专利名称：使用水力压裂生产井、通过原位加热增强页岩油生产的制作方法
技术领域：
本发明涉及从地—F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。
背景技术：
千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270i:(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。当千酪根被加热时，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千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，地表千馏需要开采油页岩，这限于对非常浅地层的应用。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千馏。在1947年，美国专利2,732,195授予Ljungstrom。该发明名称为"Method of Treating Oil Shale and Recovery of Oil and OtherMineral 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。C与1，00(TC之间。
7
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。 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)—被建立，其从1944年运行至20世纪50年代。(参见G. Saamonsson， "The Ljungst誦In SituMethod for Shale-Oil Recovery," 2nd Oil Shale and Cannel CoalConference, 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。热可以以热的甲垸(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)或者氧化剂注入的形式，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)。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〈，3 "Conductively Heating a Subterranean Oil Shale to CreatePermeability 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 implicationsof . . . prior teachings and beliefs ... the presently described conductiveheating process is economically feasible for use even in a substantiallyimpermeable 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。油页岩干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 'Matterinto 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。此外，对增加页岩油回收的改良方法存在需求。进一步，对使用加热井加热油页岩地层的方法存在需求，所述加热井在选择的地F地层中诱导热压裂。
发明简述在--个实施方式中，本发明提供用于从富含有机物岩石地层生产烃流体的方法。优选地，所述富含有机物岩石地层包括固体径。更优选地，所述富含有机物岩石地层是油页岩地层。在个方面，所述方法包括在富含有机物岩石地层中完成至少一个加热井，并且也在该富含有机物岩石地层中完成生产井。所述方法还包括从生产井水力压裂富含有机物岩石地层的步骤，以至形成--个或多个人造压裂。另外，该方法包括从所述至少 个加热井加热富含有机物岩石地层，从而将至少一部分富含有机物岩石热解为烃流体，并且从而由于源自加热的热应力，也在地层中形成热压裂。结果是热压裂与人造压裂交叉，从而为在到生产井的途径中的烃流体提供增加的流动通道。作为附加步骤，支撑剂材料可以被引入至 "个或多个人造压裂中。还作为附加歩骤，烃流体可以从生产井生产。在本发明的另一个实施方式中，提供用于增强从油页岩地层中生产烃的方法。该方法包括步骤完成基本垂直的生产井，以及在垂直方向上从生产井水力压裂油页岩地层，以至在地层中形成人造压裂。该方法还包括步骤在油页岩地层中完成至少两个基本水平的加热井，并且然后从至少两个加热井在原位加热油页岩地层，从而由于油页岩地层中的热应力而形成水平压裂。该水平热压裂与人造压裂交叉。任选地，该方法可以进一步包括从生产井中生产烃流体。各种其它方面可以提供给以上方法。在-一个方面，所述---个或多个人造压裂主要沿着油页岩地层中最小主应力方向形成。在-
个实施方式中，垂直压裂被支撑以具有至少200达西(Darcy)的渗透性。
也提供设计用于烃流体生产程序的井网的方法。在一个方面，该方法包括步骤评估从穿过地下地层完井的生产井的水力压裂程度，以及还评估从一个或多个加热井加热地.F地层引起的热压裂程度。所述方法还包括形成穿过地—F地层的生产井，以及从生产井筒水力压裂地下地层。最后，该方法包括加热地F地层以形成与 个或多个水力压裂交叉的热压裂。在一个方面，热压裂与从开始加热的一年内的水力压裂形成的压裂交叉。水力压裂地下地层的步骤可以进一步包括注入支撑剂至地下地层中。在另一个方面，水力压裂地— F地层的步骤在开始加热地F地层的1至24个月内进行。评估热压裂程度的步骤可以包括在1至24
个月的期间评估热压裂程度。在一个方面，确定在热压裂和水力压裂之间的重叠区域。基于此，油页岩油田的开发者可以选择隔开加热井和生产井，以至在预期的水力压裂和热压裂之间存在至少一些重叠。
为了以能更好理解本发明特征的方式，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F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。
10
图3是用于地F地层开发的示例性地表加工设备的工艺流程图。图4是在生产井周围的例证性加热井网的平面图。显示的是两层加热井。图5是一柱状图，其比较了在模拟的原位热解过程前后的一卩屯Green River油页岩。图6是表示选择的地层部分在有限元地质力学模拟中进行分析的图表。所述选择的部分是在Piceance盆地的Green River地层中。图7A是图6 Green River地层的横截面图。显示应力作用于地层上。图7B是绘制深度对作用在图6地层上的应力的图。此图表示在地层模型中应力的初始化。图8是对图6地层的选择部分从有限元模型进行的热应力计算。该计算表示在加热或"处理"地层的选择部分三个月后地层的应力状态。图9是对图6地层的选择部分从有限元模型进行的热应力计算。该计算表示加热或"处理"地层的选择部分 -年后，地层的应力状态。图10是对图6地层的选择部分从有限元模型进行的热应力计算。该计算表示加热或"处理"地层的选择部分两年半后，地层的应力状态。图11是是对图6地层的选择部分从有限元模型进行的热应力计算。该计算表示加热或"处理"地层的选择部分五年后，地层的应力状态。图12是油页岩心样品的透视图。该样品在纵向上被锯成两半，形成上半部和下半部。图13是图12的油页岩心样品的照片，但是在加热后。注
意装有收集油的小瓶。图14是图13的油页岩心样品的横截面照片。可见--条线，
其区分被加热的样品内部和未被加热的外部。
ii200780046031.9
