专利名称：用于原位页岩油开发的优化的井布置的制作方法
技术领域：
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。本发明还涉及页岩油开发区域屮 井筒的排列。
背景技术：
已知某些地质地层包含被称为"干酪根(kerogen)"的有 机物。千酪根是固体含碳物质。当千酪根被嵌在岩石地层中吋，该混 合物被称为油页岩。实际上，不管该矿物质事实上在技术上是不是页 岩，它都是从致密粘土形成的岩石。千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。还可以产生少垦的水。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。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。在类国，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。--些人认为汕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。
十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'C(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史短的时间内发生。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。从油页岩地层提取油已经尝试了许多年。近地表汕贞岩在 地农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。商业上通过地表开釆的 油页岩干馏也已经在其它国家如澳人利亚、巴西、屮国、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人部分 停止。(参见T.F. Yen和G.V. Chilingarian， "O// S/w/e，" Amsterdam, Elsevier, p. 292,其个部公开内容通过引用方式并如木文。)此外，地表
r馏需要开釆汕贞岩，这限于对非常浅地层的应用。在尖国，自从20世纪00年代甲-期就己经知道在西北的科 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 足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肚纪 00年代后期进行。该研究^i要是针对页岩汕地质学、地球化学以及在 地表设施屮的干馏。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。 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 导休。W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'C与1,00(TC之间。
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。 Ljungs加m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， "77ze "柳gsfro/w /" 57/w 她/W ，幼a/e-CW及ecove/y，" 2nd Oil Shale and C咖el 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)。另外的原位方法己经被提出。这些方法-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(美闺专利号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丄.Slusser的美国专利号3,468,376以及J. V. Vogel的美国专利兮 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)。在1989年，突国专利号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木文。该名 称为 "Conductivdy 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]ontraiy 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
8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专利提出控制侮个 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。油页岩千馏和页岩油回收的另外历史可以在名称为 "■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。对生产页岩油的改良方法存在需求。对与地层热解相关加 热地下地层以及在烃开发区域中的井布置的改良方法存在进一步的需 求。
发明简述提供了布置用于原位转化过程的加热井的方法。该方法包
括步骤确定方向，沿着该方向，热能将最有效地传播穿过地下地层，
和在地下地层中完成多个加热井，其中所述加热井在该确定的方向比 在横向于所述确定的方向的方向上被间隔更大。优选地，所述地下地 层包括千酪根。在- -方面，基于关于地下地层的地质学数据的观察，进行 确定方向的步骤，沿着该方向，热能将最有效地传播穿过地下地层。 所述地质学数据可以包括地—F地层中最小水平主应力的方向。热能沿 着其最有效地传播穿过地下地层的方向可以基本上垂直于最小水平主 应力的方向。可选地，沿着其热能将最有效地传播穿过地一F地层的方
向可以基本上平行于最小水平主应力的方向。所述地质学数据可以包括在地下地层中层面(bedding)的 方向。在该情况 F，热能沿着其将最有效地传播穿过地下地层的方向 可以基本上沿着地下地层的层面的方向。所述地质学数据可以包括地下地层的倾斜度和与地面地形 的相对间隔。在这种情况一F，热能沿着其将最有效地传播穿过地下地层的方向可以沿着相对于地面地形或海平面的地下地层的向上倾斜的 方向。在另一方面，基于来自地下地层的其它区域中的先前原位 转化过程的地层温度梯度的观察，进行确定热能沿着其将最有效地传 播穿过地下地层的方向的步骤。所述方法还可以包括步骤穿过地下地层，完成一个或多 个生产井，然后通过所述生产井生产烃。所述生产井可以以所确定的 方向排列。各种排列可以被用于加热井。在一方面，所述加热井被排 列成一排。在另-一方面，所述加热井被排列成两排或多排。加热井的 井网可以是行列驱井网，以使两排加热井被置于--排生产井的相对侧。 而在另一方面，所述加热井可以限定在所述确定的方向排列的井网组， 每一组具有穿过地面地层完成的生产井。这样的井网可以是3点式 (3-spot patterns) 、 5点式、6点式、7点式、或其它的样式。这种井 网可以是3点和5点样式相组合的组。在--种排列中，多个井网在经确定的方向......匕延长。加热井
的井网可以包括在相应生产井周围的第 井网，和在第 井网周围的 第二井网。在任一种上述情况下，延长比可以是大约1.20至2.50。在 ---方面，所述延长比是大约2.0至2.5。在另一种实施方式中，本公开提供了在开发区域内布置用 于原位转化过程的加热井的方法，其中所述方法包括步骤确定方向， 沿着所述方向热能将最有效地传播穿过开发区域内的地下地层，和在 地F地层中完成多个加热井。在该方法中，所述加热井具有这样的密 度，所述密度在经确定的方向上比在横切所述经确定的方向的方向上 更低。优选地，所述地下地层包含千酪根。此外，确定热能沿着其将 最有效地传播穿过地下地层的方向的步骤可以同样基于关于地卜'地层 的地质学数据的观察。在—匕述方法的一个实施方式中，基于所述地下地层的特征 的计算机建模，进行确定热能沿着其将最有效地传播穿过地.F地层的 方向的步骤。可以使用各种特征。这些特征包括在地下地层中的最小水平主应力的方向、在地下地层中层面的方向、或地—卩地层和地面地 形的倾斜度。其它的特征包括干酪根的有机碳含量、地下地层的氢指 数、初始地层渗透性、地下地层的深度、地下地层的厚度、以及改良
的Fischer试验分析(Fischer Assay analysis)。额外的特征还可以是源 自模拟的流体流动和热梯度。本发明还包括排列用于原位千酪根转化过程的加热井的方 法。在一方面，所述方法包括提供生产井，和在生产井周围完成多个 加热井，从而使所述多个加热井包括在生产井周围的第一层加热井， 和然后在第 -层周围的第二层加热井。在该方法中，在第二层井中的 加热井相对于第一层井中的加热井排列，从而使烃从第二层井流到生 产井时从千酪根转化的烃的二次裂化最小化。所述第一和第二层可以 任选地包括这样的加热井一一其以热能最有效传播穿过目标地—F地层 的方向延伸。在该方法中，所述加热井优选地基本上垂直完成。所述多 个加热井和生产井被如此排列，以使由来自第二层井中的每-一个加热 井的热产生的大多数烃能够迁移到生产井而不经过靠近第一层井中的 加热井。这可以通过相对于生产井使第二层井中的加热井与第一层井 中的加热井偏离来完成。在另一方面，所述多个加热井和生产井被这 样排列，以使由来自每一个加热井的热产生的大多数烃能够迁移到生 产井而不经过地层温度大幅升高的区域。本发明包括布置用于原位转化过程的加热井的另一方法。 在一方面，所述方法包括穿过地F地层形成生产井，和也穿过地卩地 层完成多个基本上垂直的加热井，以便热解其中的固体烃。在该方法 中，所述加热井被布置在生产井周围，使得从每一个加热井散发的热
前缘基本匕同时到达生产井。优选地，所述地—F地层包含干酪根。所
述加热井可以以三点井网布置在生产井周围，或以其它井网布置。所 述方法可以进一步包括确定热能沿着其将最有效地传播穿过地F地层
的方向的步骤。
为了能够更好理解本发明的特征，在此附上一些图、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。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。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。图3是指示地下水流动的油页岩开发的横截面侧视图。
