通过原位加热生产页岩油后的水处理的制作方法

专利名称：通过原位加热生产页岩油后的水处理的制作方法
技术领域：
本说明书涉及从地下地层采收烃的领域。更具体地，本发明涉及从富含有机物岩层原位采收烃流体，所述岩层包括例如油页岩地层、煤地层和浙青砂地层。本说明书还涉及在通过原位加热生产页岩油之后处理用于冲洗杂质层(formation of impurity)的水的方法。技术讨论已知某些地质地层包含被称为“干酪根(kerogen) ”的有机物。干酪根是固体含碳物质。当干酪根被嵌在岩层中时，该混合物被称为油页岩。事实是不管该矿物质在技术上实际上是不是页岩，它都是由致密粘土形成的岩石。干酪根暴露于热一段时间后经历分解。加热后，干酪根在分子水平上分解以产生油、气和含碳焦炭。还可以产生少量的水。油、气和水流体在该岩石基体内是流动的，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。这种地层显著地在怀俄明州、科罗拉多州和犹他州发现。油页岩地层往往位于相对浅的深度并且通常的特征在于有限的渗透性。一些人认为油页岩地层是这样的烃沉积物，其还没有经历认为是形成常规油和气储量所需的多年热和压力。干酪根分解产生流动烃的速率依赖于温度。在许多岁月的期间一般超过 2700C (518 T)的温度对于实质性转化来说可能是必需的。在更高的温度下实质性转化可以在更短的时间内发生。当干酪根被加热至必要的温度时，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干馏也已经在其它国家进行。这样的国家包括澳大利亚、巴西、中国、爱沙尼亚、法国、俄国、南非、西班牙、约旦和瑞典。然而，因为它证实是不经济的或者由于枯竭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.四2，其全部公开内容通过引用方式并如本文。)此外，地表干馏需要开采油页岩，这限于对非常浅地层的具体应用。在美国，自从20世纪OO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OO年代后期进行。该研究主要是针对页岩油地质学、地球化学以及在地表设施中的干馏。在1947年，美国专利号2，732，195授予Ljungstrom0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。这样原位加热的目的是将烃蒸馏和开采至地表。该'195 Ljimgstrom专利通过引用并入本文。Ljungstrom杜撰了短语“热供给通道(heat supply channels) ”以描述钻到地层中的井筒。该井筒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Ljimgstrom，在某些应用中，该“集合体 (aggregate) ”被加热至 500°C与 1，000°C之间。与热注入井一起，流体生产井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。完全规模的工厂被建立，其从1944年运行至20世纪50年代。(参见 G. Salamonsson, "The Ljungstrom In Situ Method for Shale-Oil Recovery,，，2nd Oil Shale and Cannel Coal Conference, v. 2, Glasgow,Scotland,Institute of Petroleum, London, p.沈0_观0 (1951)，其全部公开内容通过引用并入本文)。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地层中。热可以为加热的甲烷(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。热还可以为电阻加热、电介体加热、射频(RF)加热(美国专利号4，140，180，其被转让给位于伊利诺斯州芝加哥的 ITT Research Institute)或者氧化剂注射的形式，以支持原位燃烧。在某些情况下，人工渗透性已经在该基岩中形成以有助于热解流体的运动。渗透性产生方法包括挖掘、碎石化 (rubblization)、水力压裂(参见 M. L. Slusser 的美国专利号 3，468，376 以及 J. V. Vogel 的美国专利号3，513，914)、爆炸压裂(参见W. W. Hoover等的美国专利号1，422，204)、热压裂(参见R. W. Thomas的美国专利号3，284, 281)以及蒸汽压裂(参见H. Purre的美国专利号 2，952，450)。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并入本文。该名称为“Conductively Heating a Subterranean Oil Shal e to Create Permeability and Subsequently Produce Oil (传导性力口热地下油页岩以产生渗透性以及随后生产油)”的专利声明“[(Contrary to the implications of···prior teachings and beliefs···the presently described conductive heatingprocess 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-M行)。尽管有该声明，但应当注意，除了 Ljimgstrom的申请外，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勻的热前缘。如上指出，已经考虑电阻加热技术用于地下地层。F. S. Chute and F. Ε. Vermeulen,Present and Potential Applications of Electromagnetic Heating in the In Situ Recovery of 0il(电磁加热在原位开采油中的当前和可能的应用)，AOSTRA J. Res.，v. 4, p. 19-33(1988)描述重油控制器(heavy-oil pilot)检验，其中使用"电预热(electric preheat)“在两个井之间流动电流，以降低粘度，并在井之间产生通信信道， 用以跟着蒸汽驱随动。已经公开在叠加传导压裂或同一井中电极之间运用交流电或射频电能，以便加热地下岩层。参见美国专利号3，149，672，其名称为“Method and Apparatus for Electrical Heating of Oil-Bearing Formations (电加热含油地层的方法和设备)”; 美国专利号 3，620，300，其名称为 “Method and Apparatus for Electrically Heating a Subsurface Formation(电加热地下地层的方法和设备)”；美国专利号4，401，162，其名称为“In Situ Oil Shale Process (原位油页岩方法)”；和美国专利号4，705，108，其名称为“Method for In Situ Heating of Hydrocarbonaceous Formations (原位力口热含经地层的方法)”。美国专利号 3，642，066，其名称为 “Electrical Method and Apparatus for the Recovery of Oil (用于回收油的电学方法和装置)”，提供了通过在不同的井之间运用交流电在地下岩层中电阻加热的描述。其他已经描述在井筒内产生有效电极的方法。参见美国专利号 4，567，945，其名称为 “Electrode Well Method and Apparatus (电极井方法和设备)”；和美国专利号 5，620，049，其名称为“Method for Increasing the Production of Petroleum From a Subterranean Formation Penetrated bv a Wellbore (增力口从井筒穿过的地下岩层开采汽油的方法)”。美国专利号3，137，347，其名称为“In Situ Electrolinking of Oil Siale (油页岩的原位电连接)”，描述了一种方法，通过该方法，电流被流过连接两个井的压裂，以得到在周围地层的体相(bulk)中开始的电流动。主要由于地层的体电阻发生地层加热。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 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)”的共有美国专利号 7, 331,385中找到。该专利的背景和技术公开内容通过引用并入本文。不管使用的原位加热方法如何，热解方法可以产生残留的污染物。当干酪根被原位转化成烃流体时，也可以产生许多潜在的污染物——有机的和无机的。期望通过枯竭页岩除去这样的污染物以防止这样的污染物移入含水层中。存在的需求是生产页岩油的改良方法。此外，存在的需求是，通过枯竭页岩除去污染物的改良方法。仍进一步，存在的需求是，处理循环通过含有枯竭页岩的地下地层的水的方法，以便除去挥发性有机化合物和其它污染物。概述
在一个一般方面，用于从开发区中的地下地层采收烃的方法包括使用原位热将热施加至地下地层以便将地层烃热解为烃流体。从一个或多个烃生产井生产烃流体。从注入泵将水泵入一个或多个注水井。使水从一个或多个注水井循环通过地下地层，进入一个或多个出水井，并上至开发区地表处的水处理设备。在水处理设备处处理水以便(i)充分地从水中分离出烃。水处理设备也被配置为(ii)充分地从水和/或一个或多个其它水处理过程除去有机物质。该方面的实施可以包括一个或多个以下特征。例如，水处理设备也可以被配置为完成以下的一个或多个(iii)充分减小水的硬度和碱度，(iv)充分地从水中除去溶解的无机固体和/或(ν)充分地从水中除去悬浮的固体，由此提供处理过的水。水处理设备可以被配置为在水处理设备处处理水以便(i)充分地从水中分离出烃，( )充分地从水中除去有机物质，(iii)充分地减小水的硬度和碱度，(iv)充分地从水中除去溶解的无机固体， 和(ν)充分地从水中除去悬浮的固体。在水处理设备处处理水可以包括充分地从水中除去有机物质、充分地减小水的硬度和碱度、充分地从水中除去溶解的无机固体和/或充分地从水中除去悬浮的固体中的一种或多种。在水处理设备处处理水以提供处理过的水可以包括以下中的两种、三种、四种或多种(i)充分地从水中分离出烃，(ii)充分地从水中除去有机物质，(iii)充分地减小水的硬度和碱度，(iv)充分地从水中除去溶解的无机固体，和 (ν)充分地从水中除去悬浮的固体。水被处理后可以测试水。地层烃可以包括固体烃，例如油页岩。可以使用电阻加热如井筒加热器或在适当位置例如导电的压裂处形成的热源来加热地下地层。水处理设备可以包括一个或多个加气浮选分离器，处理水以便充分地从水中分离出烃可以包括使水通过一个或多个加气浮选分离器。处理水以便充分地从水除去悬浮的固体可以包括使水部分地通过一个或多个加气浮选分离器。水处理设备可以包括一个或多个多孔介质过滤器，处理水以便充分地从水除去悬浮的固体可以包括使水通过一个或多个多孔介质过滤器。水处理设备可以包括一个或多个重力沉降器、一个或多个离心分离器和/或其组合，处理水以便充分地从水中分离出烃可以包括使水通过一个或多个重力沉降器、一个或多个离心分离器和/或其组合。水处理设备可以包括一个或多个生物氧化反应器，处理水以便充分地从水除去有机物质可以包括使水通过一个或多个生物氧化反应器。在水通过一个或多个加气浮选分离器之后，水可以通过一个或多个生物氧化反应器。水处理设备可以包括一个或多个热石灰软化器，处理水以便充分地减小水的硬度和碱度可以包括使水通过一个或多个热石灰软化器。减小硬度可以包括充分地除去钙离子和镁离子。减小碱度可以包括充分地除去碳酸盐和碳酸氢盐种类。水处理设备可以包括一个或多个反渗透过滤器，处理水以便充分地减小碱度可以包括，在使水通过一个或多个热石灰软化器之后，使水通过一个或多个反渗透过滤器。在使水通过一个或多个加气浮选分离器之后，可以使水通过一个或多个多孔介质过滤器。水处理设备可以包括一个或多个热石灰软化器和一个或多个反渗透过滤器，处理水以便充分地减小水的硬度和碱度可以包括使水通过一个或多个热石灰软化器和一个或多个反渗透过滤器。在使水通过一个或多个生物氧化反应器之后，水可以通过一个或多个热石灰软化器和一个或多个反渗透过滤器。水处理设备可以包括一个或多个反渗透过滤器，处理水以便充分地从水中除去溶解的无机固体可以包括使水通过一个或多个反渗透过滤器。