说明书第7/49页图15八是加热后的油页岩心样品的另- 照片。样品的外表面是可见的，包括水平的、热诱导的压裂。图15B是图15 A的油页岩心样品的照片。在此，夹具已经从样品移除，并且该样品被摊开。可见清晰的水平压裂。图16是在加热期间，加热的油页岩心样品的变量相对时间的一系列曲线。所述变量包括应用于样品的功率、样品内温度以及应用于样品的电阻。图17提供在一个实施方式中油页岩开发区域的透视图。在此，显示了两个加热井和单个生产井。图18提供在一可选实施方式中油页岩开发区域的透视图。在此，显示了两个加热井和两个生产井。图19是用于地F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。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—F、在加工条件下或在环境条件(15t: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。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F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。如本文所用，术语"可冷凝烃"是指在25t:和"个大气绝对压强F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25'C和 -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(15t:以及l个大气压)F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Ji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-般在约IO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—F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15'C下粘度-"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比重可小亍10度。"焦油砂"是指在其中具有焦油的地层。如本文所用，术语"千酪根"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。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体。如本文所用，术语"地下(subsurfece)"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。
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"是指任何有限的地下区域。该地
层可包含任何地下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— F伏岩层。"上覆岩层"和/或"下伏岩层"是目
标地层......t面或下面的地质物质。上覆岩层或 F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。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引起热解。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 contaminantspecies)"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、氨、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。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"是指层横截面的上下边界之间的距离，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/降低该地层和/或该地层内流体的温度和/或通过增力口/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入到地层中产生的。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。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。
1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，就卩 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2NaHC03)、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 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—匕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。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 F 200英尺以.h的深 度处或者可选地在地表下400英尺处。可选地，油页岩地层的转化和 生产可发生在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、蓆和 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。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
17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。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。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。生产井可以在转换开始后引入，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- 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270t:至 80(TC。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、 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 所施加的热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，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。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)己经运行几 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。在某些井筒14己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
19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
上k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- --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。该步 骤显示在方框165中。可选地，单个井筒可以被用亍注入水并且然后 回收钠矿物溶液。因此，方框165包括使用同---井筒14用于水注入和 溶液生产的选择(方框165)。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。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 —F面， 并且被分为上部含水层20和下部含水层22。上部和下部含水层之间的 中间是弱透水层21。可以看出，地层的某些区域既包括含水层或弱透 水层又包括油页岩区域。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32通过至少较低的含水层22进行循环。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，其中以至水溶性矿物 (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。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--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 内油田的操作者来说，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。