图4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。图5是一柱状图，其比较了在模拟的原位千馏工艺前后的 一吨Green River油页岩。图6是在一种实施方式中的一部分油页岩开发区域的说 明，显示本发明的井的布置排列。图7是在-种实施方式中的--部分油页岩开发区域的另一 种说明，示出了本发明的井的布置排列。图8是在一种实施方式中的一部分油页岩开发区域的另一 种说明，示出了本发明的井的布置排列。此处，加热井水平完成。图9是例证性加热井样式的平面图。所述例证性样式采用 3点样式。图IO是例证性加热井样式的平面图，其在每一样式内具有 生产井。显示的是两层加热井。所述例证性样式是5点样式。
一些实施方式详述
定义如本文所用，术语"烃(一种或多种)"是指具有包含与 氢键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。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U5t:以及个大气压)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。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。釆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。如本文所用，术语"可冷凝烃"是指在25。C和-- 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。如本文所用，术语"非冷凝烃"是指在25t: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。如本文所用，术语"重烃(heavy hydrocarbons)"是指在 环境条件(15卩以及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比重一般在约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。C下一般大于约100厘泊。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。非限制性实例包括千酪根、煤、不纯 石墨、沥青岩和天然地蜡。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 限于千酪根、油页岩、煤、沥青、焦油、天然地蜡和沥青岩。如本文所用，术语"焦油"是指在15t: F"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。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。油页岩含有千酪根。
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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。如本文所用，术语"油"是指含有可冷凝烃混合物的烃流如本文所用，术语"地下(subsurface)"是指出现在地球 表面以下的地质地层。如本文所用，术语"富含烃地层"是指任何含有痕量以_匕 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。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。如本文所用，术语"地层"是指任何有限的地卜区域。该 地层可包含任何地 F地质地层的一个或多个含有烃的层、 一个或多个 不含烃的层、上覆岩层和/或下伏岩层。"t覆岩层"和/或"F伏岩层" 是目标地层上面或下面的地质物质。上覆岩层或F伏岩层可包括-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。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。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弓I起热解。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(C03)(OH)2)或其组合。大量的溶解可需要热水和/或非中 性pH溶液。如本文所用，术语"地层水溶性矿物"是指在地层中天然 发现的水溶性矿物。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、葸和芘。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。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f:f=l， 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。如本文所用，术语"截存(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。如本文所用，术语" F沉"是指地表相对于该地表的原始 海拔向下移动。如本文所用，术语层的"厚度"是指层横截面的一匕F边界 之间的距离，其中该距离是与该横截面的平均斜面垂直地测量的。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 或收縮直接或间接引起的，该膨胀或收縮又是由于加热通过增加/降低 该地层禾口/或该地层内流体的温度禾口/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。
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—h基本水平、在方向上基本垂直或者沿着任何其它平 面定向。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F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
的描述本发明连同某些具体实施方式
在本文被描述。然而，就F 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。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NaHC03)、碱灰(碳酸钠或Na2C03)和片钠铝 石(NaAl(C03)(OH)2)。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 F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。
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t 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 完井。完井可以是裸眼井或下套管井。完井还可包括从中发散的支撑 或未支撑的水力压裂。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 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井，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'F 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。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。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、蔥和 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。
为了冋收油、气和钠(或其它)水溶性矿物，可以釆取-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。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 -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千 酪根含量和产生流体烃的能力。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——F渗透性还可以通过岩石样品、露头或地F 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。其次，多个井筒14横跨目标开发区IO形成。该步骤示意 地显示在方框1:15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 要完井。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。生产井可以在转化开始后引入，例如在加热4-12个月后。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。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。地层16被加热至足以热解至少一部分油页岩以便将千酪 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270t:至 800°C。可选地，富含有机物地层的目标体积被加热至至少35(TC以形 成釆出液。转化步骤通过方框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、 C02、 CO和NH3。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。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，- -部分地层的渗透性通过热压裂 的形成以及随后一部分从千酪根产生的烃流体的釆出而增加。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冋收领域中已 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。水力压裂可被用于在 一部分地层中产生附加渗透性和/或被用于提供用于加热的平面源 (planar source)。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 充分千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)已经运行儿