处理过的水循环通过的一部分地下地层的孔体积可以被确定。处理过的水可以随时间以一定体积从注入泵循环通过地下地层，所述一定体积表示所确定的孔体积的大约2 至6倍。在水被处理后可以测试水。测试处理过或部分处理过的水可以包括在至少两孔体积的水已经循环通过地下地层之后测试所述水，以符合规定的地下水标准。例如，规定的地下水标准可以包括科罗拉多州环境监管机构的规定。在确定地下地层中的水已经满足规定的地下水标准后，处理过的水的循环可以被中断。在产生烃流体预先确定的时间段之后，并且在将水循环进入注水井之前，可以允许地下地层进行冷却。多个烃生产井的一个或多个可以被转换为一个或多个出水井。在另一个一般方面，在水处理设备处处理水的方法，所述水已经循环通过页岩油开发区中的地下地层，并且所述地下地层包括由于地层烃的热解已经枯竭的页岩，所述方法包括在水处理设备处接收所述水。在水处理设备处处理水以(i)充分地从水中分离出油，( )充分地从水中除去有机物质，(iii)充分地减小水的硬度和碱度，(iv)充分地从水中除去溶解的无机固体，和/或(ν)充分地从水中除去悬浮的固体，由此提供处理过的水。 处理过的水被传输至泵并再注入地下地层以通过枯竭页岩淋滤出污染物。该方面的实施可以包括一个或多个以下特征。例如，水可以在处理之后进行测试。 污染物可以包括有机化合物、重金属化合物和离子种类。有机化合物可以包括苯、甲苯、二甲苯、三甲基苯、蒽、萘、芘和/或其组合。重金属污染物可以包括砷、铬、汞、硒、铅、钒、镍、 锌和/或其组合。离子种类可以包括硫酸根、氯根、氟根和/或其组合。污染物可以包括硼。 水处理设备可以包括一个或多个加气浮选分离器。处理水以充分地从水中分离出油可以包括使水通过一个或多个加气浮选分离器。处理水以充分地从水中除去悬浮的固体可以包括部分地使水通过一个或多个加气浮选分离器。水处理设备可以包括一个或多个多孔介质过滤器，处理水以充分地从水中除去悬浮的固体可以包括使水通过一个或多个多孔介质过滤
器ο水处理设备可以包括一个或多个重力分离器。处理水以充分地从水中分离出油可以包括使水通过一个或多个重力分离器。水处理设备可以包括一个或多个生物氧化反应器。处理水以充分地从水中除去有机物质可以包括使水通过一个或多个生物氧化反应器。 处理水以充分地从水中除去有机物质可以包括使水通过包含活性炭、漂白土或两者的吸附介质。在水通过一个或多个加气浮选分离器之后，水可以通过一个或多个生物氧化反应器。 水处理设备可以包括一个或多个热石灰软化器。处理水以便充分地减小水的硬度和碱度可以包括使水通过一个或多个热石灰软化器。水处理设备可以包括一个或多个热石灰软化器。处理水以便充分地减小水的硬度和碱度可以包括使水通过一个或多个热石灰软化器。 在使水通过一个或多个生物氧化反应器之后，水可以通过一个或多个热石灰软化器。除去硬度可以包括充分地除去钙离子和镁离子。除去碱度可以包括充分地除去碳酸盐和碳酸氢盐种类。水处理设备可以包括一个或多个反渗透过滤器。处理水以便充分地除去碱度可以包括，在使水通过一个或多个热石灰软化器之后，使水通过一个或多个反渗透过滤器。水处理设备可以包括一个或多个热石灰软化器和一个或多个反渗透过滤器。处理水以便充分地减小水的硬度和碱度可以包括使水通过一个或多个热石灰软化器和一个或多个反渗透过滤器。在水通过一个或多个生物氧化反应器之后，水可以通过一个或多个热石灰软化器和一个或多个反渗透过滤器。水处理设备可以包括一个或多个反渗透过滤器。处理水以便充分地从水中除去溶解的无机固体可以包括使水通过一个或多个反渗透过滤器。在水通过一个或多个加气浮选分离器之后，水可以通过一个或多个反渗透过滤器。水处理设备可以包括一个或多个多孔介质过滤器。处理水以便充分地从水中除去悬浮的固体可以包括使水通过一个或多个多孔介质过滤器。在水通过一个或多个加气浮选分离器之后，水可以通过一个或多个多孔介质过滤器。处理过的水循环通过的一部分地下地层的孔体积被确定。从泵再注入处理过的水可以包括随时间注入一定体积的处理过的水，所述一定体积表示所确定的孔体积的大约2至6倍。测试水可以包括测试水以符合规定的地下水标准。规定的地下水标准包括科罗拉多州环境监管机构的规定。在确定地下地层中的水已经满足规定的地下水标准后，处理过的水的再注入可以被中断。地层烃可以包括油页岩或其它重烃如浙青砂。在另一个一般方面，从开发区的地下地层采收烃的系统可以包括至少一个原位热源，其被配置为使用原位热向地下地层施加热以将地层烃热解为烃流体。系统包括至少一个用于生产烃流体的烃生产井、至少一个注入泵和至少一个注水井。所述至少一个注入泵被配置为将水泵入所述至少一个注水井。系统包括在开发区地表的水处理设备。水处理设备与至少一个注入泵和至少一个注水井流动连通，所述流动连通允许水从一个或多个注水井循环通过地下地层，进入一个或多个出水井，并上至在开发区地表的水处理设备。水处理设备可以被配置为通过以下处理方法的两种或更多种处理所述循环的水(i)充分地从水中分离出烃，( )充分地从水中除去有机物质，(iii)充分地减小水的硬度和碱度，(iv)充分地从水中除去溶解的无机固体，和/或(ν)充分地从水中除去悬浮的固体。地层烃可以包括重烃如油页岩或浙青砂。原位热源可以包括一个或多个电阻热源。提供了从开发区中的地下地层采收烃的方法。一方面，方法包括使用原位热向地下地层施加热以便将地层烃热解为烃流体，然后从多个烃生产井生产烃流体持续期望的时间期间。优选地，地层烃包括固体烃。固体烃可以是例如油页岩。在该情况下，开发区可以是页岩油开发区。方法也可以包括从开发区地表处的注入泵将水循环并至一个或多个注水井中，并进一步将水循环通过地下地层，进入一个或多个出水井，并返回地表处的水处理设备。优选地，在期望的时间期间之后，水被循环进入注水井之前，地下地层允许被冷却。方法也可以包括在水处理设备处处理水。处理水的目的是(i)充分地从水中分离出油，( )充分地从水中除去有机物质，(iii)充分地减小水的硬度和碱度，(iv)充分地从水中除去溶解的无机固体，和(ν)充分地从水中除去悬浮的固体，由此提供处理过的水。一方面，水处理设备包括一个或多个加气浮选分离器。此外，水处理设备可以包括一个或多个重力分离器。在这些情况下，处理水以充分地从水中分离出油包括使水通过一个或多个加气浮选分离器以及任选地一个或多个重力分离器。另一方面，水处理设备包括一个或多个生物氧化反应器。在该情况下，处理水以充分地从水中除去有机物质可以包括使水通过一个或多个生物氧化反应器。优选地，在水通过一个或多个加气浮选分离器之后，使水通过一个或多个生物氧化反应器。另一方面，水处理设备包括一个或多个热石灰软化器。在该情况下，处理水以充分地减小水的硬度和碱度包括使水通过一个或多个热石灰软化器和一个或多个反渗透过滤器。优选地，在水通过一个或多个生物氧化反应器之后，使水通过一个或多个热石灰软化器和一个或多个反渗透过滤器。另一方面，水处理设备包括一个或多个固体过滤器如多孔介质过滤器。在该情况下，处理水以充分地从水中除去悬浮的固体可以包括使水通过一个或多个多孔介质过滤器。优选地，在水通过一个或多个热石灰软化器之后，使水通过一个或多个多孔介质过滤
ο方法也可以包括在处理水之后测试水。测试的目的是确定符合规定的地下水标准。例如，标准可以是美国科罗拉多州或另一个州的监管机构建立的环境标准。方法也可以包括以下步骤确定处理过的水循环通过的一部分地下地层的孔体积，然后从注入泵将处理过的水随时间以一定体积循环通过地下地层，该一定体积表示所确定的孔体积的大约2至6倍。优选地，在至少两孔体积的水已循环通过地下地层之后，测试水。本文也提供了在水处理设备处处理水的方法。一方面，水已被循环通过页岩油开发区的地下地层。地下地层包括由于地层烃的热解而已枯竭的页岩。在一个实施方式中，方法包括在水处理设备处接收水，并在设备处处理水以便(i)充分地从水中分离出油，(ii) 充分地从水中除去有机物质，(iii)充分地减小水的硬度和碱度，(iv)充分地从水中除去溶解的无机固体，和(ν)充分地从水中除去悬浮的固体。方法进一步包括将已在地表设备处处理过的水作为处理过的水传输至泵，并且将处理过的水再次注入地下地层以持续通过枯竭页岩淋滤出迁移性污染物种类。迁移性污染物种类可以包括例如有机化合物。有机化合物可以包括苯、甲苯、二甲苯、三甲基苯、蒽、萘、芘、硼或其组合。可选地，或附加地，迁移性污染物种类可以包括重金属化合物。重金属化合物可以包括例如砷、铬、汞、硒、铅、钒、镍、锌或其组合。可选地，或附加地，迁移性污染物种类可以包括离子种类。离子种类可以包括硫酸根、氯根、氟根或改变地下地层中水的PH的其它物质。方法还可以包括确定处理过的水循环通过的一部分地下地层的孔体积。然后从泵再注入处理过的水的步骤可以包括随时间注入一定体积的处理过的水，该一定体积表示所确定的孔体积的大约2至6倍。再注入的水通过出水井采出并返回水处理设备。方法也可以包括在处理后测试水。这可以意味着例如测试水以符合规定的地下水标准。规定的地下水标准可以是科罗拉多州或另一个州的环境监管机构的规定。然后方法可以包括，在确定地下地层中的水已经满足规定的地下水标准后，中断处理过的水的循环。附图简述为了能够更好地理解本发明，在此附上一些图、图表、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是例证性烃开发区域的横截面等距视图。该地下区域包括限定地下地层的富含有机物岩石基体。图2A-2B表示图解了在一种实施方式中从富含有机物岩层原位热回收油和气的一般方法的统一流程图。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侧视图。
图4提供例证性加热井模式的平面图。在各自的生产井周围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干馏工艺前后的一吨Green River油页
山。图6是用于地下地层开发的示例性表面处理设备的工艺流程图。图7是流程图，显示在地层烃热解后可以在来自水处理设备的、通过地下地层的循环水中进行的步骤。图8A和8B —起呈现本发明一个实施方式中的水处理设备的示意图。图9是流程图，其显示在一个实施方式中可以在从开发区的地下地层中采收烃中进行的步骤。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下、在加工条件下或在环境条件(15°C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(producedfluids) ”和“产出液(production fluids)” 是指从包括例如富含有机物岩层在内的地下地层移出的液体和/或气体。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。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和一个大气绝对压强下冷凝的那些烃。 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和一个大气绝对压强下不冷凝的那些烃。非冷凝烃可以包括碳数小于5的烃。如本文所用，术语“重烃Qieavy hydrocarbons) ”是指在环境条件(15°C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/或浙青。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。非限制性实例包括干酪根、煤、不纯石墨、浙青岩和天然地蜡。如本文所用，术语“地层烃(formation hydrocarbons) ”是指在富含有机物岩层中包含的重烃和固体烃。地层烃可以是但不限于干酪根、油页岩、煤、浙青、焦油、天然地蜡和