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。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.匕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、不太丰富的烃层明显更多有价值的烃。当然，从既厚又丰富的 地层生产地层烃是期望的。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°C，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。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。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、C02、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千酪根热解以及 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F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。可用于限制流体流入或流出油页岩油田的物理挡板的另---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。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。上面所列的不同井可以用于一个以上的H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。在其它方面，生产井(以及在一些情况屮加热井)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， 在一些情况中，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200780046031.9
说明书第19/49页
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。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 F 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l，OOO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。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。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。-- 个或多个监控井可以被布置在油田中选择的位置.h。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。减少加热井数目的一个方法是采用井网。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) 。 - 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。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IOO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。减少加热井数目的 -种方法是釆用井网，其在特定方向上 延伸，尤其在最有效的热传导方向上。热对流可以受不同因素影响， 诸如层理面和地层内应力。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。还值得注意的是加热油页岩地层的过程也改变地层的渗透 性。通过加热富含有机物岩石和将干酪根转化为油和气，通过干酪根 转化为流体和热压裂地层增加渗透性。热压裂增加渗透性并有助于流 体在地层内流动。沿着压裂增加的流动将导致热对流增强。而且，在 压裂方向上，加热井间距可以按1.2、 1.5、 2.0、 2.5或更大的因子延伸。 这样的延伸可以被应用于许多井网，包括三角形的、5点、或六角形的 布井。加热井和生产井的排列还可以在确定气与液生产比率(在 地表条件下)时考虑。当烃从不流动的干酪根产生并开始流动，如果 在足够热的岩石中它们保留足够的时间，产生的烃可经历二次裂化。 一般地，这是不期望的，因为一部分油样液体会转化为气体(例如， d-C3组分)和不能流动的焦炭。通常，气体的价值低于油，并且焦炭 的形成表明烃损失。如果产生的烃的流动通路使其比其原来位置更接 近加热井，则二次裂化被增强。因此，为最大化烃流体的生产，加热 井和生产井被优选排列，使得大部分产生的烃可以仅通过单调下降的 温度迁移至生产井。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。
25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。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-- 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。在示例性的排列400中，生产井440被显示。另外，加热 井的第--层410被沿圆周地布置在生产井440的周围。更进一步，加 热井的第二层420被沿圆周地布置在加热井的第一层410的周围。从 图4的排列400注意到，相对于生产井440，在井的第二层420中的加 热井432偏离井的第一层410中的加热井431。其目的是为转化的烃提 供最少在加热井第一层410的加热井附近行进的流动途径。这又使当 烃从井420的第二层流向生产井440时从千酪根转化的烃的二次裂化 最小化。在图4的例证性排列中，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。进一步，应当理解，布井400可以进行线性重复，例如在最有 效的热传导方向。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。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--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L:增加地层温度的区域。特别地，井网设计可以与模拟结合，以评估流动途径和二 次裂化的影响。安排生产井和加热井以最小化二次热裂化，可能需要较低的加热井与生产井比率。例如，加热井与生产井的比率可以包括 低于约5:1的比率。在一些实施方式中，加热井与生产井的比率可以是
约4:1、 3:1、 1:1、或更低。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。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。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， 原位压裂行为和千酪根熟化基于来自 一组井的热、流动和组成数据进 行评估。在另-一实例中，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l二 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)。
27
