的排中，烃流体将经过嵌入岩石基质的焦炭。这将在通过生产井334生产前氢化烃流体，降低烯烃含量。在图3A至3D提供的烃开发区域安排中，形成第二区域340的区段接近或甚至毗邻于形成第一区域330的区段。在这些情况下，被动员的烃流体能够通过地下地层325中可渗透的岩石基质从第二区域330流动进入第一区域340。但是，本发明还允许这样的生产其中第二区域330不接近于第一区域340。图4A和4B提供了烃开发区域400的透视图。烃开发区域400具有地表410。烃开发区域400还具有地下420。地下420包括地层425，其包含有机物富集岩石。有机物富集岩石地层425可以是油页岩地层。可选地，有机物富集岩石地层425可以是重油地层。在任一种情况下，有机物富集岩石地层425包含地层固体如干酪根，或包含重油如浙青，其在施热后可转化成可流动的烃流体。烃开发区域400已被分成两个独立的区域。其代表第一区域430和第二区域440。第一区域430首先进行热解和生产，第二区域440在第一区域430的生产已经开始后进行热解和生产。一方面，第二区域440的加热在第一区域430的加热开始后6至24个月开始。另一方面，第二区域440的加热在第一区域430的生产开始后6至24个月开始。又一方面，第二区域440的加热在第一区域430的生产基本上终止后I个月至12个月内开始。为在地层425中生成热量，提供多个热注入井。热注入井被提供在第一区域430和第二区域440的每一个中。第一区域430的热注入井以432显示，而第二区域440的热注入井以442显示。热注入井432、442可遵循图2所示加热井210的安排。其中，加热井利用细长的传导性管状体在地下生成热量。但是，热注入井432、442可以是井下燃烧加热器或任何适于在地下地层425内生成超过270°C的温度的其他类型加热器。为将地层425的有机物富集岩石中的固态烃转化成烃流体，随时间向地下地层425施热。例如，可向第一区域430中的地下地层425施热，使得地层425中保持高于270°C的温度至少12周，更优选至少26周。可选地，可向第一区域430中的地下地层425施热，使得地层425中保持高于300°C的温度至少8周，更优选至少26周。转化烃通过生产井434从第一区域430产生。多个生产井434被提供在第一区域430中。生产井434位于热注入井432之间以获得烃流体。生产井还被提供在第二区域440中。生产井示于444。但是，在图4A的视图中，生产井444还未生产。第二区域440中的热注入井442已被启动，开始加热第二区域440内的地下地层425，但生产还未开始。在第二区域440的加热开始后的一些时间点，将开始第二区域440的生产。一方面，第二区域440的生产在第二区域440的加热开始后I个月开始。可选地，第二区域440的生产在第二区域440的加热开始后3个月与12个月之间开始。图4B显示图4A的烃开发区域400，并且第二区域440正在进行生产。热解油和热解气正在通过生产井444生成。此外，生成的热解油和热解气正被运输至第一区域430，通过第一区域430的生产井434用于注入和随后的生产。生成的热解油和热解气从第二区域440至第一区域430的移动以箭头“P”表示。然后烃流体从第一区域430的多个生产井434生成，并向上到达地表410。如图3A至3D的烃开发区域，在烃开发区域400中，使由第二区域440中的加热生成的转化流体经过第一区域430中的地下地层425。使自热解新形成的烃流体经过第一区域430中保留的固体碳材料提供了产自第二区域440的地下地层425的转化烃流体的氢化。在此注意，在图3A至3D的烃开发区域中，第一区域330和第二区域340的安排是毗邻的。但是，在烃开发区域400的安排中，第一区域430和第二区域440不是毗邻的。为使生成的流体从第二区域440的地下地层425流动至第一区域430的地下地层425，提供流体管线460。流体管线460可在地上或地下。任选地，将第一区域430中选定的热注入井432转变成烃注入井。示例性转变井示于436。流体管线460中生成的流体被导向烃注入井436，并被注入地下地层425。因此，流体管线460和一个或多个烃注入井436共同构成管状体。然后烃通过第一区域430中的生产井434再次生产。要理解的是，产自第一区域430的烃流体将在流体处理设施(未显示)中被处理。部分处理将涉及可压缩的烃流体(气体)从不可压缩的烃流体(油)的分离。伴随的水的产生也将被分离。此外，一些流体处理可任选地对产自第二区域440的流体进行，如在流体进入流体管线460前。