浙青岩。如本文所用，术语“焦油”是指在15°C下粘度一般大于约10，000厘泊的粘性烃。 焦油的比重一般大于1.000。焦油的API比重可小于10度。“浙青砂(tar sands) ”指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。油页岩含有干酪根。如本文所用，术语“浙青”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(subsurface) ”是指出现在地球表面以下的地质层。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按体积计5%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。富含有机物岩石可包含干酪根。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/或下伏岩层。“上覆岩层”是目标地层上面的地质物质，而“下伏岩层，，是目标地层下面的地质物质。上覆岩层或下伏岩层可包括一个或多个不同类型的基本上不可渗透性物质。例如，上覆岩层和/或下伏岩层可包括岩石、页岩、泥岩或湿/紧密碳酸盐(即不含烃的不可渗透性碳酸盐)。上覆岩层和/或下伏岩层可包括相对不可渗透的含烃层。在某些情况下，上覆岩层和/或下伏岩层可以是渗透性的。如本文所用，术语“富含有机物岩层”是指任何含有富含有机物岩石的地层。富含有机物岩层包括，例如，油页岩地层、煤地层和浙青砂地层。如本文所用，术语“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或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、或二氧化碳中得到。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 (CO3) (OH)2)或其组合。大量的溶解可需要热水和/或非中性PH溶液。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“迁移性污染物种类(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。迁移性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，其可显著改变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、窟和芘。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、锌、锂、铁和锶。离子污染物包括，例如，硫根(sulfide)、 硫酸根、氯根、氟根、氨、硝酸根、钙、镁和钾。如本文所用，术语“下沉”是指地表相对于该地表的原始海拔向下移动。
如本文所用，术语层的“厚度”是指层横截面的上下边界之间的距离，其中该距离是与该横截面的通常斜面垂直地测量的。如本文所用，术语“热压裂(thermal fracture) ”是指地层中所产生的压裂，所述压裂是通过一部分地层和/或地层内流体的膨胀或收缩直接或间接引起的，该膨胀或收缩又是由于加热通过增加/降低该地层和/或该地层内流体的温度和/或通过增加/降低该地层内流体的压强而引起的。热压裂可以传播到比加热区域冷很多的附近区域或者在该附近区域形成。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。尽管使用术语“水力压裂”， 但是本文的发明不限于在水力压裂中使用。本发明适合在以任何方式产生的、本领域普通技术人员考虑适合的任何压裂中使用。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。本发明连同某些具体实施方式
在本文被描述。然而，就下面的详述具体到特定实施方式或特定应用来讲，这意图只是例证性的并且不应当解释为限制本发明的范围。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。自然资源可以从含有富含有机物岩石的地层包括例如油页岩地层回收。富含有机物岩石可包括地层烃，其包括例如于酪根、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Na2HCO3)、碱灰 (碳酸钠或Na2CO3)和片钠铝石(NaAl (CO3) (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12下面是各种地下地层20。地层20包括例如富含有机物岩层22和其下的不富含有机物岩层观。图解的富含有机物岩层22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22可以是任意富含有机物岩层，例如，其包括含有煤或浙青砂的岩石基体。此外，构成地层22的岩石基体可以是渗透性的、半渗透性的或基本非渗透性的。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22以及从中回收自然资源，形成了多个井筒。首先，某些井筒14沿所示开发区域12的外周被示出。这些井筒14最初被设计用作加热井。加热井提供热解富含有机物岩层22中的烃固体的热。在热解过程之后，外周井筒14可被转换为注水井。选择的注入井14用向下的箭头“I”表示。图解的井筒14以所谓的“行列驱”排列。然而，如连同图4更充分讨论的，可以提供各种其他的排列。本文公开的发明不限定于加热井或注水井选择的排列或方法。附加井筒16以开发区域10内部的14显示。这些代表生产井。生产井的代表性井筒16相对于地表12在方向上基本上垂直。然而，应当理解，生产井的一些或全部井筒14 可以偏离成钝角或甚至水平的方向。选择的生产井16以向上的箭头“P”表示。在图1的排列中，每个井筒14、16在油页岩地层22中完井。完井可以是裸眼井或下套管井。生产井井筒16的井完成还可包括从中发散的支撑或未支撑的水力压裂。生产完成之后，这些内部井筒16的一些可以被转换成出水井。在图1的视图中，对于注入井，只有八个井筒14被显示，并且对于生产井，只有八个井筒16被显示。然而，应当理解，在油页岩开发项目中，许多附加的井筒14、16将被钻出。生产井的井筒16可定位在相对近的邻近，分开300英尺至低至10英尺。在一些实施方式中，提供15英尺或25英尺的井间隔。典型地，井筒16还可以在浅的深度处完井，其真实的垂直深度为200至5，000英尺。在一些实施方式中，以原位干馏为目标的油页岩地层在地表下大于200英尺的深度处，或可选地，在地表下大于400英尺的深度处。可选地，在 500和2500英尺之间的深度处发生转化和生产。如所述，井筒14、16在被转换为注水井和产油井和/或水溶性矿物溶液生产井之前，选择用于某些初始功能。一方面，形成井筒14、16的尺寸以用于指定顺序的两个、三个或四个不同目的。适合的工具和设备可以顺序地进入井筒14、16中和从井筒14、16中取出以用于各种目的。采出液处理设备60也在图1中示意地显示。处理设备60被安装以通过一个或多个管线或流线18接受产生自富含有机物岩层22中的流体。流体处理设备60可包括适于接受和分离从加热地层22产生的油、气和水的设备。流体处理设备60可进一步包括这样的设备，所述设备用于分离出溶解的水溶性矿物和/或迁移性污染物种类。用于分离出组分和处理产生的水的设备将在以下结合图6更充分地讨论。为了回收油、气和碳酸氢钠(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层原位热回收油和气的方法200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，鉴定油页岩开发区域12。该步骤显示在方框210中。油页岩开发区域包括油页岩(或其他富含有机物岩石)地层22。任选地，油页岩地层22包含苏打石或其它钠矿物。油页岩地层22内的目标开发区域12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地层22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源建立和解释深度、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/或钻井筒以从地下岩石获得岩心样品。在一些油田中，地层烃诸如油页岩可以存在于一个以上的地下地层中。在一些情况中，富含有机物岩层可以被不含烃的岩层或者具有很少或没有商业价值的岩层分开。因此，对于烃开发油田的经营者来说，可以期望分析将哪个地下富含有机物岩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，如果富含有机物岩层22包括至少一个厚度足以经济生产烃流体的含地层烃层，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，那么富含有机物岩层22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米的富含有机物岩层内的层。以这种方式，到富含有机物岩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。一个或多个富含有机物岩层的丰富度也可以被考虑。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、含氢指数以及修正的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，以及量化所产出的流体的量。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有价值的烃。当然，从既厚又丰富的地层生产烃是期望的。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，富含有机物岩层可以基于地层基体的渗透性或孔隙度选择以进行开发，即使地层的厚度相对薄。相反地，如果出现与含有地下水的地层流动连通的可能性，那么富含有机物岩层可被放弃。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、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。其次，多个井筒14、16横跨目标开发区10形成。该步骤示意地显示在方框215中。 井筒14、16的目标在上面阐述并且不需要再重复。但是，应当注意，为了方框215的井筒地层步骤的目的，最初只有一部分井需要完成。例如，在项目开始时，热注入井是需要的，而大部分烃生产井还不需要。生产井可以在一旦转换开始后引入，例如在加热4-12个月后。加热富含有机物岩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层(或者地层内的区域)升高至热解温度而原位热解。在某些实施方式中，地层温度可以被缓慢升高至热解温度范围。例如，原位转化过程可包括加热至少一部分富含有机物岩层以将该区域的平均温度以小于每天选定量(例如大约10°c、 5°〇、31、11、0.51或0.1°0的速度升高至大约270°C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，或者在一些实施方式中，小于 400 0C (752 0F )。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，即热解开始发生的温度范围下限处的温度。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270°C与约900°C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270°C与约500°C之间的温度。应当理解，石油工程师将研究出井筒14、16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或16应当用于初始地层22加热。该选择步骤通过方框220表示。关于热注入井，存在多种将热施加到富含有机物岩层22的方法。本文公开的方法不限于所应用的加热技术，除非在权利要求中明确地这样指明。加热步骤一般由方框225表不。富含有机物岩层22被加热至足以热解至少一部分油页岩以便将干酪根转化成烃流体的温度。转化步骤在图2中通过方框230表示。所形成的液体和烃气可以被精制成类似普通商业石油产品的产品。这样的液体产品包括运输燃料诸如柴油机、喷气机燃料和石脑油。产生的气体包括轻烷烃、轻烯烃、H2, CO2, CO和NH3。油页岩转化成烃流体将在起初不可渗透的地层22中的岩石中增加渗透性。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。蒸发的水可以溢出和/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。在一个实施方式中，富含有机物岩层在加热该富含有机物岩层之前具有小于1毫达西的初始总渗透性，可选地小于0. 1或0. 01毫达西。富含有机物岩层22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，热解至少一部分富含有机物岩层可以将该部分选定区内的渗透性增加至约1毫达西，可选地大于10毫达西、 50毫达西、100毫达西、1达西、10达西、20达西或50达西。因此，该部分选定区的渗透性可以增加大于大约10、100、1，000、10，000或100,000的因数。