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。 -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，--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。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。重油储层电加热方法应用的评述由R. Sierra和S. M. Farouq Al.i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。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。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。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。然后，通过使油页岩熟化产生的油和气，通 过传统方法生产。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 界加热的石脑油可以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。32(TC-40(TC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 F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。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|::|3， 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io。c、 5°c、 3°c、 rc、 0.5。c或o.rc)的速度升高至大约270t: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"C，或者在 -些实施方式中，小 于40(TC。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)。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27(TC与约80(TC之间
的温度。可选地，地层目标区域的体相可以被加热至300t:与600t:之
间。在可选实施方式中，热解温度范围可以包括约27(rC与约50(TC之 间的温度。优选地，对亍原位方法，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-i-五年， 可选地，3至10年，1.5至7年，或者2至5年。优选地，目标区的体 相可最终被加热至40(TC (752下)以下的温度。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F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.卜""，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—F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," 25th Technical Conference on Petroleum Production, Pennsylvania State University, pp 275-285 (Oct. 19-21, 1966); H. Brandt, W.G. Poynter禾tl J.D,Hummell, "Stimulating Heavy Oil Reservoirs with Downhole Air-Gas Burners," World Oil, pp. 91-95 (Sept. 1965);和C丄DePriester和A丄 Pantaleo, "'Well Stimulation by Downhole Gas-Air Burne'r," 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亍电加热方法具 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。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。C的温度长期时间。(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匸的温度。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，传热可以以几种方式之 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--"般成本更高。在超过900t: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F 燃烧的特性，NOx产生可能是大量的。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，因此一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。
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。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》。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% 或士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。商业规模的油页岩千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N(X污染物产生。从油页岩熟化产生的气体可具有大量的 C02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。对亍低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。例如通过热解加热富含有机物岩石地层内的地层经的方法 可以产生流体。热生成的流休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亍膨胀的热解流体。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。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。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 限亍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。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。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。 —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
33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，如果从千酪根产生的流体不 能流动，必须具有所述膨胀。该观点在图5中被阐明。图5提供了一柱状图，其比较了在模拟的原位千馏工艺之 前50和之后51的 吨Green River油页岩。模拟的过程是在2，400 psi 和75(TF下、在总有机碳含量22 wt. %以及Fisher试验42加仑/吨的油 页岩.匕进行的。转化前，存在总共15.3 63的岩石基体52。该基体包括 嵌入在页岩内的7.2 f^的矿物53，即白云石、石灰石等以及8.1 ff的 干酪根54。由于转化该材料膨胀至26.1ft3 55。这提供了7.2&3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:W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.h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。某些实施方式可以包括增加至少部分富含有机物岩石地层 的渗透性至大于约0.01、 0.1、 1、 10、 20禾口/或50达西。另外，某些 实施方式可以包括基本均匀地增加至少部分富含有机物岩石地层的渗 透性。 一些实施方式可以包括基本均匀地增加至少部分富含有机物岩 石地层的孔隙率。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IO毫达西、IOO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、 IO，OOO或100,000以上的因数。