其目的是从通过注入井436注入的烃流体去除热解气和水。无论处理以何种方式进行，产自第一区域430和第二区域440的烃流体组成的共同平均烯烃含量将低于单独产自第一区域430的烃流体。烯烃含量可通过本领域已知的几种方式测量。其包括质谱法和化学滴定。标准方法包括 ASTMl 159-07 (“Standard Test Method for Bromine Numbers of PetroleumDistillates and Commercial Olefins by Electrometric Titration，，)和ASTM D1319-03(“Standard Test Method for Hydrocarbon Types in Liquid Petroleum Products byIndicator Adsorption”)。Poirier和George描述了通过硼氢化确定石油蒸懼物中饱和懼分和芳香族馏分的烯烃含量的方法。(参见Fuel，60 (3)，pp. 194-196 (Mar. 1981))。烯烃含量可参考溴值(bromine number)而确定。“溴值”是指以克每100克表示的、生成的流体具有246°C以下沸点范围的部分的烯烃重量百分比。该部分利用ASTM METHOD D1159测试。Ruzicka和Vadum描述了确定溴值从而测定重燃料不饱和度的的改良方法。(参见Oil&GasJournal, 85(31)，pp. 48-50 (Aug. 3，1987))。所附权利要求不受用于确定烯烃含量的技术限制，除非如此陈述。基于上述示例性图，可提供生产烃流体的方法。图5显示流程图，其表明在一个实施方式中从有机物富集岩石地层生产烃流体的方法500的步骤。有机物富集岩石地层包括地层烃，如固态烃或重烃。一方面，有机物富集岩石地层是油页岩地层。地层的初始渗透性可以为，例如，小于约10毫达西。方法500包括提供多个原位热源。其示于方框510。各热源被配置以在有机物富集岩石地层内生成热量。多种热源类型可用于加热。这些包括(i)电阻加热器，其中电阻热由井筒内细长的金属元件生成，并且其中电路利用井筒内的颗粒状材料或传导元件如扶正器或导线形成，(ii)电阻加热器，其中电阻热主要由井筒内的传导性颗粒状材料生成，
(iii)电阻加热器，其中电阻热主要由传导性颗粒状材料生成，该传导性颗粒状材料被布置在两个或更多个相邻井筒之间的有机物富集岩石地层内，以形成电路，(iv)电阻加热器，其中热量主要由相邻井筒中的细长的导电金属元件生成，并且其中电路利用相邻井筒之间的地层内的传导性颗粒状材料形成，(V)井下燃烧井，其中热烟气在井筒内或相连的井筒之间循环，(V)热流体通过有机物富集岩石地层的闭环循环，(Vi)热流体通过井筒的闭环循环，或(Vii)其组合。方法500还包括原位加热有机物富集岩石地层。更具体地，加热被提供在第一选定区域中。其以方框520显示。第一区域可占据面积延伸为至少1，OOOm2的体积。可选地，第一区域可占据面积延伸为至少4，OOOm2的体积。加热的目的是使地层烃热解。优选地，有机物富集岩石地层被加热至至少200°C的温度。当地层是油页岩地层时，温度至少为270°C。有机物富集岩石地层的加热持续进行，以使热量从各个热源离开，并经过第一区域中的地下地层。该方法还包括提供多个邻近选定热源的生产井。其以方框530显示。生产井位于第一区域内。该方法然后包括通过第一区域内的多个生产井从第一区域生产烃流体。其被以方框540提供。该方法还包括原位加热第二选定区域内的有机物富集岩石地层。此步骤示于方框550。第二区域也可占据面积延伸为至少1，OOOm2的体积。可选地，第二区域可占据面积延伸为至少4，OOOm2的体积。有机物富集岩石地层的加热持续进行，以使热量离开热源并经过第二区域。在这种方式下，在最接近第二区域内的热源的有机物富集岩石地层中产生至少200°C的温度。当地层是油页岩地层时，温度至少为270°C。热源可以是热注入井、循环流体或置于地层.内的电阻性颗粒状材料。该方法还包括从第二区域生产烃流体。其以方框560显示。生产通过第一区域内的多个生产井进行。在生产过程中，控制生产井的压力，从而使生成的热解油迁移穿过第一区域中之前已经热解过的地下焦化区域。在这种方式下，产自第二区域的烃流体接触第一区域的岩石基质内的焦炭。优选地，第一区域被基本上热解，因此在使流体从第二区域流过第一区域前生成大体积焦炭。优选自第二区域生成的热解油所流过的焦化的第一区域仍是热的。