优选地，对于原位过程，方框225和230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。可选地，地层可被加热1至15年，可选地， 3至10年、1.5至7年、或2至5年。还有作为方框230的任选部分，地层22可以被加热至足以将至少一部分苏打石转化为碱灰的温度，如果存在苏打石的话。在这方面，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225和转化步骤230有关，富含有机物岩层22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235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层并将干酪根转化成油和气，地层22 的部分的渗透性可以经过热压裂形成和随后采出从干酪根产生的一部分烃流体而增加。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，其中注入流体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部分地层22中产生附加渗透性和/或被用于提供平面加热源。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)”的国际专利出版物WO 2005/010320描述了水力压裂的一种用途，并且其通过引用方式以其全部内容并入本文。该国际专利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，压裂在从水平井筒延伸的垂直方向上产生。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。应当注意，美国专利号3，137，347也描述了使用粒状导电材料连接地下电极用于原位加热油页岩。‘347专利设想粒状材料是热的主要来源直至油页岩经历热解。此时，油页岩本身被说成是电导性的。由于电流通过页岩油物质本身而在地层内产生的热和传导至周围地层的热被宣称产生了烃流体，用于生产。共同拥有的美国临时专利申请号61/109，369也是说明性的。该申请在2008年 10 月 29 ^1 ，g禾尔々“Electrically Conductive Methods for Heating a Subsurface Formation to Convert Organic Matter into Hydrocarbon Fluids (力口热地下地层以将有机物转化为烃流体的导电方法)”。该申请教导使用两种或更多种材料，所述材料置于富含有机物岩层内并具有不同的电阻性能。电流通过地层中的物质以产生电阻热。原位放置的物质提供电阻热而不在井筒附近产生热点。该未决申请中的技术公开内容通过引用以其整体并入本文。作为烃流体生产工艺200的部分，某些井筒16可被指定为油和气生产井。该步骤通过方框240进行描述。直到确定干酪根已经被充分干馏以允许来自地层22的油和气的稳定流，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14(方框225)已经运行几周或几月后才被钻井。因此，方框240可以包括用于生产的附加井筒16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16已经被指定作为油和气生产井后，油和/或气从井筒16中被采出。 油和/或气采出工艺被显示在方框M5中。在这个阶段(方框对幻，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倾向于保持基本上限制在富含有机物岩层22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23 期间产生的水中。因此，采出液可不但含有烃流体，而且含有包含水溶性矿物的含水流体。在这种情况中，在采出液处理设备60，采出液可被分成烃蒸汽和水蒸气。此后，水溶性矿物和任何迁移性污染物种类可从水蒸汽回收，如下面更充分讨论的。方框250表示油和气回收方法100中的任选下一步骤。这里，某些井筒14被指定为水或含水流体注入井。在生产井已经停止作业后，这是优选进行的。用于注入井的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改变 PH0可选地，其它种类可以反映微咸水的可用性，所述微咸水在希望从地下浙滤的种类中是不饱和的。优选地，用于注水井的井筒14选自最初用于热注入或油和/或气生产的井筒中的一些或全部。然而，方框250的步骤的范围可以包括用作专用注水井的仍然是附加的井筒14的钻井。注意，在图1的布置中，用于注水井的井筒14沿开发区域10的外周完井。这用作产生高压的边界。然而，如上讨论的，可以使用注水井的其他布置。其次，水或含水流体通过注水井被注入并且进入油页岩地层22。该步骤显示在方框255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。注入工艺可进一步引起压裂。该工艺可以在距离注水井筒14 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”顶端以防止垂直生长。随着某些井筒14被指定为注水井，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。该步骤显示在方框沈0中。这些井可以与用于先前生产烃的井相同。这些采收井可被用于产生溶解的水溶性矿物的水溶液。例如，该溶液可以主要是溶解的碱灰的溶液。该步骤显示在方框沈5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265包括使用同一井筒14用于水注入和水或水溶液生产的选择(方框265)。在一个方面，在完成开采后，操作员可计算油页岩地层的孔体积。然后，操作者循环等于一孔体积量的水，其主要目的是产生溶解的碱灰和其他水溶性钠矿物的水溶液。然后，操作员可循环等于二、三、四、五或甚至六额外孔体积量的水，其目的是浙滤出任何残留的水溶性矿物和其他非含水种类，包括例如烃和迁移性污染物种类。携带采出的水或淋滤物通过水处理设备，如以下结合图7至9所描绘的。注入水、然后采出具有浙滤出的矿物的注入水的步骤在方框270中显示。在热解过程中，通过产生其中地层温度被保持在热解温度以下的外周区域，获得烃流体和迁移性污染物种类的迁移。优选地，地层温度被保持在原位水的冷冻温度以下。 将地下冷冻用于稳定加固差的土壤或者给流体流动提供挡板在本领域中是已知的。Shell Exploration and Production Company(壳牌勘探和生产公司)已经在几个专利中讨论了将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。冷冻壁可通过穿过周边的井循环制冷剂以大大降低岩层22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。这用于防止热解流体迁移入油田外的地下水。一旦烃开采开始，控制烃和迁移性污染物种类的迁移也可以通过选择性布置注入井16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离开该区域。注入井可以注入水、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。水通过页岩油地层的循环在图3的一个实施方式中示出。图3表示烃开采情况下的油田300。图3是在油田300内的例证性油页岩地层22的横截面图。地层22在地下水含水层内或连接到地下水含水层以及地层淋滤操作。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12下面，并且被分为上部含水层30和下部含水层32。上部30和下部32含水层中间是弱透水层31。可以看出，地层22的某些区域既是含水层或弱透水层又是油页岩区域。一对井34、36被显示穿过含水层30、32垂直向下前进。这些井中一个被充当注水井34，而另外一个充当出水井36。以这种方式，水通过至少较低的含水层32进行循环38。图3图解显示了穿过被加热的油页岩体积37的水循环38，所述油页岩体积位于下部含水层32内或者与下部含水层32相连，并且烃流体先前从油页岩体积37中回收。通过注水井34将水注入促使水进入预先加热的油页岩37，水溶性矿物和迁移性污染物种类被冲到出水井36。水然后可以在水处理设备(没有示出)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。水被再注入到油页岩体积37中并重复地层淋滤。该用水淋滤意欲持续直至先前加热的油页岩区37中迁移性污染物种类的水平处于环境可接受的水平。这可能需要1个循环、2个循环、5个循环或更多循环的地层浙滤，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10中可能有许多水注入井34和出水井36。此外， 该体系可包括在油田的选定点放置的一个或多个监控井39。监控井39可以在油页岩加热阶段、页岩油生产阶段、浙滤阶段或者在这些阶段任意组合期间使用，以便监控迁移性污染物种类和/或水溶性矿物。此外，监控井39可被配置有测量井筒内温度、压力和/或流体性质的一个或多个仪器。在一些实例中，生产井也可用作监控井或者以另外方式实施。如上所示，几个不同类型的井可被用于富含有机物岩层的开发，包括例如油页岩油田。例如，富含有机物岩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。一方面，电阻热主要由从井筒注入地层的电导材料产生。电流然后通过导电材料以使电能转化为热能。通过传热，热能被传输至地层以加热富含有机物岩层。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，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目的。换一种说法就是，初始完成用于一种目的的井后来可用于另一目的，由此降低项目成本和/或减少执行某些任务所需要的时间。例如，一个或多个生产井也可被用作随后将水注入富含有机物岩层中的注入井。可选地，一个或多个生产井也可被用作出水井，用于随后将水溶液循环通过富含有机物岩层以便淋滤出迁移性污染物种类。在其它方面，生产井(以及在一些情况中加热井)最初可被用作脱水井(例如在加热开始前和/或当加热最初被启动时)。此外，在一些情况中，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。期望的是以预先计划的布井方式为油页岩油田安排加热井和生产井。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勻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。
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(21 米)。一部分地层可以用加热井加热，所述加热井基本上与烃地层的边界平行地放置。在可选的实施方式中，加热井的排列可以被这样放置，使得每个加热井之间的距离可以小于约 100英尺、或50英尺、或30英尺。无论加热井的排列或之间的距离如何，在某些实施方式中，在富含有机物岩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。在加热井之间散布的典型地是一个或多个生产井。在一个实施方式中，单个生产井被至多一层加热井环绕。这可包括排列诸如5点、7点或9点阵列，其中生产和加热井交互成行。在另一实施方式中，两层加热井可以环绕生产井，但是其中加热井是错列的，以便存在无障碍通道用于远离另外的加热井的大部分流动。可以应用流动和储层模拟以评估原位产生的烃流体在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，加热井排列使用第一层加热井410，其被第二层加热井420环绕。第一层410中的加热井以431被提及，而第二层420中的加热井以432被引用。生产井440被显示在井层410和420中央。应当注意，相对于生产井440，井第二层420中的加热井432与井第一层410中的加热井431有所偏移。目的是为转化的烃提供这样的流动通道，其使加热井第一层410中的加热井附近的行程最小化。这又使得当烃从第二层井420流动到生产井440时从干酪根转化的烃的二次裂化最小化。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。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安排，使得通过热从第二层420中的每个加热井 432中产生的大部分烃能迁移到生产井440，而基本上不通过第一层410中的加热井431附近。两层410、420中的加热井431、432进一步可以被这样安排，使得通过热从第二层420 中的每个加热井432中产生的大部分烃能迁移到生产井440，而不通过基本上增加地层温度的区域。在一些情况中，期望使用在特定方向上伸长的井网，尤其在确定来提供最有效导热率的方向。热对流可以受不同因素影响，诸如层面和地层内的应力。例如，热对流可在与地层上最小水平主应力垂直的方向更有效。在一些情况中，热对流可在与最小水平主应力平行的方向更有效。可以进行伸长，例如以行列驱井网或点布井方式。与油页岩油田的开发相关，可期望的是，按照步骤230和235热通过地下的前进是均勻的。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可能不均勻进行。油页岩特性和地层结构的不均勻性可以使得某些局部区域在热解方面更有效或效率更低。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勻分布，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。不均勻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勻的流动和回收。采出油质量、总生产速率和/或最终的回收可能减少。