19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。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。方框150显示油和气回收方法100中任选的F—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1:'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50 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IO周边完成水注入井，以便产 生高压边界。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1.6。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。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。该歩骤显示在方框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)。临时控制污染物种类的迁移，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，从 而使该压力梯度防止加热区域内部的流体流离开该区域。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 .卩面， 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--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而进行循环32。图3图解示出了穿过油页岩区域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l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。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。
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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F地层中。在- 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F富含有机物岩石 地层作为H标或者它们应当以什么顺序进行开发。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-- 般被选择进行处理。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 IOO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....匕面和F面形成的层的热损失(作为总注入热的部分)可小于从 -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。--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。富含有机物岩石地层的千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500t:，收集从加热样品产生的流 体，以及量化所产生的流体的量。地F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。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F水与含千酪根 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。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。在一些实施方式屮，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 -、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。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 板在本领域中是己知的。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—F冷冻以防止原位页岩油生产期间地F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。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 实例是产生灌浆壁。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。如上所示，几个不同类型的井可被用于油页岩油田的开发。 这些井可以主要包括加热井和烃生产井。然而，所述井还可以包括， 例如注入井和溶液生产井。
富含有机物岩石地层的加热可以通过使用加热井完成。加 热井提供加热一部分地—F地层的工具并且可以包括，例如，电阻加热 元件、热流体循环或井下燃烧。加热元件可以在井筒内或可以从井筒 井F延伸到远处。在一些情况下，可以使用水平完成的加热井。受让人已经 在匕文引用的国际专利公布第WO 2005/010320号中公开了应用水平 完成的加热井的技术。该专利申请教导了使用从水平井筒发射出的导 电压裂来加热油页岩地层。加热元件是通过形成多个水平井筒然后水 力压裂所述井筒周围的油页岩地层来构造的。用形成所述加热元件的 导电材料填充所述压裂。煅烧的石油焦是示例性的合适的传导材料。 优选地，所述压裂以垂直方向沿着由水平完成的井筒形成的纵向、水 平平面产生。电流可以通过导电压裂从每 -^个井的跟部传导到趾部。 为了避免短路，邻近电流的井筒的水平部分可以由非导电材料构造。 电路可以通过额外的水平井来完成，所述额外的水平井在趾部附近与 一个或多个垂直的压裂交叉，以提供相反的电极性。可选地，具有相 反极性的垂直井可以被钻凿，以与导电的粒状材料相交。侧面热传导 将热传递到邻近垂直压裂的油页岩，将千酪根转化为油和气。为了在这种排列中产生压裂，水平井筒可以被定向垂直于 地层内的最小主应力。在Piceance Basin中，该方向被认为是大致 W丽-ESE。在加热井的可选的排列中，可以形成多个垂直加热井，从 其中形成垂直压裂。在这种设计中，电流可以从压裂的上面部分垂直 传导到下面部分。然后，水平井可以被钻凿，以使多个压裂中断，完 成几个加热井的电路。也可以操作加热井以使加热的流体如甲烷气体或石脑油 (naptha)循环通过地层。所述加热的流体循环通过连接邻近的加热井 井筒的压裂。在…方面，所述井筒被水平完成。从加热的地层生产烃流体可以通过应用生产井来完成。这 些井是完成的井或者可能转换用于生产流体的井。热解的流体被从所 述地层运送到生产井的井筒中，并且向上运送至地面。然后，所述热 解的流体被收集并加工。
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含水流体的注入可以通过使用注入井来完成。所述注入井 可以被用于注满富含有机物岩石地层，从而驱动其它的流体，或可以 被用于处理所述地层以改变其特征。含水溶液可以被收回或通过使用 溶液生产井另外产出至地面。可期望减少井的数目，从而降低工程成本。---种方法是使 用单一的井，用于相继进行目的。也就是说，最初完成用于-种目的 的井可以同时或以后在改造后用于另一目的。这提供了较低的工程成 本和/或减少了进行某些任务所需的时间。例如，单一的井筒可能作为 加热井完井，且以后转化为生产井。此外， 一个或多个监控井可以被 放置在油田中选择的点，所述监控井被配置有一个或多个测量井筒中 的温度、压力和/或流体特性的装置。在一些情况下，加热井还可以用 作监控井，或可以另外用仪器装备。在另一实例中， 一个或多个生产井可以以后被用作注入井， 用于以后将水注入到富含有机物岩石地层中。可选地， 一个或多个生 产井可以以后被用作溶液生产井，用于从富含有机物岩石地层中生产 含水溶液。在其它方面，生产井(以及在一些情况下，加热井)最初 可被用作脱水井。这在加热开始之前和/或当加热最初开始时可能发生。 此外，在一些情况下，脱水井可在以后被用作生产井，或在一些情况 下，被用作加热井。因此，脱水井可以被放置和/或设计以便这种井可 在以后被用作生产井和/或加热井。在另外的实例中，加热井可以被放置和/或设计以便它们可 以后在加热之前或在烃生产之后被用作脱水井。同样，所述生产井可 以被放置和/或设计以便这种井可在以后用作脱水井和/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，并且可在以后用于其它目的。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。这样的监 控井可在以后用于其它目的，例如水生产或地层清扫。期望的是以预先计划的井网排列用于油页岩油田的不同的 井。例如，加热井可以以各种井网排列，包括但不限于三角形、正方 形、六边形和其它多边形。该井网可以包括规则的多边形以促进均匀的加热穿过至少其中放置了加热井的地层部分。典型地，多边形的井 网将提供距加热井网的中心最近的生产井。在一些情况下，使用加热井的多边形井网可以降低实际需