温度平均应高于200°C，更优选高于300°C。但是，焦化的第一区域优选不过热以使来自第二区域的热解油发生显著二次裂解。因此，优选地，焦化的第一区域的温度平均小于400°C。第二区域可毗邻于第一区域。在这种情况下，第二区域与第一区域之间的流动连通通过穿过地下岩石的多孔流动而提供。一方面，热解油可流过若干之前已被加热的第一区域，从而到达生产井。此外，来自第二区域的热解油可在到达焦化第一区域进行生产前流过还未经热解的可渗透区域或压裂区域。作为选择，第二区域可与第一区域分离或位置与第一区域相距甚远。在这种情况下，利用管状体提供第二区域与第一区域之间的流体连通。在后者情况下，该方法将包括在第二选定的区域内提供多个生产井，然后将产自第二区域的流体注入第一区域中的有机物富集岩石。这种可选的方法不于方框570。在任一种情况下,根据方框560烃流体通过第一区域内的多个生产井从第二区域生产。认为用新形成的焦炭接触通过热解生成的烃液体可氢化热解油中的烯烃。其依次生成在组成上更稳定的油。这种氢化行为已被Freund和Kelemen经实验证实(参见“Low-Temperature Pyrolysis of Green River Kerogen, AAPG Bulletin, 73(8), pp. 1011-1017 (Aug. 1989))。具体地,Freund和Kelemen发现,产自热解干酪根的焦炭中的环烧烃芳香族氢可充当烯烃氢化成为饱和烃的氢源。根据本文的方法500，产自第一和第二区域的烃流体组成的共同平均烯烃含量低于单独产自第一区域的烃流体。烯烃含量可以指以小于约330°C的大气起泡点截取的液体蒸馏物的烯烃含量。另一方面，较低的烯烃含量反映二烯烃含量。虽然将会显而易见的是本文描述的发明适于实现上述益处和优势，但要理解的是，本发明可以进行改进、改动和改变，而不脱离其精神。
权利要求
1.从有机物富集岩石地层向地表设施生产烃流体的方法，包括 提供多个原位热源，各热源被配置以在所述有机物富集岩石地层中生成热量并将有机物富集岩石转化成烃流体； 原位加热第一区域中的所述有机物富集岩石地层，从而在最接近所述第一区域内的热源的地层内形成至少270°c的温度，并从而形成焦炭； 提供多个生产井，其接近所述第一区域内的选定热源； 通过所述第一区域内的所述多个生产井，从所述第一区域生产第一组成的烃流体；原位加热第二区域内的所述有机物富集岩石地层，从而在最接近所述第二区域内的热源的地层内形成至少270°C的温度； 通过所述第一区域内的所述多个生产井，从所述第二区域生产第二组成的烃流体，以使产自所述第二区域的烃流体接触所述第一区域的岩石基质内的焦炭； 其中所述烃流体的第二组成的平均烯烃含量低于所述烃流体的第一组成。
2.权利要求1所述的方法，其中所述有机物富集岩石地层包括重烃。
3.权利要求1所述的方法，其中所述有机物富集岩石地层包括固态烃。
4.权利要求3所述的方法，其中 所述有机物富集岩石地层是油页岩地层； 所述有机物富集岩石包括干酪根；和 所述第一区域和所述第二区域均被加热至至少270°C的温度。
5.权利要求1所述的方法，其中所述油页岩地层的初始渗透性小于约10毫达西。
6.权利要求1所述的方法，其中各热源包括 (i)电阻加热器，其中电阻热主要由细长的金属元件在井筒内生成， ( )电阻加热器，其中电阻热主要由井筒内的传导性颗粒状材料生成， (iii)电阻加热器，其中电阻热主要由布置在所述有机物富集岩石地层内的传导性颗粒状材料生成， (iv)井下燃烧井，其中热烟气在井筒内或通过流体连接的井筒循环， (v)热流体穿过所述有机物富集岩石地层的闭环循环， (vi)热流体穿过井筒的闭环循环，或 (vii)其组合。
7.权利要求1所述的方法，其中烯烃含量指以小于约330°C的大气起泡点截取的液体蒸馏物的烯烃含量。
8.权利要求1所述的方法，其中较低烯烃含量反映二烯烃含量。
9.权利要求1所述的方法，其中通过穿过所述有机物富集岩石地层的多孔流动而提供所述第一区域与所述第二区域之间的流动连通。
10.权利要求1所述的方法，其中通过用于所述第一区域与所述第二区域之间的流体连通的一个或多个管状体提供所述第一区域与所述第二区域之间的流动连通。
11.权利要求10所述的方法，其中 所述第一区域和所述第二区域不是毗邻的；并且 所述一个或多个管状体包括流体管线，其将烃流体从所述第一区域携载至所述第二区域；和至少一个烃注入井，用于将烃流体注入所述第一区域中的所述有机物富集岩石地层。