为了检测不均勻的流动条件，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处理或者被输入进行详细的模拟，以达成如何调节加热井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，利用来自两个或更多个井的流速、组成、温度和/或压力数据作为计算机算法的输入以控制加热速率和/或生产速率。井内或井附近的未测量条件然后被评估并用于控制井。例如，原位压裂行为和干酪根熟化基于来自一组井的热、流动和组成数据进行评估。在另一实例中，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上的条件而得以减少。某些井可只具有有限的一组传感器 (例如仅仅井口温度和压力)而其它井具有更大的一组传感器(例如井口温度和压力、井底温度和压力、生产组成、流速、电信号、套管应变等)。如上所示，有多种将热施加到富含有机物岩层的方法。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。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，在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1拟8年授予Crawshaw。自从1拟8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。在油和气资源的生产中，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资源。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士 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CO2含量。因此，在生产方法的某些实施方式中，燃料气的(X)2 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 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吐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。如所述，例如通过热解加热富含有机物岩层内的地层烃的方法可以产生流体。热生成的流体可包括地层内蒸发的水。此外，加热干酪根的作用产生加热后倾向于膨胀的热解流体。生成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下进行测量。加热富含有机物岩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层，富含有机物岩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，可使由地层内生成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。一旦热解在富含有机物岩层内已经开始，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然后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度可能增加。任何有效地从油页岩产生油和气的原位方法将在原先非常低渗透性的岩石中产生渗透性。这发生的程度通过大的膨胀量阐明，如果从干酪根产生的流体不能流动，必须具有所述膨胀。该观点在图5中被阐明。图5提供了一柱状图，其比较了在模拟的原位干馏工艺之前50和之后51的一吨 Green River油页岩。模拟的过程是在2，400psi和750 0F (约400°C )下、在总有机碳含量 22wt. %以及Fisher试验42加仑/吨的油页岩上进行的。转化前，存在总共16. 5ft3的岩石基体52。该基体包括嵌入在页岩内的8. 4ft3的矿物53，即白云石、石灰石等以及8. Ift3 的干酪根M。由于转化该材料膨胀至沈.lft%5。这提供了 8. 4ft3的矿物56(与转化前相同的数目)、6.6ft3的烃流体57、9.4ft3的烃蒸汽58以及2. 9ft3的焦炭59。可以看出，基本的体积膨胀发生在转化过程期间。这又增加了岩石结构的渗透性。流体开始从地下地层产生后，流体将被处理。图6图解了产出液处理设备60的一种实施方式的示意图，所述产出液处理设备60可被配置来处理采出液。采出液85可以通过生产井71从在84处示意性示出的地下地层中生产。地下地层84可以是包括例如富含有机物岩层的任何地下地层，所述富含有机物岩层例如包括油页岩、煤或浙青砂。在示例性的表面设备70中，将采出液淬火72至300 T、 200 者甚至100 T以下的温度。这用于分离出可冷凝成分(即油74和水75)。采出液85可包括通过本文描述的任何方法生产的任何采出液。在原位油页岩生产的情况中，采出液含有大量可在流体处理设备60中分离的成分。采出液85典型地包含水78、非冷凝烃烷烃种类(例如甲烷、乙烷、丙烷、正丁烷、界丁烷)、非冷凝烃烯烃种类(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。在地表设备例如采出液处理设备60中，可冷凝成分74可以通过降低温度和/或增加压力从非冷凝成分76中分离出来。温度降低可以利用被周围空气或可利用的水72冷却的热交换器实现。可选地，热的采出液可以通过与先前冷却的采出烃液热交换进行冷却。压力可以通过离心式或往复式压缩机增加。可选地，或者联合地，扩散器-膨胀器装置可被用于从气流冷凝出液体。分离可以涉及冷却和/或压力变化的几个阶段。在图6的布置中，采出液处理设备60包括油分离器73，其用于将液体或油74与烃蒸汽或气体76分离。在气体处理单元77中处理非冷凝蒸汽成分76以去除水78和硫种类79。在天然气厂81中从气体(例如丙烷和丁烷)中去除较重的成分以形成液态石油气 (LPG)80。LPG80可被进一步冷却并装入卡车或管道，进行销售。当降低温度或增加压力时，除了可冷凝烃外，水78可以从气体76中滴出。气体处理77后，液态水可以通过重力沉降器或离心分离器与可冷凝烃分开。在图6的布置中，可冷凝流体78被发送回油分离器73。在油分离器73，水75与油74分离。优选地，油分离73过程包括使用破乳剂促进水分离。水78可被引导至分离的水处理设备进行处理，并任选地进行储存用于以后再注入。产出液处理设备60也在电厂88中操作以产生电能82。至此，残留气体83被用于产生电能82。电能82可被用作通过本文描述的任何方法加热地下地层84的能源。例如， 电能82可以在高压例如132，000V下输入变压器86，并且在被输入到位于加热井87——其位于地下地层84中——中的电阻加热器元件89之前逐步下降至更低的电压例如6600V。 以这种方式，加热地下地层84所需的全部或部分能量可以从采出液85的非冷凝成分76中产生。过量的气体——如果有的话——可以被输出销售。一些生产过程包括在从富含有机物岩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地、基本上或完全地去除水溶性矿物。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，水溶性矿物的去除通过本领域中已知的任何商业溶液采矿操作进行。基本上去除水溶性矿物可近似为去除富含有机物岩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，富含有机物岩层的原位加热以热解地层烃可以在从富含有机物岩层去除按重量计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为了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，碱灰可在地表上被容易地转化回苏打石。这种转化可容易地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水溶液以去除一部分水溶性矿物。该处理步骤可包括通过改变水溶液的温度引起沉淀而除去水溶性矿物。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 (CO3) (OH)2或其组合。表面处理可进一步包括在地表设备中通过与(X)2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，水溶液可被再注入到地下地层，在那里它可以被包藏。该地下地层可以与原始富含有机物岩层相同或不同。在一些生产方法中，加热富含有机物岩层既热解至少一部分地层烃以产生烃流体又使得在富含有机物岩层中先前结合的迁移性污染物种类可以得到。迁移性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。在富含有机物岩层中存在的或注入其中的水或其它含水流体中，迁移性污染物种类可以是可溶的。与从岩石基体特别是浅深度的那些岩石基体开采烃相关，对于地表下沉可能存在担忧。在原位加热富含有机物岩石中——其中一部分基体本身被热转换并被移除，尤其如此。最初，例如，地层可含有固体形式的地层烃，例如干酪根。最初，地层也可含有水溶性矿物。最初，地层也可以是流体流基本上不可渗透的。原位加热基体热解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结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。在一些情况下，期望最小化下沉以避免环境或水文地质影响。在这方面，甚至几英寸地改变地表的等高线和地形可能改变径流(rimoff)型式、影响植被型式以及影响分水岭。此外，下沉具有损坏在生产区域中完井的加热井、监控井和注入井的可能。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应力以及压应力。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。这有助于保存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层的厚度的主要部分。加热速率和地层内的热分布可以被设计和执行，以便留下足够的未熟化柱以防止下沉。一方面，热注入井筒在布井中形成，从而油页岩未处理的柱被留在其间以支撑上覆岩层和防止下沉。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层内的条件变化。控制热和/或富含有机物岩层中选定部分的加热速率可以增加或减少选定的采出液的生产。在一个实施方式中，操作条件可以通过测量富含有机物岩层的至少一种特性进行确定。测量的特性可以被输入到计算机可执行程序中。从地层中生产的采出液的所选至少一种特性也可以被输入到计算机可执行程序中。该程序可以是可操作的，以从至少一个或多个测量的特性中确定一组操作条件。该程序也可以被配置以从所选择的采出液的至少一种特性确定该组操作条件。照此，所确定的这组操作条件可以被配置以增加从该地层生产选定采出液。某些加热井实施方式可包括例如通过绝缘导体或其它类型的线路与任何加热井连通的操作系统。该操作系统可以被配置以与加热井对接。操作系统可以接受来自加热器的信号(例如电磁信号)，其表示加热井的温度分布。此外，操作系统可以被进一步配置以本地控制或遥控加热井。例如，操作系统可通过改变与加热井连接的设备的参数，改变加热井的温度。因此，操作系统可以监控、改变和/或控制至少一部分地层的加热。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。