要的加热井的数目。例如，美国专利第6，913，078号教导了使用规则的 加热井网，其与生产井等距离间隔开。所述井网可以形成等边三角形 阵列、等边六角形阵列或其它阵列井网。加热井的阵列可以被这样放 置，以使每 个加热井之间距离小于约70英尺(21米)。'078号专 利被授予壳牌石油公司且通过引用并入本文。该井网还可以是行列驱井网。行列驱井网--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一排生产井。然而，应注意，行列驱井网还 可以被认为是重复的矩形井网。因此，这样的阵列也可以被归类为多 角形井网。加热井线性阵列可以被这样放置，使得每--"个加热井之间 的距离小于约100英尺、或50英尺或30英尺。地层的--部分可以用 加热井力热，所述加热井与烃地层的边界基本上平行放置。在某些实 施方式中，无论加热井的排列或之间的距离如何，被放置在富含有机 物岩石地层内的加热井与生产井的比可以大于约5、 8、 10、 20或更大。按照本公开，减少加热井数目的另---方法是采用这样的井 网，所述井网可以在特定方向、尤其在地下地层内进行最有效热传递 的方向延长。可以基于多种因素确定最有效热传递方向，从而确定延 长方向。这些因素包括但不限于关于地层的地质学数据。例如，热对 流可以在垂直于地层上最小水平主应力的方向上更有效。在一些情况 F，热对流可以在平行于最小水平主应力的方向上更有效。在任---'隋 况下，加热井间隔可以在最有效的热对流或其它能量转移机制的方向 延长。延长可以按照1.2、 1.5、 2.0或更大的因子进行。图6是在- -种实施方式中的一部分烃开发区域600的说明， 显示本发明的井的布置排列。所述开发区域600显示为地面602和在 地面602之下的地层610。地—F地层610是富含有机物的岩石地层，如 油页岩。开发区域600是用于从地—F油页岩地层610开发烃的目的。
图6的地层610具有厚度"t"。在一些情况下，厚度"t" 可以变化。在地层610中可以见到，在--个点，厚度是t,。在地层610 中的另一个点，厚度增加到t2。由于经济的原因，优选最小厚度t,为至 少50英尺。然而，本发明不受地层610的厚度的限制。地层610也具有深度"d"。在一些情况下，所述深度"d" 将改变。在一个点，从地面602到地层610的顶端的距离是山。在地 层610中的另一个点，从地面602到地层610的顶端的距离是d2。在 一些实施方式中，拟用于原位干馏的油页岩地层610在地面下200英 尺以上的深度。在可选的实施方式中，拟用于原位千馏的油页岩地层 610在地面602之下500、 1000或1500英尺以.匕、但是典型地不深于 5000英尺的深度。在可选的实施方式中，拟用于原位千馏的油页岩地 层610在地面602之 F 500至4000英尺之间的深度，可选地在600至 3500英尺之间的深度，或在700至3000英尺之间的深度。图6的地层610具有这样的方向，在该方向热能最有效传 播。箭头604显示了热能最有效传播的示例性方向。箭头606显示了 基本上垂直于方向604的方向。热能最有效传播的方向典型地是目标 地层610的地质学特征的函数。地层610最初具有非常有限的渗透性，例如少于5毫达西。 为了开发油页岩地层610，有必要热解地层610中的固体烃。这通过在 热解温度以上加热地层610 —段延长的时间。为了加热地层610并且 生产烃，提供了多个加热井630。在示例性开发区域600，加热井630 以多排或线性阵列排列。每一个加热井630具有井筒632，其向F延伸 至地层610并且在地层610中完井。在图6的排列中的每一个井筒632 是基本......匕垂直的。优选地，加热井630被设计，以提供对处于选定温度下的 地层610的耐热。然而，可以使用其它的加热方法，如使用井下可燃 的燃烧器。在-一方面，加热和热解的油页岩地层610在加热后将具有 大于IO毫达西的平均渗透性。加热井630可以定位于相对近的附近， 为10英尺到可达300英尺的间距。可选地，所述井筒可以被间隔30 到200英尺或50到100英尺。
注意，与箭头606的方向相比，加热井630在箭头604的
方向——也就是最有效热能传递的方向——相距较远。这意味着加热 井630在热能将最有效传播穿过地下地层610的方向被延长。在一个 实例中，延长比可以是约1.2至约2.5。可选地，延长比是约2.0至2.5。对于重复井网——其中最小的重复井网可以通过等腰三角 形、平行四边形或具有平行边的六角形进行划界，延长比是最长边的 长度与最短边的长度之比。对于重复井网——其中重复井网可以通过 等腰三角形、平行四边形或具有平行边的六角形进行划界，其中所有 的井被定位在重复多角形的边上，延长比是最长边的长度与最短边的 长度之比乘以沿着最短边的井数目与沿着最长边的井数目之比。散布在加热井630的行之间的是生产井640。每一个生产 井640具有井筒642，其向—卜'延伸至地层610并在地层610中完井。在 图6的排列中的每一个生产井筒642也是基本上垂直的。热解的烃流 体在地层610中迁移至生产井640的井筒642。如..匕所述，多种因素可以影响或使热能在一个方向比在另 一方向更有效地传递。 一种这样的因素是作用于地层610上的应力， 主要为最小水平主应力。这些应力又可以在加热后影响热压裂的优选 方向。热压裂可以增强对流传热。最有效的热传递方向和最小水平主 应力的方向之间的关系可以基于地层的的实验研究。这样的关系也可 以基于与所述地层或类似的地层有关的先前的实证经验。所述关系也 可以通过计算机建模或模拟建立，包括但不限于，流体流动模拟或热 梯度模拟。地层610的各种特征可以在研究或模拟中被考虑。这样的 特征可以包括地层610中的千酪根的有机碳含量、地层610的氢指数、 地层610的最初渗透性、地层610的深度、地层610的厚度、地层60 巾的岩石的非均质性以及改良的Fischer试验分析。与渗透性特征有关，注意到加热油页岩地层的过程也改变 了地层的渗透性。通过加热油页岩并将千酪根转化为油和气，渗透性 经逐步地将千酪根转化为流体而增加。如果转化率在第一方向比较快， 即，更有效，则所述加热井间隔可以在该第--:方向相对于第二横向方 向延长，以使富含有机物岩石内的转化率基本上相同。
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加热井间隔630也可以关于定向密度(directional density)
进行描述。定向密度可以在功能.匕被定义为特定井和最近的相邻井之 间的相互距离，其连接线段在特定方向的+30°和-30°之内。在图6 的排列600中，加热井间隔630具有这样的密度，其在经确定的方向 604上比在垂直于或横向于该经确定的方向604的方向606上低。这也 显示在卩面讨论的在图7的排列700和图8的排列800中。地层如地层610的一部分的加热也可以造成压裂形成，原 因在于与邻近的未加热的岩石的温度差异。热压裂可以在经历加热的 直接区域和在较冷的邻近区域中发生。在邻近区域的热压裂是由于压 裂的传播以及由于在较热的地带中的岩石膨胀而形成的张应力。热压 裂形成也可以由千酪根转化为油和气的化学膨胀引起。热压裂增加了 渗透性并且帮助在地层内的流体流动。沿压裂增加的流动将导致增加 的热对流。这再一次使加热井间隔在增加的热对流的方向上延长。可以用于确定最大热传递效力的方向的另一地质因素是在 地—F地层中的层面方向。在这方面，最有效热传递方向可以与地层的 层面方向有关。例如，在一个实施方式中，最有效热传递方向基本匕 在层面的平面中。图6中层面的平面由箭头604和606定义。在确定最有效热传递的方向中可以考虑的另一因素是地下 地层的倾斜度。在某些情况下，沿着其热能将最有效传播穿过地—F地 层的方向是沿着地下地层相对于地层中热解被激起之后地面地形的向 上倾斜的方向。可选地，沿着其热能最有效传播穿过地下地层的方向 是沿着在地'F地层的局部平面和地面地形的局部平面之间的最短相对 距离的方向。因此，在地层沿着特定的平面倾斜时，加热井可以在该 方向t延长。这显示在图7中。图7提供了在一种实施方式中的一部分油页岩开发区域 700的另一种说明，示出了本发明的井的间隔排列。开发区域700代表 地面702，和地F地层710。地层710又是富含有机物的岩石地层，如 油页岩。图7的地层710具有其中热能最有效传播的方向。箭头704 显示了热能最有效传播的示例性方向。箭头706显示基本上垂直于方 向704的方向。
在图7的区域700中，加热井730被再次显示。加热井730 被再次以线性阵列排列，每一个加热井730具有井筒732，其向F延伸 至地层710并且在其中完井。图6的排列中的每一井筒732基本上是 垂直的。然而，本发明不限于完全垂直的井筒732。应注意，与箭头706的方向相比，加热井730在箭头704 的方向——也就是最有效热能传递的方向——间隔较大。这意味着加 热井730在沿着热能将最有效传播穿过地下地层710的方向延长。再 一次，延长比可以是约1.2至约2.5。在加热井730的行之间再次是生产井740。每一个生产井 740也具有井筒742，其向下延伸到地层710并且在其中完井。在图7 的排列中的生产井筒742基本上是垂直的。图7的地层710具有厚度"t"。在该排列700中，厚度"t" 基本上是恒定的。因此，厚度"t,在地层710的几处位置被示出。图7的地层710是倾斜的。这意味着其在地面702之F上 升。在图7的视图中，地层710以箭头704的方向倾斜。这通过深度 "d"表示。在-"个点，从地面702到地层710的顶部的距离为d,。在 地层710中的另---个点，从地面702到地层710的顶部的距离为d2。 深度4大于深度d,。为了反映地层710中的倾斜度和相应的热效力，与在箭头 706的方向相比，加热井732在箭头704的方向间隔更大。这意味着加 热井730沿着热能将最有效传播穿过地下地层710的方向延长。应意识到，在油田中，地层深度典型地是相对于地面702 而不是相对于海平面测量的。海平面被认为是恒定的，但是地平面则 不是。因此，在本发明的一个实施方式中，最有效热传递方向是沿着 地卩地层的局部平面和地面地形的局部平面之间的最短相对距离的方 向。这涉及地下地层710与地面702的相对间隔分析。在图7中，这 种相对距离在倾斜的方向一一也就是箭头704—一....h是变化的。可选 地，热能沿着其将最有效传播穿过地下地层的方向是沿着地下地层的 局部平面和海平面之间的最短相对距离的方向。图6提供了不同的态势。在这方面，地下地层610具有变 化的厚度。参考回到图6，可以看到地下地层610的局部平面和地面地形602的局部平面之间的最短相对距离是d,。这是箭头604的方向。 这是真实的，即使厚度"t"在箭头606方向—.匕是增加的。这可能由于 地层610中的倾斜度、地面地形602的变化，或者两者都是。在任何 情况中，加热井632的延长方向都沿着箭头604。如上所述，油页岩开发区域中的加热井如加热井630可以 基本上垂直地完井。然而，加热井可以可选地偏离垂直轴。还进----步， 一个或多个加热井可以基本水平地完井，其中水平部分基本l::.相互平 行。该水平完井可以基本上沿着最有效热传递的方向，其在一种实施 方式中可以是垂直于地层中最小水平主应力的方向。在另--实施方式 中，该水平完井可以垂直于最有效热传递的方向，其又可以是垂直于 最小水平主应力的方向。图8是一部分油页岩开发区域800的说明，显示了井的间 隔排列并使用水平完井。开发区域800代表地面802和地层810。所述 地层810是油页岩地层。图8的地层810具有其中热能最有效传播的方向。箭头804 显示了热能最有效传播的示例性方向。箭头806显示了与方向804垂 直的方向。为了从地层810生产烃，再次提供多个加热井830。在示 例性的开发区域800，加热井830以线性阵列排列。每一个加热井830 具有井筒832，其向下延伸至地层810并且在其中完井。然而，在该排 列800中，每一个井筒832被基本水平完井。选择的加热井830的水 平部分以834示出。水平井筒834在地层810内以基本相同的深度完井。然而， 在另--实施方式(未示出)中，第一组多个水平井筒可以以基本相同 的第---深度完井，而第二组多个水平井筒以第二深度完井。在第.一深 度的完井和在第二深度的完井可以在地层810内交互间隔。它们也可 以在一个方向比在另 -个方向间隔更大。例如，在-个实施方式中， 水平完井834可以在水平比在垂直间隔更大。水平-垂直间隔比可以基 于各种因素。例如，水平-垂直间隔比可以至少等于地下地层的水平-垂直导热率比。