在- 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IOO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。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。据认为，在热解过程期间一旦产生油和气，烃流体将能迁 移至生产井。即使油页岩(或其它富含有机物岩石)地层最初实际上 是不可渗透的，这也是真实的。预期是在加热过程期间产生渗透性。这通过两种现象发生(l)固体千酪根转化为流体烃状态；和(2)岩石基 体中热膨胀差异。首先，固体千酪根转化为流体烃意味着，固体岩石基体变 软。这又在之前不存在渗透性的岩石中形成渗透性。压裂形成过程通 过在油页岩地层中积聚压力而增强，该压力积聚作为干酪根转化过程 的一部分发生。当千酪根转化为流体形式时，形成孔压力，其进 -步 对岩石作用，并且其可以超过压裂压力。此压力积聚进-一步增加了原 位有益压裂的存在。其次，在岩石加热部分中的热膨胀将导致在地下底层的未 加热(或较少加热)部分中产生应力，这将形成压裂。这又形成流向 生产井的烃流体通路。为确认在地—F底层中热诱导应力的可能性，以及检测此应 力的大小，使用ABAQUSTM软件建立热机械有限元模型。ABAQUS 软件被用于开发原位应力以及形成的压裂的原理。为运行此模型，必 须选择地层，然后用某些机械性能初始化。图6表示地层600的示意图，其被选择用于测试有限元模 型。对于此模型，对Piceance盆地的Green River地层进行分析。如图 6所示，Green River地层600上接Uinta地层，下接Wasatch地层。所 述Uinta地层代表接近1200英尺的上覆岩层，而Wasatch地层代表约 500英尺的下覆岩层。在Green River地层600中，150英尺段610在 1925英尺的选择深度被模型化。所述选择的段610被认为是加热的或 "处理的"段，且宽度为10英尺。处理的层段610之上和之下的岩石包括在模型中，从地表 至3000英尺的深度。该模型是10英尺的切片，沿着1200英尺的长加 热压裂，实际上是二维的。该1200英尺的尺寸垂直于模型图像。因为 该1200英尺的尺寸是长的，因此可使用2-D模型。其大小使得模型的
右侧是生产井的可能位置。以下表1显示假定的图6地层的各种机械性质。基于它们 的地层学层段，标称物理性质被指定给模型中的岩石。弹性模量和泊 松比来源于为预测压裂取向发展的机械地层学。基于模型中包括的岩 石的已说明岩性学，估计弹性模量和泊松比。另外，显示每个地层的
36热膨胀系数。然而，值得注意的是，热膨胀系数仅对于Green River地 层600中处理的段610具有意义，因为这是唯--加热的层段。热膨胀 系数的数值被选择以适当地代表该主要是碳酸盐的系统的岩石膨胀。 高得多的数值可以基于预期的干酪根转化进行证实。
表1
地层
UintaGreen RiverWasatch
弹性模量L77e6 psi2.3e6 psi2.24e6 psi
泊松比0.2540.20.264
膨胀系数le-5。F-'le-5。F-'le-5°F—1有限元模型的初始化在图7A和7B进-一步阐明。图7A提 供图6的地层600的示意图。"x"、 "y"和"z"方向上的应力被显示。使 用该模型，应力被初始化以代表Piceance盆地中的应力。图7B比较在Green River地层600中初始正应力与深度。 应力以三条线表示z-应力线(表示为710) ， x-应力线(表示为720)， 以及y-应力线(表示为730)。在表面上，z方向710的应力是Opsi。 这些应力710线性增强至3000英尺。在向下途中，z-应力710与x-方 向720和y方向730应力线交叉。z-应力线710与x-应力线720在约 1100英尺处交叉，而z-应力线710与y-应力线730在约2800英尺处交 叉。注意，x-应力线720和y-应力线730具有大约相同的斜率。 然而，y-应力线730偏离x-应力线720，表明更大的应力。在Green River 地层的情况—F，这是由于落基山脉(Rocky Mountain range)向东的构造
作用力。 z-应力线710与x-应力线730的交叉对热应力具有机械作 用。相信，在1100英尺以上的人为诱导的压裂如水力压裂将基本水平 形成。然而，在约IIOO英尺以下的水力压裂将基本垂直发生。因此， 相信，在地层压裂深度的最小主应力是在x-方向，垂直于水力诱导的 压裂。
在模型初始化后，热传导模拟被用于指定地温史给模型中
的每个计算节点。应用五年的加热期，具有足够的热输入以转化162.5 英尺的油页岩。在此方面，162.5英尺/5年的加热速率被应用。在此五 年期间，热应力在三个月(图8) 、 - 年(图9) 、 2.5年(图10)和 五年(图11)进行模拟。该模型使用这些计算节点，跟踪热应力随时 间的发展。在图8中，热诱导的应力在三个月的加热之后进行描绘。 图8包括左图板(见810)、中间图板(表示为820)和右图板(以830 代表)。在图8中，左图板810代表在处理的区域610中的温度分布； 中间图板820是在处理的区域610中的垂直正应力；以及右图板830 是侧向正压力，其是x方向720。对于左图板810，温度以下测定；对 于中间820和右边830图板，应力以psi给出。如在左图板810中看到的，处理的区域610没有被一直加 热至模型右侧(代表生产井)。这表示非常局部加热处理的区域610。 垂直应力820和侧向应力830没有显示出受到早期加热过程810的影 响。这将表明三个月的加热不会诱导热压裂。加热器具有特定的热输 入，而不是特定的温度。热输入足以在5年中转化162.5英尺。现在转向图9，此图描述加热一年后热诱导的应力。如图8 一样，图9包括左图板(见910)、中间图板(表示为920)以及右图 板(以930代表)。左图板910也代表在处理的区域610中的温度分 布，而中间图板920和右边图板930描述在处理的区域610中的应力。 如在左图板910中所见，处理的区域610仍然没有-- 直被加热至模型 的右边，虽然热前缘已经扩散至中途。然而，垂直应力920强烈表示， 岩石处于张力状态。大多数岩石不能充分经受张力。因此，热压裂形 成有可能发生。现在移至图10，此图表示加热两年半后的热诱导应力。如 图9-- 样，图IO包括左图板(见1010)、中间图板(表示为1020) 和右图板(以1030代表)。左图板1010也代表处理的区域610中的 温度分布，而中间图板1020和右图板1030描述在处理的区域610中 的热诱导应力。
可以看到，在左图板1010中，热前缘已经一直延伸穿过处 理的区域610，达到生产井。穿过地层，温度继续增加。垂直应力1020 仍然显著。更重要的是，侧面应力1030大大提高。最后，图ll表示加热五年后，在处理的区域610中的热诱 导应力。如图9一样，图ll包括左图板(见lllO)、中间图板(表示 为1120)和右图板(以1130代表)。左图板1110也代表处理的区域 610中的温度分布，而中间图板1120和右边图板1130描述在处理的区 域610中的应力。可以看出，在左图板1110中，在处理的区域610中温度梯 度连续增加。垂直应力1120和侧面应力1130连续增大。这表明相当 可能在原位发生热诱导压裂。从图8-11结果得到若干观察结论。首先，油页岩地层的大 部分经历垂直拉伸应力。计算的应力超过几千psi。由于加热，这些将 几乎肯定导致水平压裂。这些压裂将为油和气提供通路至生产井中。 还可以观察到，甚至对于有关油页岩膨胀系数的保守假设而言，也存 在这些大应力。如果进行更现实的评估一计入干酪根转化的影响， 则计算的拉伸应力将在过程的早期达到甚至更高的水平。为了进一步确认热应力的可能性，小规模的加热实验在油 页岩心样品—匕进行。图12显示用于测试的油页岩样品1200的图解。 岩心样品1200是三英寸长的油页岩塞，具有1.39英寸的直径。该油页 岩的层理面垂直于岩心:1200的轴。电阻加热被应用于样品1200，以测试样品1200的压裂形 成。为此，样品1200被锯成上纵向半部分1210和下纵向半部分1220， 以形成压裂面1230。 1/16英寸的垫片(tmy)被研磨在下半部分1220的 暴露表面1224上。该垫片被用于包装一层传导性支撑剂1226。铸钢丸 (cast steel shot)被用作支撑剂1226。传导性支撑剂1226包括四或五层 钢球。然后使电流沿纵向通过支撑剂1226，以产生穿过样品1200的电 阻加热。在样品1200的一半钻一小孔(未示出)，以容纳热电偶。 该热电偶被用于在加热期间测定样品1200中的温度。该热电偶被设置 于样品1200半径的、离模拟的压裂平面大致三分之一处。