在采出液71已从地层84生产期望的时间期间之后，将水注入地层84可能是期望的。这通过使水通过一个或多个泵、然后进入注水井来完成。一个或多个注水井可以是转化的加热井或转化的生产井。在一个方面，在完成开采后，操作员可计算油页岩地层的孔体积。然后，操作员循环等于一孔体积量的水。其主要目的可以是产生溶解的碱灰和其他水溶性钠矿物的水溶液。可以将其它成分淋滤出地层，包括油和迁移性污染物种类。以这种方式，通过减少油页岩地层内和其附近的含水层的可能污染物，可以以可对环境负责的方式进行操作。注入水通过出水井被采收返回地表。出水井可以是例如转化的加热井和/或转化的生产井。当水返回至地表时，其被引入水处理设备。本文公开了用于将水循环至水处理设备的方法700。图7是显示可以在循环并处理水的方法700中进行的步骤的流程图。方法700包括在水处理设备处接收水。该步骤显示在图7的方框710。所接收的水是从已经历加热的地下底层采收的水。水可以是在生产操作(示于图6)期间从采出液71获得的水75、78。水也可以是先前循环通过地下地层并且现在包含痕量的烃、钠矿物、固体颗粒和迁移性污染物种类中任一种的水。方法700也包括在水处理设备处处理水。该步骤在图7的方框720显示。这是专用的水处理设备，其优选地与产出液处理设备60分离。存在众多处理水的目的。首先，分离出与所接收的水乳化或混合的油是期望的。可以通过使用重力沉降器、 离心分离器或其它本领域已知的分离器来分离油和水。破乳剂可以被用作分离方法的一部分。可选地或附加地，可以使用一个或多个加气浮选分离器来分离油和水。第二，从水中除去有机物质尤其是迁移性污染物种类是期望的。在该方面，由热解油页岩生产烃一般将留下一些至少部分地是水溶性的迁移性污染物种类。潜在的迁移性污染物种类的类型取决于油页岩热解的性质和被转化的油页岩的组成。如果在不存在氧或空气的条件下进行热解，污染物种类可以包括芳烃(例如苯、甲苯、乙基苯、二甲苯和三甲基苯)，聚芳烃(例如蒽、芘、萘、屈)、金属污染物(例如AS、Co、Pb、Mo、Ni、Al、K、Mg和Si)以及其它种类如硫酸盐、氨、氯化物、氟化物和酚类。如果利用氧或空气，污染物种类也可以包括酮、醇和氰化物。进一步，存在的具体迁移性污染物种类可以包括上述种类的任何亚组或组合。其它类型的迁移性污染物种类结合定义部分在以上列出。通过使用一个或多个生物氧化反应器可以从水中除去有机物质。生物氧化是自然反应，藉此微生物被用于捕获有机物质中的能量并使用该能量用于氧化过程。本质上，有机物质是食物，氧化过程是消化。微生物是需氧细菌。需氧细菌分解可见于迁移性污染物种类中的含氧化合物并释放少量有害物质。生物氧化的最终副产物是CO2、水和惰性生物固体。使用该技术，重金属和固体可以在生物固体中固结。例如，可以以下述方式将苯氧化为CO2和H2O i. C6H6+02 — C02+H20生物氧化反应器允许发生生物氧化而不引起温度或能量消耗的大幅度增加。合适的生物氧化反应器的例子是用于处理家庭污水和工业废水的活化污泥法。第三，减小水的硬度和碱度是期望的。硬度一般指钙和镁离子。碱度一般指碳酸盐、碳酸氢盐和氢氧化物种类。可以通过使用一个或多个热石灰软化器来减少硬度和碱度。通过使水通过一个或多个反渗透过滤器可以进一步减小碱度。第四，除去溶解的无机固体是期望的。这些可以包括来自水的无机迁移性污染物种类如重金属化合物。重金属化合物可以包括例如砷、铬、汞、硒、铅、钒、镍、锌或其组合。可选地或此外地，溶解的无机固体可以包括离子种类。离子种类可以包括硫酸根、氯根、氟根、 锂、钾、氨或改变地下地层中水的PH的其它物质。一些溶解的无机固体可以在热石灰软化器中被回收为沉淀物，而其它可以通过反渗透然后是热石灰软化而除去。溶解的无机固体可以指各种阳离子如铁(狗)、砷(As)、铬 (Cr)、铝(Al)、硒(Se)、氯根(CF)、钾(K)、钠(Na)、硝酸根(NO3O、硫酸根(SO42O、氟根(F—) 和二氧化硅(SiO2)。可以通过使用一个或多个反渗透过滤器来除去溶解的无机固体。反渗透过滤器本质上提供分子水平上的无机固体过滤。水压迫使水通过半透膜，同时阻碍溶解的固体通过。最后，从水中除去悬浮的无机固体是期望的。在一定程度上，当使用空气浮选系统时，除去固体与从水中分离油结合发生。通过使水通过固体过滤系统如一个或多个多孔介质过滤器提供进一步除去固体。方法700接下来包括将已经在地表设备处处理过的水作为处理过的水传输至泵站。该步骤呈现在图7的方框730。处理过的水被处理为基本上除去油、无机沉淀物、无机溶解固体和有机污染物种类。接下来，处理过的水被再注入地下地层。该步骤示于图7的方框740。再注入处理过的水的目的是将水循环通过地下地层，到达一个或多个出水井，然后返回地表设备。以这种方式，仍有其它迁移性污染物种类和其它物质通过枯竭页岩(或其它已热解地层)淋滤出来。方法700可以进一步包括确定处理过的水将循环通过的一部分地下地层的孔体积。该步骤呈现于图7的方框750。这是为了淋滤出任何残余的水溶性矿物和其它非水性种类，包括例如烃和迁移性污染物种类。应当理解，确定孔体积的步骤750可以在步骤710 之前进行。方法700也包括使至少一个额外孔体积的处理过的水循环通过地下地层并返回水处理设备。其示于方框760。为了更完全地说明在水处理设备处处理水的步骤720，提供了示例性水处理设备 800的示意图。图8A和8B—起表示显示本发明一个实施方式中的水处理设备800的示意图。水处理设备800被设计为处理这样的水其已经循环通过枯竭油页岩或一些其它热解后的富含有机物岩层。在图8A中，烃开发区示意性地显示为10。这与用于图1的开发区编号相同。开发区10具有地表12。应当理解，水处理设备800位于地表12上。地表之下是地下地层20。 富含有机物岩层22显示为地下地层20的一部分。可见，水注入流88流入开发区10。应当理解，水注入流88表示正被注入页岩油地层22的水的流动。这可以通过一个或多个注水井来完成(如图1的井14)。在操作中，水循环通过页岩油地层22，然后通过注水井原位产生的压力至一个或多个出水井(如图1的生产井16)，然后直至地表12。在图8A中，显示水生产流81。应当理解，水生产流81表示正通过一个或多个出水井产生的水性流体的流动。水生产流81被显示流入水处理设备800。一个或多个阀(由阀801代表)沿流体生产流81放置以调节包含水生产流81的水性流体向水处理设备中的流动。增压泵(未显示)优选地与阀(一个或多个)801串联放置以提供水进入水处理设备800时的压力。一般而言，水处理设备800包括油/水分离器810、生物氧化系统820、一个或多个热石灰软化器处理器830、一个或多个多孔介质过滤器840以及任选地反渗透过滤器850。 此外，水处理设备800包括洁净水储存设备844，其连接通向水注入流88的水输送线88' 和/或88"。应当注意，水生产流81不必是水进入水处理设备800的唯一来源。在一些情况下， 页岩油开发区10可以仍在进行烃生产。在该情况下，烃生产将持续进入生产设备，如结合图6显示和描述的产出液处理设备60。在该情况下，在设备60中分离出来的产出水75也可以被输送至水处理设备800。在图8A中，示意性地显示生产设备60。生产流被显示在生产线71处进入生产设备。可见，分离的油74和分离的气83离开产出液处理设备60。此外，可见，分离的水75离开设备60。离开产出液处理设备60的水75可以被立即引导回油页岩地层22。在该情况下，引入水处理设备800的阀601被关闭，引至水注入流88的分离阀701被打开。水管线 702被提供为将产出水75引导回水注入流88。以这种方式，来自产出液处理设备60的水 75能够与水注入流88合并并且被引导进入油页岩地层22。优选地，来自设备60的产出水75在注入油页岩地层22之前进入水处理设备800 进行处理。为此目的，水管线602被提供。在该情况下，阀701被关闭，阀601被打开。优选地，水管线602和伴随的阀601与水生产流81和伴随的阀801是分开的。产出水75和水生产流81可能在不同的压力和温度下流动。一方面，离开产出液处理设备60的产出水75在每分钟400加仑的速率下和77 0F的温度下进入均压均衡罐803。 同时，进入均压均衡罐803的水生产流81可以在每分钟7，200加仑的速率下和68 T的温度下流动。当然，应当理解，这些速率和温度仅是示例性的。因此，在进入水处理设备800 时，产出水75和水生产流81优选地通过均压均衡罐803。应当理解，以上提供的温度和压力仅是示例性的。本文公开的水处理和地层淋滤方法并不受限于任何特定的管线压力、流体温度、容器大小、泵容量或本文确定的其它具体设计值。回到水生产流81的讨论，一方面，水生产流81可以在进入均压均衡罐803之前通过热交换器802。热交换器802可以通过例如使用150psig压力下的水蒸气来运行。这用于加热水并促进油和各种杂质的分离。均压均衡罐803形成大的容器，用于临时性地接收和容纳来自管线602和水生产流81的产出水。一方面，罐803具有160英尺的周长和43英尺的高度。如以下将更完全描述的，均压均衡罐803也可以从管线接收脏反冲水970，如从多孔介质过滤器840引入的。从产出水75、水生产流81和脏反冲水970接收在均压均衡罐803中的水通过水管线808离开罐803。当水通过水管线808离开罐803时，它优选通过增压器804。这提供了水前行通过水处理设备800中后续组件所需要的压力。一方面，增压器804包括三个独立的增压泵，每个增压泵具有250马力的额定功率并且能够产生大约每分钟4，500加仑的流体流速。然后水管线808中的水可以在增大的速率如每分钟8，590加仑下离开增压泵804。在通过增压泵804之前或之后，管线808中的水可以任选地用化学物质处理。这样的化学物质可以包括破乳剂。化学物质供给罐812被显示在图8A中，用于输送化学物质至管线808中的水。水管线808中的水接下来被引导通过油/水分离器810。通过引入气泡进入化学处理的水流来操作加气浮选分离器。化学物质使得油滴将自身附连至气泡。然后气泡携带油滴升至表面，然后被撇去。在图8A的示例性布置中，油/水分离器810包括两个或更多个加气浮选分离器。 每个空气浮选分离器810可以是例如50英尺长、12英尺宽、15英尺高。每个加气浮选分离器810可以在例如5至IOpsig的内部压力下操作。离开油/水分离器810的水将有大量的油和气被除去。加气浮选分离器810将优选地除去90%的烃物质加上一些固体。水通过水管线818离开油/水分离器810。一方面， 管线818中水的流速为每分钟7，825加仑。当水移动通过水管线818，可以用化学物质再次处理水。单独的化学物质处理器 822示于图8A。该容器822可以提供例如对水pH的控制。应当注意，单独的流体流由油/水分离器810进行输送。该流当然是烃流814，其代表分离的油和气。烃流814可以返回至产出液处理设备60。在此，烃流814被进一步处理以分离油、气和水。更优选地，烃流814首先被输送至随后的油/水分离器816。在图8A的示例性布置中，烃流814被弓I导至多个CPI浓缩器。每个浓缩器可以是例如15英尺长、12英尺宽、15 英尺高。每个浓缩器可以在每分钟大约400加仑下处理油和气。CPI浓缩器代表离心处理分离器。这些可以在例如每分钟4，800加仑的速率下处理流体。作为通过CPI浓缩器816进行处理的结果，洁净水流815在例如大约每分钟750 加仑下进行传输。水可以任选地行进通过增压器819，然后被再输送至均压均衡罐803。油流74'也从CPI浓缩器816输送。油流74'主要由可冷凝的和不可冷凝的烃组成。油流74’被返回产出液处理设备60，用于如结合图6 —般地描述的进一步的流体处理。油流74’可以在例如每分钟15加仑的流体流速下输送。这换算为每天大约500桶。油流74’可以任选地被携带通过增压器817。现在回到水管线818，水从加气浮选分离器810被携带至包括一体化生物氧化系统820的容器。生物氧化是这样的方法，通过该方法天然存在的细菌被用于受控反应器以从水中除去有机物质。生物氧化的结果是二氧化碳、水和惰性生物固体。一方面，生物氧化系统820中的容器每个在每分钟4，215加仑的速率下处理流体。 每个容器可以是例如320英尺的周长和34英尺的高度。生物氧化系统820也可以包括各种组件如鼓风机和搅拌器(未显示)。作为通过生物氧化系统820进行处理的结果，产生更清洁的水流，其通过水管线拟8离开。管线拟8中的水基本上没有有机物质。管线拟8中的水可以在每分钟大约7，819 加仑的流体流速下行进。流体管线828中的水可以处于例如87 温度和7. 8的pH下。作为生物氧化系统820的额外副产物，有机物质被释放入生物固体管线拟4中。生物固体管线拟4中的固体表示废污泥。生物固体管线824中的废污泥可以每分钟在600加仑的速率下流动并包括多至的固体。处理用化学物质可以通过容器如图8A所示的容器 825被输送至生物固体管线824。化学物质可以包括聚合物以利于增稠固体上至5%。生物固体管线拟4中的有机废污泥优选通过引入旋转鼓式增稠器拟6来增稠。一方面，使用4个分离的转鼓式增稠器826，每个能够在每分钟大约200加仑的速率下携带流体。每个增稠器拟6可以是例如15英尺长、5英尺宽和7英尺高。转鼓式增稠器拟6能够释放洁净水。这示于水管线902。水管线902中的洁净水可以在例如每分钟492加仑的流体流速下行进。该洁净水可以被再引入流体管线818，用于通过生物氧化系统820中的容器进行再处理。转鼓式增稠器拟6也通过增稠污泥管线904释放增稠的污泥。增稠的污泥可以在每分钟大约108加仑的速率下行进并呈现多至5%的固体。增稠污泥管线904中的污泥可以被临时储存在污泥滞留罐905中。污泥滞留罐905可以是例如50英尺长、5英尺宽和9