应注意的是，油页岩中热导率在平行于层面方向上往往大 于垂直于层面方向。平行于层面方向的热导率可以比垂直于页岩层层
面方向的热导率大到可达30%。因此，水平加热井830在油页岩地层 内可以在水平上比在垂直..h间隔更大。也就是说，对于水平完成井， 这样的井应该在垂直方向上(垂直于层面)比在水平上(平行于层面 的平面)相互间隔更近。在一种实施方式中，水平-垂直间隔比可以至 少等于成层油页岩的水平-垂直热导率比。在--方面，所述水平井以垂 直于所述页岩层的方向完井。在相关的实施方式中，水平完井834可以被水力压裂。在 大于1000英尺的深度，并且取决于地层810中起作用的各种应力，据 认为人工压裂将垂直形成。在--"方面，- -种或多种人工压裂主要沿着 汕页岩地层中的最小主应力的方向形成。在-一种实施方式中，垂/lJK 裂被支撑以具有至少200达西(Darcy)的渗透性。与在箭头806的方向相比，加热井830任选地在箭头804 的方向间隔更大。这意味着加热井832沿着热能将最有效传播穿过地 层810的方向延长。然而，沿着水平井的方向的热传递不甚重要，其
中水平井长度与井间隔的长度相似。在图8中，散布在加热井832的行之间的是生产井840。 每一生产井840具有井筒842，其向下延伸至地层810并且在地层810 中完井。这里，每一井筒842是基本上垂直的。然而，生产井840也 可以水平完井。在开发区域600、 700和800中，加热井630、 730、 830被
线性间隔。然而，在一方面，多个加热井可以包括多个井网组，所述 井网以在地下地层内最有效热能传播的方向排列。每 -'井网也可以包 括穿过地层完井的生产井。所述井网可以包括，但不限于，3-点、5-点、6-点或7点井网。图9代表在油页岩开发区域900中的例证性加热井网920 的平面图。在这种排列中，多个3-点井网910连接形成加热井网920。 而且，多个加热井网920进一步连接跨越油页岩开发区域900。
每 一个3-点井网910由三个加热井930和单个生产井940 组成。在已知的3-点井网中，由加热井或注入井形成的三角形是等边 的。然而，在图9的3-点井网910中，所述三角形是拉长的。开发区域900是用于从地F地层(如图6的地层610)生 产页岩油的目的。所述地层具有方向，箭头904示出，在其中热能最 有效传播。箭头906横向于箭头904。在箭头904的方向.匕加热井930之间的距离由《丧示。距 离dm代表加热井930在热能将最有效传播穿过地层的方向上的间距。 加热井930在箭头906的方向上的间距由dt表示。方向dt代表横向于
热能将最有效传播穿过地层的方向的方向。可以看到，距离dm大于距
离dt。因而，加热井网920在箭头904的方向被延长。在某些3-点井网910之内的是生产井940。生产井940接 收烃，其已经由于应用加热井930加热而被转化。生产井940将烃传 送至表面，用于在表面设施如图4的设施70中加工。可以理解的是， 生产井940的布置和数量是设计者选择的问题。也应理解的是，3-点井网910仅仅是例证性的；任何重复 的加热井930井网都可以用于本文的加热井间隔方法。井网910可选 地是5-点、6-点、7-点或其它多边形井网。所述井网910可选地可以基 本1:是圆形的。也应理解的是，额外的加热井或额外的生产井(未示 出)可以在开发区域900的周边布置。上述加热井排列600、 700、 800和井网920的讨论集中在 井的延长，以反映在目标地下底层内的最有效热能输送方向。然而， 加热井和生产井的排列也可以被调整，以影响在地表条件下的气体-与-液体产出比。由于烃从固定不动的千酪根中产生并且可以流动，因此 如果所产生的烃在足够热的岩石中保留足够的时间，那么它们可以进 行二次裂化。 一般地，这是不期望的，因为油样液体部分将转变为气 体(例如，d-C3成分)和固定不动的焦炭。典型地，气体比不......匕油有
价值，并且焦炭的形成显示了烃的损失。如果产生的烃的流动途径使 其更接近加热井而不是原始地点，则二次裂化被加强。因而，为了最 大化烃液体生产(与气体生产相比)，加热井和生产井被优选地排列，以使产生的大多数烃能够通过仅仅穿过单调降低的温度迁移到生产在一种实施方式中，各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，其中生产井和加热井交替成 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。"无障碍通道"可以功能性地定义为在加热井和最近的生产井之 间的基本上直的通道，其没有在另一加热井的平均加热井-至-加热井间 隔距离的四分之-内通过。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。图10提供例证性的使用一层以匕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1000生产烃相关。在 图10中，加热井排列使用第一层加热井1010，其被第二层加热井1020 环绕。第一层1010中的加热井以1031被提及，而第一层1020中的加 热井以1032被提及。生产井1040被显示在井层1010和1020中央。应当注意， 相对于生产井1040，井第二层1020中的加热井1032与井第 层1010 「P的加热井1031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-->层1010中的加热井附近的行程最小化。这又使得当烃 从第二层井1020流动到生产井1040时从干酪根转化的烃的二次裂化 最小化。在图IO例证性的排列中，第一层1010和第二层1020每个 都限定5点井网。然而，应当理解可以使用其它井网，诸如3点或6 点井网。而且，应当理解，所述井网可以被重复和延长，如以最有效 热传导的方向重复和延长。在任何情况中，包括加热井第一层IOIO在 内的多个加热井103被置于生产井1040周围，同时包括加热井第二 层1020在内的第二多个加热井1032被置于第--层1010周围。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1020中的每个加热井1032中产生的大部分烃能迁移到生产井1040， 而基本上不通过第一层1010中的加热井1031附近。两层IOIO、 1020 屮的加热井103:1、 1032进一步可以被这样安排，使得通过加热从第二烃能迁移到生产井1040， 而不通过基本上增加地层温度的区域。可以将井网设计如开发区900或1000与模拟特定组合以评 价二次裂化的流动路径和影响。排列生产井和加热井以最小化二次热 裂化可需要较低的加热井-生产井比。例如，加热井与生产井的比可包
括约5: l以下的比。在一些实施方式中，加热井与生产井的比可以是 大约4: 1、 3: 1、 1: 1或以—F。表达页岩油(或其它烃)幵发区中的加热井的排列的另一
方式是考虑地层在井下被加热的速率。因此，在本文排列加热井的方 法的一种实施方式中，多个基本垂直的加热井可以穿过地下地层完井， 其中所述加热井在生产井周围被这样间隔开_-一使从每-一加热井发出 的热前缘基本—w司时到达生产井。加热井可以以环绕生产井的井网被
间隔，包括但不限于，3-点、5-点、6-点和7-点井网。所述井网可以在 特定方向上拉长，如上所述，这基于经确定的有效热传递的方向。例 如，图9的3-点井网910可以反映热前缘在生产井940的汇聚点。与油页岩油田的开发相关，可期望的是，按照图2的步骤 i30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。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通过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从而改进地下性能的决策。 因此，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。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， 基于来自一组井的热、流动和组成数据对原位压裂行为和千酪根熟化 进行评估。在另一实例中，基于压力数据、井温度数据以及估计的原 位应力对井完整性进行评价。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 -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)。本文提供了许多布置用于原位转化过程的加热井的方法。