在应用电流之前，油页岩心1200的未研磨上半部分1210 被置于传导支撑剂堆1226 —匕面，并且样品1020的两个半部分1210、 1220被夹在一起。然后，该带夹具(见图13的1310)的样品1200被 置于压力密闭加热容器中。电流通过模拟的压裂，产生转化构成样品 1200的一些油页岩所需的热。在加热期间，样品1200被装载于在500 psi下充满氩气的 Parr加热容器(未示出)中。该Parr容器在此实验中仅被用作加压腔； 所有热通过应用于传导性支撑剂1226的电阻在内部产生。电源使用 "Variac"变压器供给。消散在模拟的压裂中的能量不足以均匀加热油页 岩，但是由于油页岩有限的导热率，相对高的温度在模拟的压裂面1230 附近获得。有效地，获得伪稳态，其中在压裂1230中产生的热被从样 品1200传导出来，在压裂1230和样品IOOO外部之间引起大的温度梯 度。结果是，压裂面1230附近的岩石达到将千酪根转化为油和气所需 的温度。这通过在实验期间进行的热电偶测定以及在实验结束时从Parr
容器回收油得以表明。为使电流通过导电钢丸支撑剂1226，黄铜条1228被用作 电接头。接头1228被置于电路中，并通电。18-19安培的电流应用五 小时的期间。在此时间，功率消耗、电阻和嵌入样品1200的热电偶处 的温度被记录。加热后，为了处理和分析，样品1200被冷却至室温。样品 1200从容器中移出。与样品1000 —样，从加热容器中回收0.15 ml的油。图13提供照片，其显示已从容器移出的样品1200。该样 品1200保持在夹具1310中。该照片还显示包含回收的油的小瓶1320。接着，将夹具从样品1200移除。样品1200的上半部分1210 和下半部分1220被分离以暴露压裂面1230。图14提供照片，显示压 裂面1230的一部分。在此照片中可见- -些钢丸1226。感兴趣的是，在 转化的1412和未转化的1414材料之间的边界1410是清晰可见的。甚至更感兴趣的是，许多裂缝横切于压裂面1230形成，显 示在图15A和15B中。首先，图15A提供样品1200的另一个照片。 此照片来自完整的样品1200，也就是说，样品1200的上半部分1210和下半部分1220被移回在一起。从此照片，可看见一个特别显著的裂
缝，以1510表示。图15B显示再次打开的样品1200，以暴露全部的 切断面1230。裂缝1510和其它裂缝再次可见。相信，裂缝例如裂缝 1510是由于样品1200的压裂平面1230附近的轴向热膨胀形成的。轴 向热膨胀导致远离压裂平面1230的轴向拉伸应力。这样的裂缝将为在 转化过程中产生的油和气提供通路。如所示，在加热期间，功率消耗、电阻和嵌入样品1200中 的热电偶处的温度被记录。图16提供曲线图，表示功率消耗1610、温 度1620和电阻1630被记录为时间的函数。这里的重要结果是电阻 1630，其在开始加热压裂面1230后，保持相对恒定，在0.15和0.2欧 姆(ohms)之间。在实验期间，没有观察到电连续性损失。样品的初始工 作台电阻(bench-top resistance)是约822欧姆。在样品1200冷却并从 Parr容器中移出后，其电阻是49欧姆。显示在图16中的另一个重要 结果是温度1620，其在实验期间达到最大值268。C。从此值我们推断， 模拟的压裂面1230附近的温度应该已经达到350-400°C。此值足以引 起热解。匕述讨论的有限元模型和小规模油页岩测试表明，在油页 岩地层中的热应力能引起压裂并在未加热的岩石部分形成渗透性。从 这些实验还可以相信，在千酪根转化过程期间形成的压裂主要在水平 方向打开。虽然压裂形成是期望的，但压裂仅在一个平面存在，意味 着在流动通路之间的互连性是有限的。因此，期望连接热形成的、水 平面压裂与--个或多个人工形成的、垂直压裂。图17代表设计来提供这样的互连性的油页岩开发区域 1700的-d、部分的透视图。开发区域1700是为了从地下油页岩地层开 发烃类的目的，地层用括号1705示意表示。开始，地层1705具有非 常有限的渗透性，例如，小于5毫达西。为了开发油页岩地层1705， 需要在地层1705中热解固体烃。这通过在热解温度以上加热地层1705 长时间而进行。为此，两个加热井1710被提供。示例性的加热井1710 被设计来提供对地层1705进行电阻加热。电阻加热是沿着加热井1710 纵向产生的，并且基本穿过地层1705的深度。在一个方面，油页岩地 层1705的加热部分在加热后具有大于10毫达西的平均渗透性。
偏离加热井1710的是基本垂直的生产井1720。生产井1720 接近加热井1710。以此方式，热解的烃流体可以从加热井1710迁移至 生产井1720。在图17的示例性布置中，开发区域1700已经被加热。热 能的应用已经导致一系列基本水平、平行的裂缝1712在地层1705中 形成。从图17看，裂缝1712表现为线性；然而，可以理解裂缝实际 匕是平面的。裂缝1712可以从在干酪根转化过程期间产生的孔隙压力 增加而形成。可选地，裂缝1712也可以由于加热引起的岩石基体内热 膨胀而形成。仍然可选地，裂缝1712可以由于地层1712的加热部分 和未加热部分之间的温度差而产生。可以预期，裂缝1712将由于这些 因素的一些结合而产生。为了使水平裂缝1712互联，并根据本发明的某些实施方 式，人造压裂1722从生产井1720形成。人造压裂通过一些已知的方 式形成，优选通过在压力下注入流体。这样的方式被称为水力压裂。 如图17所见，水力压裂1722垂直打开。基于对Piceance盆地中地质 力学性质的分析，可以相信水力压裂尤其是那些低于至少UOO英尺深 度的水力压裂对于大多数油页岩地层而言将基本垂直开裂而不是水平 开裂。从地质力学模拟可以相信，在Piceance盆地中接近80%的油页 岩处于有利于垂直压裂的应力状态。这样的地质力学模拟考虑了最小 主应力的方向。在一个方面，人造压裂在垂直于油页岩地层中最小主 应力的方向上形成。在一个方面，油页岩地层的深度是至少1000英尺。在图17的布置1700中，显示来自生产井1720的水力压裂 1722与从两个加热井1710传播的裂缝1712交叉。这在裂缝1712之间 提供了改善的互连性，以及在生产井1720周围提供了改善的渗透性。 在这两种情况，都形成烃流体通向生产井1720途中的通路。优选地，加热井1710被激活，以在从生产井1720形成水 力压裂后形成裂缝1712。可能地，如果关于水力压裂在热裂缝1712 形成之后注入流体至地层1705，则压裂流体可以优先通过地层1712， 而不提供期望的垂直互连性。然而，本发明的方法不限制压裂形成的 顺序。在一个方面，水力压裂在开始加热过程的1至24个月内形成。
42
总之，因此提供了从富含有机物岩石的地层1705生产烃流
体的方法。在一个方面，方法包括在富含有机物岩石地层中完成至少
一个加热井，并且还在富含有机物岩石地层1705中完成生产井。该方 法还包括步骤从生产井1720水力压裂富含有机物岩石地层1705，以 至形成一个或多个人造压裂1722，以及从至少一个加热井1710加热富 含有机物岩石地层1705，从而热解至少部分富含有机物岩石为烃流体。 由于来自加热的热应力，这还有助于在地层1705中形成热压裂1712。 该热压裂1712与人造压裂1722交叉，为流体流动提供压裂的互连性。作为附加的步骤，支撑剂材料可以被引入一个或多个人造 压裂1722中。仍然作为附加的步骤，烃流体可以从生产井1720生产。 优选地，富含有机物岩石地层1705包括重烃。更优选地，富含有机物 岩石地层是油页岩地层。应该注意的是，图17的油田布置1700是高度示意性的。 在实践中，油页岩开发区域将具有许多加热井1710，它们在目标地F 地层1705处完井或交叉穿过目标地—F地层1705完井。如上面非常详 细描述的，加热井1710可以被线性排列，或可以以例如3点、5点或 6点的布井方式排列。另外，在实际实践中，油页岩开发区域将具有多 个生产井1720，其邻接或介于加热井1710之间。还应该注意的是，在图17的布置1700中，加热井1710和 生产井1720都显示具有基本垂直的井筒。然而，本发明的方法不限于 垂直井筒。图18提供油页岩开发区域1800的可选布置。开发区域1800 包括至少两个加热井1810，用于加热地下的富含有机物岩石地层1805。 还显示两个生产井1820。如开发区域1700 —样，通过使用加热井1810 中的电阻加热器，开发区域1800在地下地层1805中经受加热。加热 井1810以足够的温度和足够的时间期间对地层1805进行加热，以在 地层1805中引起热压裂形成。以1812表示压裂。从图18看，压裂1812表现为线性。然而，还可以理解， 该压裂1812实际上是平面的，并且在水平面中延伸穿过地F地层 1805。压裂1812可以从在千酪根转化过程期间产生的增强的孔隙压力 形成。可选地，压裂1812可以由于加热引起的岩石基体内热膨胀而形成。仍然可选地，压裂1812可以由于地层1805的加热部分和未加热