英尺高的大罐。增稠污泥管线904中的增稠污泥可以离开污泥滞留罐905并通过增压泵906。当污泥离开滞留罐905时，增压泵906提供压力至增稠的污泥。从此处，增稠的污泥被引导至一个或多个压滤器908。压滤器908可以呈现3米X2米的小压具。压滤器用于从增稠污泥管线904除去已经离开转鼓式增稠器826并挤出水的固体。在去压滤器908的途中，化学物质可以被引入增稠污泥管线904。示例性的化学物质容器或化学物质供给系统906示于图8A中。在进入一个或多个压滤器908之前，污泥被处理以除去固体。从化学物质供给系统906添加聚合物作为助滤剂以利于过滤。脱水的污染物固体将经过污泥管线910离开压滤器908。污泥管线910将在例如每分钟大约36加仑的速率下传输污染物固体。污染物固体为“蛋糕”的形式，其由大约15% 至20%的固体组成。污泥管线910中的污染物固体将被移至交通工具916用于现场外处置。提供阀912以调节污泥管线910中污染物固体的流动。此外，压滤器908释放“洁净的”水。洁净的水从压滤器908通过水管线909被运走。水管线909最终再结合洁净水管线902并被转向通过生物氧化系统820中的容器和其它设备。在离开压滤器910时，来自污泥管线910的一部分污染物固体可以经历蒸汽加热系统。这通过热交换器拟4显示。结果是，通过蒸发过程进行进一步除去水。蒸发的水(称为冷凝物)通过管线930被带走。管线930中的冷凝物结合来自管线909和902中的洁净水。从管线902、909和930结合的洁净水可以在例如每分钟594加仑的速率下流动。此夕卜， 这样的结合水被转向通过生物氧化系统820中的容器用于重复处理。一方面，管线930中的冷凝物在每分钟30加仑的速率下流动。增压泵932可以沿管线930提供以增加操作压力。泵932可以包括一对40马力的泵，其可以泵至例如每分钟 125加仑。再次参看生物氧化系统820，洁净水流828产生自系统820。洁净水流828优选地被携带通过槽式泵(sump pump)932。槽式泵932可以包括例如M英尺周长和14英尺高度的一个或多个容器。槽式泵932可以是例如Clearwell槽。槽式泵的目的是，在送水至下游用于进一步处理之前，临时保留来自生物氧化系统820的洁净水。在处理的水从槽式泵932经管线934被带走。管线934中的水优选地被携带通过增压泵936。增压泵可以包括例如三个大的200马力的动力泵，每个能够在每分钟4，500加仑的速率下泵水。然后在处理的水进一步移动通过水处理设备800，如现在图8B中所示。图8B显示来自管线934的水行进通过水处理设备800的其它部分。水接下来进入热石灰软化器830。一方面，水在每分钟7，819加仑的流体流速下行进通过管线934。管线934中的水可以处于例如87 °F下和pH为7. 8。热石灰软化的目的是减小水的硬度和碱度。通过使溶解的离子、主要分别是作为碳酸盐和氢氧化物的钙和镁沉淀来减小硬度。为完成此过程，热石灰软化器830从蒸汽容器832接受蒸汽。蒸汽被引入热石灰软化器830。此外，石灰(或氢氧化钙(Ca(OH)2)被引入容器830。氢氧化钙被保持在紧靠热石灰软化器830的石灰添加储存设备834中。污泥副产物从热石灰软化器830中释放。污泥表示无机沉淀物如碳酸钙、氢氧化镁和各种其它金属沉淀物。污泥物质被传输通过污泥物质管线942并至污泥槽944。污泥槽944可以能够容纳例如10，000加仑的流体物质。需要时，当未决定进一步处理和处置不想要的副产物时，污泥槽944用于保留污泥物质。污泥物质从污泥槽944以每分钟大约630加仑的速率被释放。一方面，污泥物质包括大约为5%固体的组合物。离开污泥槽944的污泥物质被传输通过管线946。污泥物质优选被携带通过增压泵945。增压泵945优选表示一系列小的容积式泵(positive displacement pump)，每个具有5马力的发动机。每个泵在例如每分钟大约100加仑的速率下产生流体。污泥物质然后从增压泵945沿管线946以每分钟630加仑的速率被携带。 一方面，污泥物质在200 °F保持为热的并具有10. 0的pH。管线946中的污泥物质进入压滤器948。压滤器948分离污泥与水。一方面，压滤器948是带式压滤器。污泥物质通过通道950离开压滤器948，在此其被装上卡车952用于现场外处置。在一个布置中，卡车952在每分钟107加仑下接收为30%固体的污泥物质。 每天大约1，250，000磅的过滤的污泥可以被运至现场外。带式压滤器948也通过水管线956释放“洁净的”水。洁净水优选被传输至滞留槽958。滞留槽958可以表示小的非隔热的容器，其为例如周长10英尺和高度7英尺。滞留槽958临时保留从带式压滤器948释放的水，然后该水通过管线960释放。管线960中的水优选通过增压泵962。增压泵962可以包括例如两个75马力的泵，每个泵能够在每分钟550加仑下泵出。从此处，水可以在每分钟523加仑的流通流速下行进，在此该水与管线 836中的水合并。管线836中的水在被再注入页岩油地层22之前经过进一步的处理。回到热石灰软化器830，软化的水也从容器830释放。热石灰软化法减小水中的硬度、碱度和二氧化硅含量。软化的水通过水管线833离开容器830。一方面，水通过水管线833以每分钟8，180加仑的速率行进。软化的水被传输至滞留槽835。滞留槽835远大于滞留槽958。滞留槽835可以是例如具有25英尺的周长和4英尺的高度的隔热容器。水被临时保留在滞留槽835中直至其经管线836离开。优选地，水行进通过增压泵837以增加操作压力。从此处，管线836中的水与来自管线960的水合并。合并的带压水管线836、 960然后进入水处理的下一阶段——固体过滤。提供多孔介质过滤系统840用于固体过滤。优选地，过滤系统表示双重介质过滤器。固体过滤器840过滤出悬浮的固体。固体材料是无机物并通常包括水循环通过枯竭页岩地层期间带出的岩石或沉淀物以及来自热石灰软化器的沉淀固体。还应当注意，一些固体过滤有必要与加气浮选分离器810结合进行。在任何情况下，固体物质在脏反冲水流970 中从过滤系统840冲洗出来。脏反冲水流970中的流体优选地返回均压均衡罐803(来自图8A)，在此水然后循环通过水处理设备800。多孔介质过滤系统840中的双重介质过滤器接收洁净的反冲水流846。洁净的反冲水流846有助于洗出变成脏反冲水流970的一部分的颗粒。洁净水通过水管线841离开多孔介质过滤系统840。水管线841优选地接收来自化学容器842的化学处理。化学处理容器849可以例如引入硫酸(H2SO4)15化学处理容器 849可以例如容纳2，100桶硫酸。硫酸以每分钟大约4加仑的速率被引入水管线841。水管线841中的化学处理水接下来优选通过热交换器842。热交换器842可以是例如板框式热交换器。冷却水在例如每分钟大约4，400加仑的速率下循环通过热交换器 842。可以使用多至三个板框式热交换器。水通过管线843离开热交换器842。然后管线843中的水被放进浙出物洁净水储存罐844。罐844形成大的容器，其可以是例如周长为165英尺和高度为43英尺。优选地， 浙出物洁净水储存罐844具有顶部开口并且是非隔热的。浙出物洁净水储存罐844保留处理过的水，该水可以通过水注入流88被循环回到油页岩地层22。阀845控制保留在洁净水储存罐844中的洁净水的流动。当阀845开启时，水行进通过管线88'并加入水注入流88。优选地，提供一个或多个浙出物洁净水泵90 以将水注入页岩油地层22。水可以以例如每分钟7，200加仑的速率行进通过管线88’。该速率被保持进入水注入流88。一些洁净水可以取自洁净水储存罐844并独立地移动通过水管线846。水通过水管线846的移动由阀847控制。移动通过管线846的水优选被携带通过增压泵848，在此水然后被带至双重介质过滤器840。增压泵848可以包括例如两个40马力功率的泵，每个泵每分钟能够泵出1，000加仑的水。带压管线846中一些泵出的水被带走用于板框式热交换器842。剩余的水可以以每分钟240加仑的流体流速朝向多孔介质过滤系统840的双重介质过滤器行进。来自管线 846的洁净水用作多孔介质过滤系统840中洁净反冲水的来源。优选在水处理设备800中仍进行水的其它处理。为此，来自洁净水储存罐844的水可以被进一步携带通过筒式过滤器854。筒式过滤器邪4被设计为除去细颗粒物质。如果细颗粒物质不被除去，其可能堵塞随后的反渗透过滤器。在去筒式过滤器邪4的途中，水优选地被弓I导通过增压泵852。增压泵852可以包括例如三个单独的泵，每个泵在75马力下运行以在每分钟670加仑的速率下泵出。带压水然后以每分钟1，271加仑的速率行进通过筒式过滤器854。水可以任选地通过几个大供给泵(未显示)被进一步加压。水接下来经受反渗透过滤。反渗透过滤器可见于图8B的850。提供一个或多个反渗透过滤器850以过滤出溶解的无机固体。如所述，这些可以包括重金属化合物和离子种类。水流中的任何非溶解固体一般在多孔介质过滤系统840中过滤。反渗透过滤器850通常不适于过滤沉淀的或悬浮的固体。反渗透过滤器850产生高纯水流。纯水或渗透物(permeate)被携带通过管线 88〃，在此其加入水注入流88。任选地，来自反渗透过滤器850的一部分纯水流88〃可以被储存在地下储器中或临时储存在渗透物罐856中。也可以存在高纯水流88"(渗透物)的其它应用。渗透物可以被用于产生蒸汽或用于在水处理设备800中处理水。在图8B的示例性布置中，来自反渗透过滤器850的一部分渗透物可以通过管线853然后用于蒸汽发生器832。优选地，增压泵859被提供在管线 853 中。水处理设备800可以与从地下地层采收烃结合使用。图9是显示方法900的步骤的流程图，该方法可以在一个实施方式中从开发区的地下地层采收烃中进行。地层烃可以包括固体烃如油页岩。方法900包括施加热至地下地层。该步骤呈现于图9的方框9110。使用原位热来施加热。加热的目的是将地层烃热解为烃流体。加热步骤9110并不限于施加原位热至地下地层使用的方法。例如可以通过发送电流通过井筒内电阻加热原件来加热。可选地，可以通过发送电流下至第一井筒、通过地下地层中的导电介质、和向上回到第二井筒来加热。一方面，地层中的导电介质包括粒状材料，该粒状材料的电阻系数明显高于第一井筒和第二井筒中的导电材料。以这种方式，多数电阻热产生自地层内的导电材料。另一方面，地层内的导电介质包括粒状材料，该粒状材料的电阻系数明显低于第一井筒和第二井筒中的导电材料。以这种方式，多数电阻热产生自井筒内的导电材料。在任一情况中，井筒内的导电材料可以是杆、管、套管柱或其它粒状材料。方法900接下来包括产生烃流体持续期望的时间期间。该步骤显示在方框9120 中。烃流体产生自多个烃生产井。烃生产井在地下地层中完井。方法900也包括在地表将来自注入泵的水循环至一个或多个注水井。该步骤提供在方框9130中。优选地，在开始将水循环至注水井的步骤9130之前，使地下地层冷却。一方面，注水井限定从步骤9120转化的烃生产井。注水井将水从地表输送到地下地层中。接下来，方法900包括进一步将水循环通过地下地层并进入一个或多个出水井。 出水井可以从步骤9120转化为烃生产井。水被进一步循环回到地表处的水处理设备。该步骤示于方框9140。步骤9130和9140 —起提供水从地表循环通过开发区的地下地层并返回地表的完整循环。这些步骤9130、9140可以进行超过几个月至一年的期间。无机溶质水平优选地减少50%或更多。方法也包括在到达地表后处理水。该步骤呈现于方框9150。水在水处理设备处被处理。处理水的目的有很多。首先，并如上所述，期望分离从循环步骤9140捕获的水中乳化的油。可以使用传统的重力分离器在水处理设备分离油和水。可选地或者此外，可以使用一个或多个加气浮选分离器分离油和水。第二，期望从水中除去有机物质。如上所述，可以通过使用一个或多个生物氧化反应器来除去有机物质。优选地，水在通过一个或多个加气浮选分离器之后通过一个或多个生物氧化反应器。—方面，水进一步通过吸附介质。这样的吸附介质的实例包括活性炭、漂白土或其组合。这样的吸附介质能够帮助抑制毒性负载物对后面的生物氧化反应器的任何突然增加。