12.权利要求1所述的方法，其中通过还未经加热至热解温度的岩石基质中的一个或多个天然存在的地下裂缝提供所述第一区域与所述第二区域之间的流动连通。
13.权利要求1所述的方法，其中在从所述第二区域生产流体的过程中所述第一区域的温度在200°C与400°C之间。
14.权利要求1所述的方法，其中原位加热所述第一区域内的所述有机物富集岩石地层包括将所述第一区域内的温度保持在高于300°C的温度至少8周。
15.权利要求1所述的方法，其中所述第一区域占据面积延伸为至少1，OOOm2的体积。
16.权利要求1所述的方法，其中所述第一区域占据面积延伸为至少4，OOOm2的体积。
17.权利要求1所述的方法，其中所述第二区域与所述第一区域毗邻。
18.权利要求1所述的方法，其中加热所述第二区域内的所述有机物富集岩石地层在所述第一区域内的所述有机物富集岩石地层的生产开始后约6个月至24个月开始。
19.权利要求1所述的方法，其中加热所述第二区域内的所述有机物富集岩石地层在所述第一区域的加热开始后约6个月至24个月开始。
20.权利要求1所述的方法，其中加热所述第二区域内的所述有机物富集岩石地层在所述第一区域的生产基本上终止后I个月至12个月内开始。
21.权利要求1所述的方法，其中从所述第二区域生产烃流体在所述第一区域中的所述有机物富集岩石地层已基本上热解后I个月至12个月内开始。
22.权利要求1所述的方法，其中从所述第二区域生产烃流体在所述第二区域内的所述有机物富集岩石地层的加热开始后约3个月至12个月开始。
23.氢化来自油页岩地层的热解油的方法，包括 提供多个原位热源，各热源被配置以在所述油页岩地层中生成热量，从而将固态烃热解成热解油； 原位加热第一区域中的所述油页岩地层，以使最接近所述第一区域内的所述热源的所述有机物富集岩石地层内形成至少270°C的温度，并形成残留的固体碳分子； 提供多个生产井，其邻近所述第一区域内的选定热源； 通过所述第一区域内的所述多个生产井从所述第一区域生产第一组成的烃流体； 原位加热所述第二区域内的所述有机物富集岩石地层，以使最接近所述第二区域内的所述热源的所述油页岩地层内形成至少270°C的温度； 通过所述第一区域内的所述多个生产井从所述第二区域生产第二组成的热解油，以使产自所述第二区域的烃流体接触所述第一区域中的所述油页岩地层内残留的固体碳分子，从而氢化热解油和降低烯烃含量； 其中所述热解油的所述第二组成的平均烯烃含量低于所述第一组成的所述热解油。
24.权利要求23所述的方法，进一步包括 将气体注入所述第二区域中的所述油页岩地层，同时从所述第二区域生产热解油，所述注入的气体包括(i)氮气、( ) 二氧化碳、(iii)甲烧或(iv)其组合。
25.权利要求23所述的方法，其中所述第一区域包括多个非毗邻的区段，各区段具有至少一个热注入井和至少一个生产井。
26.权利要求23所述的方法，其中所述第二区域包括多个非毗邻的区段，各区段具有至少一个热注入井。
27.权利要求26所述的方法，其中所述第一区域的所述区段和所述第二区域的所述区段以交替排或棋盘格局安排。
28.权利要求23所述的方法，其中所述第一区域和所述第二区域是毗邻的。
29.权利要求23所述的方法，其中 所述第一区域和所述第二区域不是毗邻的；并且 通过一个或多个提供所述第一区域与所述第二区域之间的流体连通的管状体提供所述第一区域与所述第二区域之间的流动连通，所述管状体包括流体管线，其将烃流体从所述第一区域携载至所述第二区域；和至少一个烃注入井，用于将烃流体注入所述第一区域中的所述有机物富集岩石地层。
30.权利要求23所述的方法，其中在从所述第二区域生产流体的过程中，所述第一区域的温度在约200°C与400°C之间。
31.权利要求23所述的方法，其中从所述第二区域生产烃流体在所述第一区域中的所述有机物富集岩石地层已基本上热解后I个月至12个月内开始。
全文摘要
提供用于提高通过原位热解或动员有机物富集岩石如油页岩、煤或重油生产的烃流体质量的方法。所述方法包括降低烯烃的含量，其可导致管道中和生产油储存过程中沉淀和淤渣形成。通过安排井和控制井压使得原位生成的烃流体经过和接触热解后留下焦炭的区域，降低烯烃含量。通过降低焦炭中的氢含量，这种接触使热解油中的部分烯烃化学氢化。
文档编号E21B43/24GK103069105SQ201180041362
公开日2013年4月24日 申请日期2011年6月17日 优先权日2010年8月30日
发明者R·D·卡敏思凯 申请人:埃克森美孚上游研究公司