部分之间的温度差而产生。预期，热压裂1812将由于这些因素的一些
结合而产生。图18还显示，水力压裂1822已经从生产井1820形成。人 造压裂也通过任意己知方法形成，但是优选地通过在压力 F注入流体
形成。水力压裂1822垂直开裂，并延伸至热压裂1812，以便为烃流体 提供通向生产井1820途中的流动通路。从图18看，垂直的水力压裂 1822表现为平面的。然而，在一些情况中，压裂1822可以从生产井 1820以不同的径向开裂，例如顺着套管中穿孔的方向。图18表示用于从油页岩地层增强烃流体生产的可选方法。 该方法包括步骤基本垂直地完成生产井1820，和从生产井1820在垂 直方向上水力压裂油页岩地层1805，使得形成人造压裂。该方法还包 括步骤完成至少两个加热井1810，其在油页岩地层1805中基本水平， 并且然后从至少两个加热井1810原位加热油页岩地层，从而由于油页 岩地层1805中的热应力形成水平压裂1812，其与人造压裂1822交叉， 并且还从而通过热解将至少部分油页岩地层1805转化为烃流体。任选 地，该方法可以进 --步包括从生产井生产烃流体。各种其它方面可以提供给上述方法。在一个方面， 一个或 多个人造压裂主要沿着油页岩地层中最小主应力的方向形成。在一个 实施方式中，垂直压裂被撑开以便具有至少200达西的渗透性。对于油页岩开发的操作者，可能期望计算用于注入生产井 如井1720或井1820的流体体积。在注入的流体体积与水力压裂从注 入井筒传播的距离之间一般存在相关性。在现有方法中，操作者可能 希望注入足够的流体以使水力压裂传播与最近的加热井距离的至少 30%。可选地，例如，距离可以是与最近的加热井距离的至少50%或 至少70%。该距离可以通过离加热井如井1710或1810的预期距离或 热开裂程度确定。如果热开裂预期仅从加热井延伸几英尺，则为努力 达到更接近加热井，更大体积的流体应当被注入生产井，用于水力压 裂。在另一方面，如果开裂预期产生离加热井相当大的距离，例如十英尺、二十英尺或甚至50英尺，则在人造压裂过程期间，可需要较小 体积的水力流体。操作者还可以评估裂开发生的时间长度。例如，取决于应 用于地下地层1705或1805的温度，热压裂可在三个月、六个月、一 年或甚至更长的时间不开始。知道完全压裂还没有发生，操作者可在 此期间等待，以水力压裂生产井。在一个模型中，在开始加热的^年 中，热压裂1812与至少- -个人造压裂1822交叉。因此，提供用亍烃流体生产程序的井网的设计方法。在一 个方面，该方法包括步骤评估从穿过地下地层完井的生产井的水力 压裂程度，以及还评估由于加热地下地层引起的热压裂的程度。该方 法还包括形成穿过地 F地层的生产井，以及加热地下地层以形成热压 裂。最后，该方法包括从生产井筒水力压裂地F地层，以与一个或多 个热压裂交叉。在--个方面，水力压裂地F地层的步骤是在开始加热地F 地层的6至24个月中实行的。评估热压裂程度的步骤可以包括，评估 在6至24个月期间的热压裂程度。水力压裂地下地层的步骤可以进一 步包括注入支撑剂到地.F地层中。在-一个方面，热压裂与在开始加热 的一年中从水力压裂形成的压裂交叉。因此，可以期望确定热压裂和 水力压裂之间的重叠区域。在此注意，在此描述的增强的生产方法可以与某些加热技 术协同操作，所述加热技术由上述引用的国际专利公开WO 2005/010320的受让人公开。该专利申请教导使用导电压裂来加热油页 岩地层。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导电材料。煅烧的石油焦 炭是示例性的合适的传导性材料。优选地，压裂在沿着通过水平井筒 形成的纵向、垂直平面的垂直方向上产生。电可以传导通过传导性压 裂，从每个井的跟部到每个井的趾部。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、用于提供相反电极性的另外水平井完成。 横向的热传导将热转移到邻接于垂直压裂的油页岩，将千酪根转化为 油和气。当应用于本文的增强生产方法时，垂直压裂将在交叉热压裂的参与下从垂直的生产井水力形成，该交叉热压裂从水平加热井水平 地延伸。还要注意，在一些油田，热压裂可能不沿着水平面发生。 而是，取决于原位应力，热压裂可能沿着垂直平面发生。在该情况， 期望使用水平的水力压裂。在任-」瞎况中，本文的增强的生产方法可 包括进行地质力学模拟的步骤，以确定热压裂的方向和程度。例如， 加热井和生产井可以是假定的井。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。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。在一些情况中，为了避免环境或水文地质影响，F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縮性应力。为了避免或最小化F沉，提出留F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 而未处理的油页岩柱被留在其中以支撑上覆岩层和防止下沉。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(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--步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。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 -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接的操作系统。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。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。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-匕。
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值模拟模型进行计算。数值模拟模型可通过已 知数据点的内插以及地层传导率的假定计算地下温度分布。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。数值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。- -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。 —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。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 从本领域中已知的任何商业溶液采矿操作中发生。基本—匕去除水溶性 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%。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。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 变含水溶液的温度弓I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。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。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—F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、蒽)、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 可包括一匕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亍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—h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。