一般地， 一种方法包括步骤确定方向，沿着该方向热能将最有效传 播穿过地下地层，和在地下地层中完成多个加热井。所述加热井在所 确定的方向比在横向于所确定方向的方向上间隔更大。优选地，当地 卜'地层是油页岩地层时——意味着其包含千酪根，该方法和其它方法 被使用。如l:::.所示，确定热能将最有效传播穿过地—F地层的方向的 步骤可以基于关于地下地层的地质学数据的观察。典型地，地质学数 据将包括地下地层中的最小水平主应力方向。通常，热能将最有效传 播穿过地F地层的方向基本t垂直于最小水平主应力方向。在一方面，加热地下地层的步骤形成热诱导压裂。这增加 了地F地层的渗透性并且有助于转化的烃的地下流动。该方法可以进 - -步包括穿过地下地层完成至少一个生产井以及通过该生产井生产经 的歩骤。生产井也可以任选地在所确定的方向上排列。上述方法可以通过计算机建模辅助。在该方面，确定热能 将最有效传播穿过地下地层的步骤可以基亍地下地层特征的计算机建 模而进行。此外，这类特征可以包括地下地层中的最小水平主应力方 向。可选地，或此外，这类特征可以包括地下地层中的层面方向。上 面概述的其它特征也可以包括在该计算中，如地下地层和地面地形的倾斜度、千酪根的有机碳含量、地下地层的氢指数、初始地层渗透性、
地下地层的深度、地 K地层的厚度以及改良的Fischer试验分析。这类
特征可以包括至少一种衍生的流体流动模拟和热梯度模拟。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。- 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。1中方法可 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—F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迸行无火焰燃烧。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--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声明，本方 法不限于所应用的加热技术。地层加热的-- 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， 在电解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。重油储层电加热方法应用的评述由R. Sierra禾P 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。
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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。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。压裂被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。该WO 2005/010320方法产生"原位烘炉"，所述原位烘炉通过 应用电热而人工熟化油页岩。热传导加热油页岩至超过300°C的转化温 度，其引起人工熟化。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 界加热的石脑油可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。320t:-400t: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率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。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， 地层温度可以慢慢升高到热解温度范围|:户。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1(TC、 5°C、 3°C、 rc、 0.5'c或o.rc)的速度 升高至大约27(TC以上。在进--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'C，或者在一些实施方式中，小 于400。C。该地层可以被加热，以使地层内的温度(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)。热解温度范围可以变化，这取决于地层内地层烃的种类、 加热方法和热源分布。例如，热解温度范围可包括约270。C与约90(TC 之间的温度。可选地，地层目标区域的体相可以被加热至300"C与600 。C之间。在可选实施方式中，热解温度范围可以包括约270X:与约500 "C之间的温度。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- -年至十五年， 可选地，3至IO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27(TC与80(TC之间。优选地，地层目标区的体相可以被加 热至30(TC与60(TC之间。可选地，目标区的体相可最终被加热至400 °C (752°F)以下的温度。在本发明方法的某些实施方式中，井.F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。井—F燃烧器的使用是另---种形式的被称为蒸汽发生的井卩 发热的替代方案。在井—F蒸汽发生中，井中的燃烧器被用于煮沸放在 并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, "A Down-hole burner腳Versatile tool for well heating," 25th Technical Conference on Petroleum Production, Pennsylvania State University, pp 275-285 (Oct. 19-21, 1966); H. Brandt, W.G. Poynter和丄D. Hummell, "Stimulating Heavy Oil Reservoirs with Downhole Air-Gas Burners," World Oil, pp. 91-95 (Sept. 1965);禾ll C丄DePriester禾卩A丄 Pantaleo, "Well Stimulation by Downhole Gas-Air Burner," Journal of Petroleum Technology, pp. 1297-1302 (Dec. 1963)中。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。由于各种设计问题，井下燃烧器很少应用。井—F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，可以长时间容 忍高达 70(TC的温度。(参见例如H.E. Boyer和T丄.Gall (eds.)， Metals Handbook, "Chapter 16: Heat-Resistant Materials", American Society for Metals, (1985.)。火焰的存在可能在燃烧器内和环绕燃烧器的地层4:l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1,65(TC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。对于井 F燃烧器应用，热传递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C02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。在超过卯0。C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，取决于井 下燃烧的特性，NOx的产生可能是大量的。在井下燃烧器的管套管布置中的热传递也可能引起困难。 向下行迸的燃料和空气将与向上行进的热烟道气进行热交换。在井中， 高度绝缘的空间最小，因此--般预期有大量的热传递。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
40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 一t.升的较冷烟道气。在油和气源的生产中，可以期望将产生的烃用作正在进行 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。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.匕是有利的。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NOx)。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S、绝热火焰温度、 可燃性限度、自燃温度、自燃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。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C02、 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。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NOx污染物产生。从油页岩熟化产生的气体可具有大量 的CCV含量。因此，在生产方法的某些实施方式中，燃料气的C02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。对于低BTU (British ThermalUnits，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。
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，加热千 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F压力与热解期间产生的流体压力之 间。这反过来表明，地层压力可以被监控以检测千酪根转化过程的进 展。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。这些特征可包括，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。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F进行