第三，期望减小水的硬度和碱度。如上所述，减小硬度是指除去钙和镁离子。钙 (Ca)作为CaCO3被除去，而镁(Mg)作为Mg(OH)2被除去。减小碱度是指至少除去一部分碳酸盐和碳酸氢盐种类。除去钙离子、镁离子或其它硬性离子的方法也减小水的碱度和二氧
化硅含量。减小硬度和碱度可以通过使用一个或多个热石灰软化器来完成。优选地，水在通过一个或多个生物氧化反应器之后通过一个或多个热石灰软化器。含有溶解的沉淀物形成种类如Ca、CO/—(碳酸盐)或S042_(硫酸盐)的水通过热石灰容器。热石灰容器中的钙与溶解的Ca、CO/—或SO/—相互作用并将这些固体转化为在热石灰容器中被除去的沉淀物。第四，期望从处理过的水中除去溶解的无机固体。溶解的无机固体指无机物质如氯化物、氟化物、氨、钠(Na)和钾(K)。溶解的无机固体也指无机迁移性污染物种类如重金属化合物和离子种类。除去溶解的无机固体可以通过使用一个或多个反渗透过滤器来完成。水的压力迫使水通过半透膜，同时阻止溶解的固体通过。优选地，水在通过一个或多个热石灰软化器之后通过一个或多个固体过滤器。最后，期望除去悬浮的固体。这通过使用多孔介质过滤器来完成。在此应当注意， 多孔介质过滤一般不除去溶解的种类，而是，固体过滤主要除去悬浮的或未溶解的固体，包括从地层带出的沉淀物和未溶解的沉淀物。方法900可以进一步包括确定处理过的水将循环通过的一部分地下底层的孔体积。在该情况下，使水循环通过地下地层的步骤9140可以包括随时间注入一定体积的处理过的水，其表示大约2至6倍确定的孔体积。可以相信，通常要求2至6孔体积的注入水以将浙出物浓度减少至代表任何原始含水层组成的背景水平。还可以相信，作为循环处理过的水的结果，余下的地下水将满足常用的水质环境标准。那些标准将根据已经发生油页岩热解行为的州或政府管辖区域而不同。那些标准也可以根据对水的期望应用而不同。为确保符合地下水规定，当水在9150步骤中被处理过之后，可以测试水。因此，方法900也可以包括测试水以符合规定的地下水标准。该步骤示于方框9160。优选地周期性进行测试，如在两、三和四孔体积的水已被循环通过地下地层之后。一方面，方法也包括中断循环处理过的水。当确定地下地层中的水满足规定的地下水标准之后，中断循环。这示于方框9170。规定的地下水标准可以是来自管理机构如科罗拉多州水质控制委员会或另一州机构的环境标准。从返回水取样确定循环水满足选择的水质标准后，过量的循环水可以被释放到地表水流或地表水体中。多至一孔体积的水可以被留在含有枯竭页岩的地下开发区中。任选地，一部分地下水可以被泵至地表。上述的方法对于在科罗拉多州的Piceance盆地中采收烃方面可具有价值。一些人已经评估出，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。 一项研究已经估计在Piceance盆地的油页岩地层中含苏打石部分内的油页岩资源在适当的位置具有四千亿桶页岩油。总的来说，仅仅在Piceance盆地可存在高达1万亿桶页岩油。可以相信，本文公开的水处理和循环方法将有机和无机污染物减少至科罗拉多州用于饮用水和农用水的地下水标准的水平或低于该水平。对发展科罗拉多州水质量政策负责的管理机构是科罗拉多州水质控制委员会(Colorado Water Quality ControlCommission)。该委员会是科罗拉多州公共卫生与环境部(Colorado Department of Public Health and Environment)的一部分。通过采用州内地表和地下水的水质类别和标准，该委员会实行科罗拉多州立法机关制定的关于科罗拉多州水质控制行动(Colorado Water Quality Control Act)的较广泛的政策。以下表1提供可见于科罗拉多州油页岩地层中的各种有机和无机物质的组成。提
供三列数值。命名为“浙出物”的列是指在显著的地层溢流和水处理开始之前一定体积的水中化合物的预期浓度。换言之，当地层热解操作结束时，这些是期待存在的化合物。命名为“含水层”的列是指通常可见于Piceance盆地含水层中的一定体积的水中那些化合物的预期浓度。这些是天然的水数值，意即没有发生热解操作。命名为“CO饮用水标准(CO Drinking Water Standard) ”的列指科罗拉多州规定下所列出化合物的最大份额浓度。在一些情况下(示为“n./a”)，没有提供全州范围的规定，因为标准可以是根据地点不同的(site-specific)。表 权利要求
1.用于从开发区的地下地层采收烃的方法，包括使用原位热将热施加至所述地下地层以将地层烃热解为烃流体； 从一个或多个烃生产井生产所述烃流体； 从注入泵将水泵入一个或多个注水井；使水从所述一个或多个注水井循环通过所述地下地层，进入一个或多个出水井，并上至所述开发区的地表处的水处理设备；和在所述水处理设备处处理所述水，其中在所述水处理设备处处理所述水包括以下的三个或多个(i)充分地从所述水中分离出烃，(ii)充分地从所述水中除去有机物质，(iii) 充分地减小所述水的硬度和碱度，(iv)充分地从所述水中除去溶解的无机固体，和(ν)充分地从所述水中除去悬浮的固体，由此提供处理过的水。
2.根据权利要求1所述的方法，其进一步包括在处理所述水后测试所述水。
3.根据权利要求1所述的方法，其中所述地层烃包括固体烃。
4.根据权利要求1所述的方法，其中使用电阻加热，加热所述地下地层。
5.根据权利要求3所述的方法，其中所述水处理设备包括一个或多个加气浮选分离器；和处理所述水以充分地从所述水中分离出烃包括使所述水通过所述一个或多个加气浮选分离器。
6.根据权利要求5所述的方法，其中处理所述水以充分地从所述水中除去悬浮的固体包括部分地使所述水通过所述一个或多个加气浮选分离器。
7.根据权利要求3所述的方法，其中所述水处理设备进一步包括一个或多个多孔介质过滤器；和处理所述水以充分地从所述水中除去悬浮的固体包括使所述水通过所述一个或多个多孔介质过滤器。
8.根据权利要求3所述的方法，其中所述水处理设备进一步包括一个或多个重力沉降器、一个或多个离心分离器或其组合；和处理所述水以充分地从所述水中分离出烃进一步包括使所述水通过所述一个或多个重力沉降器、一个或多个离心分离器或其组合。
9.根据权利要求3所述的方法，其中所述水处理设备包括一个或多个生物氧化反应器；和处理所述水以充分地从所述水中除去有机物质包括使所述水通过所述一个或多个生物氧化反应器。
10.根据权利要求9所述的方法，其中所述水处理设备包括一个或多个加气浮选分离器；处理所述水以充分地从所述水中分离出烃包括使所述水通过所述一个或多个加气浮选分离器；所述水在通过所述一个或多个加气浮选分离器之后通过所述一个或多个生物氧化反应器。
11.根据权利要求3所述的方法，其中所述水处理设备包括一个或多个热石灰软化器；和处理所述水以充分地减小所述水的硬度和碱度包括使所述水通过所述一个或多个热石灰软化器。
12.根据权利要求11所述的方法，其中减小硬度包括充分地除去钙离子和镁离子。
13.根据权利要求12所述的方法，其中减小碱度包括充分地除去碳酸盐和碳酸氢盐种类。
14.根据权利要求13所述的方法，其中所述水处理设备进一步包括一个或多个反渗透过滤器；和处理所述水以充分地减小碱度还包括使所述水通过所述一个或多个热石灰软化器之后使所述水通过所述一个或多个反渗透过滤器。
15.根据权利要求14所述的方法，其中在所述水通过所述一个或多个加气浮选分离器之后所述水通过所述一个或多个多孔介质过滤器。
16.根据权利要求15所述的方法，其中所述水处理设备包括一个或多个热石灰软化器和一个或多个反渗透过滤器； 处理所述水以充分地减小所述水的硬度和碱度包括使所述水通过所述一个或多个热石灰软化器和所述一个或多个反渗透过滤器；和在所述水通过所述一个或多个生物氧化反应器之后所述水通过所述一个或多个热石灰软化器和所述一个或多个反渗透过滤器。
17.根据权利要求3所述的方法，其中所述水处理设备包括一个或多个反渗透过滤器；处理所述水以充分地从所述水中除去溶解的无机固体包括使所述水通过所述一个或多个反渗透过滤器。
18.根据权利要求1所述的方法，其进一步包括确定所述处理过的水循环通过的一部分所述地下地层的孔体积；和将所述处理过的水随时间以一定体积从注入泵循环通过所述地下地层，所述一定体积表示所确定的孔体积的大约2至6倍。
19.根据权利要求18所述的方法，其中在处理所述水后测试所述水包括在至少两孔体积的水已经循环通过所述地下地层之后测试所述水，以符合规定的地下水标准。
20.根据权利要求19所述的方法，其进一步包括在确定所述地下地层中的水已经满足规定的地下水标准后，中断循环所述处理过的水。
21.根据权利要求3所述的方法，其进一步包括在生产所述烃流体预先确定的时间段之后，并且在将所述水循环进入所述注水井之前，使所述地下地层冷却。
22.根据权利要求2所述的方法，其进一步包括将所述多个烃生产井的一个或多个转换为一个或多个出水井。
23.在水处理设备处处理水的方法，所述水已经循环通过页岩油开发区中的地下地层以及所述地下地层包括由于地层烃的热解已经枯竭的页岩，所述方法包括在所述水处理设备处接收所述水；在所述水处理设备处处理所述水以(i)充分地从所述水中分离出油，( )充分地从所述水中除去有机物质，(iii)充分地减小所述水的硬度和碱度，(iv)充分地从所述水中除去溶解的无机固体，和(ν)充分地从所述水中除去悬浮的固体，由此提供处理过的水；将所述处理过的水传输至泵；和将所述处理过的水再注入所述地下地层以通过枯竭页岩淋滤出污染物。
24.根据权利要求23所述的方法，其进一步包括在处理之后测试所述水。
25.根据权利要求M所述的方法，其中所述污染物包括有机化合物、重金属化合物和离子种类。
26.根据权利要求25所述的方法，其中所述地层烃包括油页岩，并且其中所述有机化合物包括苯、甲苯、二甲苯、三甲基苯、蒽、萘、芘、或其组合。
27.根据权利要求25所述的方法，其中所述地层烃包括油页岩，并且其中所述重金属污染物包括砷、铬、汞、硒、铅、钒、镍、锌、或其组合。
28.根据权利要求M所述的方法，其中所述地层烃包括油页岩，并且其中所述离子种类包括硫酸根、氯根、氟根、或其组合。
29.根据权利要求M所述的方法，其中所述污染物进一步包括硼。
30.从开发区的地下地层采收烃的系统，包括至少一个原位热源，其被配置为使用原位热向所述地下地层施加热以将地层烃热解为烃流体；至少一个烃生产井，用于生产所述烃流体；至少一个注入泵和至少一个注水井，其中所述至少一个注入泵被配置为将水泵入所述至少一个注水井；和水处理设备，其处于所述开发区的地表，并且与所述至少一个注入泵和所述至少一个注水井流动连通，用于使水从所述一个或多个注水井循环通过所述地下地层，进入一个或多个出水井，并上至所述开发区的地表处的水处理设备；其中所述水处理设备被配置为通过以下处理方法的两种或更多种处理循环的水(i) 充分地从所述水中分离出烃，(ii)充分地从所述水中除去有机物质，(iii)充分地减小所述水的硬度和碱度，(iv)充分地从所述水中除去溶解的无机固体，和(ν)充分地从所述水中除去悬浮的固体。
31.根据权利要求30所述的系统，其中所述地层烃包括油页岩。
32.根据权利要求30所述的系统，其中所述原位热源包括一个或多个电阻热源。
全文摘要
提供了在水处理设备处处理水的方法。一方面，水已被循环通过页岩油开发区的地下地层。该地下地层可以包括由于地层烃的热解已经枯竭的页岩。在一个实施方式中，方法包括在水处理设备处接收水并在水处理设备处处理水以便(i)充分地从水中分离出油，(ii)充分地从水中除去有机物质，(iii)充分地减小水的硬度和碱度，(iv)充分地从水中除去溶解的无机固体，和/或(v)充分地从水中除去悬浮的固体。方法可以进一步包括输送在水处理设备处处理过的水、将处理过的水再注入地下地层以持续通过枯竭页岩淋滤出污染物。
文档编号E21B41/02GK102325959SQ201080009022
公开日2012年1月18日 申请日期2010年1月7日 优先权日2009年2月23日
发明者G·L·古尔野, J·D·叶寇, J·D·米勒, P·S·沙, W·西明戈顿 申请人:埃克森美孚上游研究公司