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 -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
漂白土 。在油页岩源的某些区域中，另外的油页岩资源或其它烃资 源可以存在于更深的深度。其它烃资源可包括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")。在一些具有多个页岩油资源的实施方式中，首先开发较深 区域，然后接着开发较浅区域可能是有利的。以这种方式，井无需跨 过热区域或削弱的岩石区域。在其它实施方式中，通过穿过这样的区 域钻井开发较深区域可能是有利的一一该区域被用作在较浅深度进行 页岩油开发的支柱。在同一区域同时开发页岩油资源和天然气资源可以协同利 用某些设备和后勤运作。例如，气体处理可以在单-一工厂进行。而且， 开发之间可以共享职员。图19图解了一个实施方式的地表设备1970的示意图，其 可以被配置以处理采出液。如本文所述，采出液1985可以穿过生产井 1971从地下地层1984生产。采出液可以包括通过在此描述的任意方法生产的任意采出液。地下地层可以是任意地下地层，包括，例如，包 含例如油页岩、煤或焦油砂的任一种的富含有机物岩石地层。生产方
案可以涉及将采出液淬火1972至100。F、200。F或者300下以下的温度， 在油分离器1973中分离出可冷凝成分(即油1974和水1975)，在气 体处理单元77中处理非冷凝成分1976 (即气体)以去除水1978和硫 种类1979，在天然气厂1981中从气体(例如丙烷和丁烷)中去除较重 的成分以形成用于出售的液态石油气(LPG) 1980，并且在电〗—'1988 从剩余的气体1983产生电能1982。过量的气体——如果有的话——可 以被输出销售。电能1982可被用作通过本文描述的任何方法加热地下 地层1984的能源。例如，电能1982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1987——其位于地下地层1984 中——中的电阻加热器元件之前逐步卜'降至更低的电压例如6，600V。 以这种方式，加热地下地层1984所需能量的全部或部分可以从采出液 1985的非冷凝部分中产生。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(例如甲垸、 乙垸、丙烷、正丁烷、异丁垸)、非冷凝烃烯种类(例如乙烯、丙烯)、 由垸烃、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l::h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--般包 括在高压和/或低温下使气流接触胺水溶液。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， 一般地碳酸钾。热的碳酸盐溶液被再生，并且浓縮的酸气流 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。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 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。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，其中涉及在科罗拉多州的Piceance 盆地中回收烃。 一些人己经进行了评估，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-- 个特征进行组合。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。
权利要求
1.用于从富含有机物岩石地层生产烃流体的方法，包括在所述富含有机物岩石地层中完成至少一个加热井；在所述富含有机物岩石地层中完成生产井；从所述生产井水力压裂所述富含有机物岩石地层，以形成一个或多个人造压裂；从所述至少一个加热井加热所述富含有机物岩石地层，从而使至少部分所述富含有机物岩石热解为烃流体，以及从而由于通过加热形成的热应力在所述富含有机物岩石地层中形成热压裂，所述热压裂与所述人造压裂交叉；和从所述生产井生产烃流体。
2. 根据权利要求1的方法，其中所述富含有机物岩石地层是油页 岩地层。
3. 根据权利要求2的方法，其中所述热压裂是基本水平的。
4. 根据权利要求2的方法，其中所述热压裂是基本垂直的。
5. 根据权利要求2的方法，进一步包括 进行地质力学模拟，以确定热压裂的方向和程度。
6. 根据权利要求2的方法，其中所述热压裂至少部分形成于所述 油页岩地层的第一部分中，该第一部分没有被加热到所述油页岩地层 的第二部分被加热的程度，该第二部分更接近所述至少一个加热井。
7. 根据权利要求2的方法，其中水力压裂所述油页岩地层的步骤 是在加热所述油页岩地层的步骤之前进行的。
8. 根据权利要求2的方法，其中水力压裂所述油页岩地层的步骤 在加热所述油页岩地层的步骤开始之后但在热压裂大量形成之前进行。
9. 根据权利要求2的方法，进一步包括 测定与其中形成所述一个或多个人造压裂的生产井的距离，以提供与预期的热压裂的流体连通。
10. 根据权利要求2的方法，其中所述人造压裂传播的距离不大于朝加热井的距离的一半。
11. 根据权利要求2的方法，其中所述热压裂在开始加热的一年内， 与至少一个从水力压裂形成的所述人造压裂交叉。
12. 根据权利要求2的方法，其中加热步骤导致至少部分所述油页 岩地层达到270。C或更高的温度。
13. 根据权利要求2的方法，其中来自所述生产井的所述人造压裂 在方向上是垂直的。
14. 根据权利要求2的方法，其中来自所述生产井的所述人造压裂 在方向上是水平的。
15. 根据权利要求2的方法，其中所述人造压裂在与所述油页岩地 层中最小水平主应力垂直的方向上形成。
16. 根据权利要求2的方法，进一步包括引入支撑剂材料到一个或 多个所述人造压裂中。
17. 用于从油页岩地层生产烃的方法，包括 基本垂直地完成生产井；在垂直方向上从所述生产井水力压裂所述油页岩地层，以形成 人造压裂；完成至少两个加热井，其在油页岩地层中基本水平；从所述至少两个加热井原位加热所述油页岩地层，从而由于在 所述油页岩地层中的热应力而形成与所述人造压裂交叉的水平压裂， 并且也从而通过热解转化至少部分所述油页岩地层为烃流体；以及从所述生产井生产烃流体。
18. 根据权利要求17的方法，其中所述水力压裂在与所述油页岩地 层中最小水平主应力垂直的方向上形成。
19. 根据权利要求17的方法，进一步包含引入支撑剂材料至一个或多个所述水力压裂中。
20. 用于烃流体生产程序的并网，包含多个在包含油页岩的富含有机物岩石地层中完成的加热井；多个在所述富含有机物岩石地层中完成的生产井，所述加热井和生产井形成重复的井网，所述井网通过以下确定 评估每一个所述生产井的水力压裂的程度，评估由相应的加热井加热地下地层引起的热压裂的程度，以及 定位所述多个生产井和相应的加热井，以评估所述多个生产井和相应的加热井的水力压裂和热压裂，以便交叉，从而形成所述井网内的交叉区域。
21. 根据权利要求20的方法，其中所述生产井是假定井，其实际上没有在所述地下地层中完成。
22. 根据权利要求20的方法，其中所述交叉区域是平面区域、立体 区域或线性区域。
23. 根据权利要求20的方法，其中所述热压裂是基本平行的。
24. 根据权利要求20的方法，其中-所述热压裂是基本垂直的；并且 来自所述生产井的所述水力压裂在方向上是垂直的。
25.根据权利要求20的方法，其中所述水力压裂在与油页岩地层中 最小水平主应力垂直的方向上形成。
全文摘要
提供用于从富含有机物岩石地层例如油页岩地层增强烃流体生产的方法。该方法一般包括在富含有机物岩石地层中完成至少一个加热井，并且也在富含有机物岩石地层中完成生产井。该方法也包括步骤从生产井水力压裂富含有机物岩石地层，以形成一个或多个人造压裂，并且从所述至少一个加热井加热富含有机物岩石地层，从而使至少部分富含有机物岩石热解为烃流体。由于通过加热形成的热应力，热解富含有机物岩石地层在地层中形成热压裂。热压裂与人造压裂交叉。作为附加的步骤，烃流体可以从生产井生产。优选地，富含有机物岩石地层是油页岩地层。
文档编号E21B43/17GK101558216SQ200780046031
公开日2009年10月14日 申请日期2007年10月10日 优先权日2006年10月13日
发明者J·M·哈特菲尔兹, 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