领!l量。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，随着热设初 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。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。在一方面，流体压力可被允许增加到岩石静应力或之上。在 这种情况下，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，原因在于通过生产井的采出液生产。
—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。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，至少一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，则必须具有所述膨胀。该观点在图3中被阐明。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2,400 psi 和750。F下、在具有总机碳含量22 wt. %以及Fisher试验42加仑/吨的 油页岩上进行的。转化前，存在总共15.3ftS的岩石基体52。该基体包 括嵌入在页岩内的7.2 3的矿物53，即白云石、石灰石等以及8.1 ft3 的千酪根54。由于转化该材料膨胀至26.1 ft3 55。这提供了 7.2 ft3的矿 物56 (与转化前相同的数目)、6.6 ft3的烃流体57、 9.4 ft3的烃蒸汽58 以及2.9 f^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。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。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。
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 在该选定区通过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、l达西、IO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毫达西以一.t的加热
后总渗透性，可选地，10、 50或100毫达西以上。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热传递或烃流体生产。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。此外，可以使用被称为水力压裂的方法。水力压裂是油和 气回收领域中己知的方法，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--种这样的方 法。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。
44
原位加热该基体热解了至少一部分地层烃以产生烃流体。 这反过来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 吋，支撑基体的材料的损耗也产生相对于地表F沉的可能。在一些情况中，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(mnoff)型式、影响植被型式以及影响分水岭。此外，F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。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。地层内的加热速度和热分布可以被设计和执行，以便留F 足够的未熟化柱以防止下沉。在一方面，热注入井筒在井网中形成， 从而油页岩未处理的柱被留在其中以支撑.匕覆岩层和防止F沉。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(sol.ution 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 歩增加了支撑柱的效用。在一些实施方式中，通过原位转化过程产生的烃流体的组 成和特性可以变化，其取决于例如富含有机物岩石地层内的条件。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。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。选择待从地层中生产的采出液的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。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为与加 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-步配置为本地 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。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，加热井可以被调小禾n/或关闭。调小和/或关闭加热井可减少 输入能量成本，基本.t: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。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。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己 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特性。例 如，地层的各种特性可包括但不限于地层的渗透性。数字模拟模型也可包括评估在评估温度分布之下的富含有 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。
—些实施方式包括从富含有机物岩石地层生产至少--.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。 —些实施方式进 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。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。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。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20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)。 —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 通过本领域中已知的任何商业溶液采矿操作发生。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，原 位加热富含有机物岩石地层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%。
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的形式(碱灰)，并且提供渗透性，促进其随后 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。如果需要，碱灰可在地表上容易地 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。在一些生产方法中，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。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(C03)(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C02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 F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。在一些生产方法中，加热富含有机物岩石地层可热解至少 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。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为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、葸)、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。
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。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F，可以期望的是将含水流体注入到 富含有机物岩石地层中并且使注入的含水流体溶解至少一部分水溶性 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。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。含水流休可被 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
部分的烃流体己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迁移，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-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 --个进行组合。
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
7yj、' i二:」I ，.。在油页岩源的某些区域中，另外的油页岩源或其它烃源可 以存在于较低的深度处。其它烃源可包括在低渗透性地层中的天然气 (所谓的"致密气")或夹带在煤中和吸附到煤上的天然气(所谓的 "煤层甲烷")。在多种油页岩源的一些实施方式中，有利的是首先 开发更深的区域，然后顺序开发较浅的区域。以这种方式，井将不需 要与热区或削弱的岩石区交叉。在其它实施方式中，通过钻井穿过被 用作柱的区域开发较深的区域将会是有利的，所述柱用于在较浅的深 度进行页岩油开发。在同一区域同时开发页岩油源和天然气源可以协同利用某 些设备和后勤作业。例如，气体处理可以在单个工j '中进行。同样地， 全体人员都可以参与开发。图4图解了地表设备470的一种实施方式的示意图，所述 地表设备470可被配置来处理采出液。采出液485可以通过如本文描 述的生产井471从地下地层484中生产。采出液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484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。生产方案可以涉及将采出液472淬火至30(TF、 200°F 或者甚至IO(TF以下的温度，在油分离器473 ^'分离出可冷凝成分(即 油474和水475)，在气体处理单元477中处理非冷凝成分476 (即气) 以去除水478和硫种类479，在天然气j " 481中从气体(例如丙烷和丁 烷)中去除较重的成分以形成待售的液态石油气(LPG) 480，并且在 电厂488从剩余的气体483产生电能482。电能482可被用作通过本文 描述的任何方法加热地下地层484的能源。例如，电能482可以在高 压例如132kV下输入变压器86，并且在被输入到位于加热井487—— 其位于地—F地层484中——中的电阻加热器元件之前逐歩下降至更低 的电压例如6600V。以这种方式，加热地下地层484所需能量的全部或部分可以从采出液485的非冷凝部分中产生。过量的气体——如果 有的话——可以被输出销售。从原位油页岩生产的采出液包含多种可以在地表设备'f'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 垸、丙烷、正丁烷、异丁垸)、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、C02、 CO、 H2、 H2S和NH3。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縮机增加。 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。当降低温度或增加压力时，除了可冷凝烃外，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。从生产的烃气中去除C02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/或低温下使气体蒸汽接触胺水溶液。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 被逆转并且浓縮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，典型地碳酸钾。热的碳酸盐溶液被再生，并且浓縮的酸 气体蒸汽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依赖于气体从地层中生产的速率以 及气流中酸气的浓度。
51
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C02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
.h升。精馏段可以被提供在塔的上端，从而进一步促进塔顶气流的净化。气流的氢含量可以通过去除全部或部分氢或者通过去除全 部或部分非氢种类(例如C02、 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。
结论上述的方法可具有优点，其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。 一项研究己经进行了 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l万亿桶页岩油。本发明的某些特征就一组数值....匕限和一组数值F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，--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。尽管本文描述的发明进行了完满地计算以实现上面提到的 益处和优点是显然的，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。
权利要求
1.在包含油页岩的地下地层中布置用于原位转化过程的加热井的方法，所述方法包括确定方向，沿着所述方向热能将最有效传播穿过所述地下地层；和在所述地下地层中完成多个加热井，所述加热井在该确定的方向比在横向于所述确定的方向的方向上间隔更大。
2. 权利要求1所述的方法，其中确定热能沿着其将最有效传播穿 过所述地下地层的方向的步骤基于关于所述地下地层的地质学数据的 观察进行。
3. 权利要求2所述的方法，其中所述地质学数据包括所述地下地 层中的最小水平主应力方向。
4. 权利要求3所述的方法，其中所述热能沿着其将最有效传播穿 过所述地下地层的方向基本上垂直于所述最小水平主应力方向。
5. 权利要求3所述的方法，其中其中所述热能沿着其将最有效传 播穿过所述地下地层的方向基本上平行于所述最小水平主应力方向。
6. 权利要求2所述的方法，其中所述地质学数据包括在所述地下 地层中层面的方向。
7. 权利要求6所述的方法，其中所述热能沿着其将最有效传播穿 过所述地下地层的方向基本上沿着所述地下地层的层面的方向。
8. 权利要求2所述的方法，其中所述地质学数据包括所述地下地 层的倾斜度以及其与地面地形的相对间隔。
9. 权利要求8所述的方法，其中所述热能沿着其将最有效传播穿过所述地下地层的方向是沿着所述地下地层相对于所述地面地形向上 倾斜的方向。
10. 权利要求8所述的方法，其中所述热能沿着其将最有效传播穿过所述地下地层的方向是沿着所述地下地层相对于海平面向上倾斜的方向。
11. 权利要求8所述的方法，其中所述热能沿着其将最有效传播穿 过所述地下地层的方向是沿着所述地下地层的局部平面和所述地面地 形的局部平面之间最短相对距离的方向。
12. 权利要求8所述的方法，其中所述热能沿着其将最有效传播穿 过所述地下地层的方向是沿着所述地下地层的局部平面和海平面之间 最短相对距离的方向。
13. 权利要求1所述的方法，其中确定热能沿着其将最有效传播穿 过所述地下地层的方向的步骤是基于地层温度梯度数据的观察进行 的，所述地层温度梯度数据来自所述地下地层的其它区域中的先前原 位转化过程。
14. 权利要求1所述的方法，其中所述地质学数据包括干酪根的有 机碳含量、所述地下地层的氢指数、初始地层渗透性、所述地下地层 的深度、所述地下地层的厚度、所述地下地层中岩石的非均质性以及 改良的Fisher试验分析中的至少一种。
15. 权利要求l所述的方法，其中所述加热井是基本垂直的。
16. 权利要求l所述的方法，其中以基本水平的井筒，完成所述多个加热井，所述水平的井筒基本上 相互平行；和每一水平的井筒基本上以所述地下地层中最小水平主应力的方向 完成。
17. 权利要求l所述的方法，其中以基本水平的井筒，完成所述多个加热井，所述水平的井筒基本上 相互平行；和每一水平的井筒基本上以垂直于所述地下地层中最小水平主应力 的方向完成。
18. 权利要求2所述的方法，其中选择的第一加热井具有在所述地下地层中的第一深度完成的水平 井筒，并且选择的第二加热井具有在所述地下地层中的第二深度完成 的水平井筒；并且所述第一加热井和第二加热井可选地在所述地下地层内被间隔，并 且在水平方向上比在垂直方向上间隔更大。
19. 权利要求1所述的方法，进一步包括 加热所述地下地层，以形成热诱导压裂。
20. 权利要求2所述的方法，进一步包括步骤 完成至少一个穿过所述地下地层的生产井； 通过所述至少一个生产井生产烃；并且其中所述至少一个生产井包括多个也以所述确定的方向排列的生 产井。
21. 权利要求l所述的方法，其中所述多个加热井包括在所述确定的方向上延长的重复井网组； 每一重复井网组具有穿过所述地下地层完成的生产井；并且 所述井网组各自具有穿过所述地下地层完成的生产井。
22. 权利要求21所述的方法，其中所述加热井的井网是3-点井网、 5-点井网、6-点井网或7-点井网。
23. 权利要求21所述的方法，其中所述加热井的井网包括环绕对应的生产井的第一井网，和环绕所述第一井网的第二井网。
24. 权利要求21所述的方法，其中在所述确定的方向上延长的所述 重复井网限定了大约1.20至2.50的延长比。
25. 排列用于原位干酪根转化过程的加热井的方法，其包括 提供生产井；环绕所述生产井，完成多个加热井，所述多个加热井包括环绕所述 生产井的第一层加热井，和环绕所述第一层的第二层加热井；其中所述第二层井中的加热井相对于所述第一层井中的加热井排 列，从而在烃从所述第二层井流动到所述生产井时，使转化自所述干 酪根的烃的二级裂化最小化；并且其中所述多个加热井和所述生产井被如此排列，使通过来自每一加 热井的热产生的大多数烃能够迁移到所述生产井，而不经过地层温度 大幅升高的区域。
全文摘要
本发明的发明名称是用于原位页岩油开发的优化的井布置。提供了布置用于原位转化过程的加热井的方法。所述方法包括步骤确定热能沿着其将最有效传播穿过地下地层的方向和在所述地下地层中对多个加热井进行完井，其中加热井在所确定的方向比在横向于所确定的方向的方向上间隔更远。在一方面，所述确定热能沿着其将最有效传播的方向的步骤是基于关于地下地层的地质学数据的观察进行的。所述地质学数据可以包括地下地层中的最小水平主应力方向。可选地，所述地质学数据可以包括地下地层中的层面方向、相对于地面地形的地下地层的倾斜度、干酪根的有机碳含量、初始地层渗透性。
文档编号E21B36/00GK101595273SQ200780045638
公开日2009年12月2日 申请日期2007年10月10日 优先权日2006年10月13日
发明者R·D·卡敏斯克, W·A·西明戈顿 申请人:埃克森美孚上游研究公司