專利名稱：從油頁(yè)巖中現(xiàn)場(chǎng)提取油的設(shè)備、系統(tǒng)和方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及油頁(yè)巖中石油的生產(chǎn)，尤其是從現(xiàn)場(chǎng)油頁(yè)巖層中提取干酪根。
背景技術(shù)：
油頁(yè)巖中的油是目前最大的未被利用的礦物燃料源之一。常規(guī)產(chǎn)油方 法并不能從油頁(yè)巖中得到油，這是因?yàn)橛晚?yè)巖中的油是以干酪根的形式存 儲(chǔ)的，不能從油頁(yè)巖層中流出。干酪根是高分子量的碳水化合物，在它分
解以從巖層中脫離之前，需要300攝氏度以上的溫度。
從油頁(yè)巖中采油的常規(guī)工藝并不經(jīng)濟(jì)，要求頁(yè)巖層有高的油含量，使 得油價(jià)居高不下。比如，東猶他州中的油頁(yè)巖沉積物在每噸頁(yè)巖層10 60 加侖油之間，而大部分常規(guī)的釆油工藝只有在每噸頁(yè)巖層含油達(dá)25加侖 以上才有利可圖，意味著許多巖層不適合用這些方法開(kāi)采。因此，商業(yè)油 頁(yè)巖生產(chǎn)仍然不適合大規(guī)模開(kāi)采。
傳統(tǒng)的油頁(yè)巖產(chǎn)油工藝的范例之一是Shell開(kāi)發(fā)的現(xiàn)場(chǎng)轉(zhuǎn)化工藝 (in-situ conversion process ) (ICP )。在ICP過(guò)程中，在目的區(qū)域周圍鉆多 口井，通過(guò)這些井循環(huán)冷凍劑得以在目的區(qū)域周圍形成冰封，以阻止地層 水進(jìn)入目的區(qū)域。然后，在目的區(qū)域中央鉆開(kāi)兩口井。將已在目的區(qū)域中 的水抽出去，在其中一口井中安放電加熱器，且在其被加熱后，將另外一 口井中的石油采出。
ICP技術(shù)包括從油頁(yè)巖中開(kāi)采石油的基本原理。首先，目的區(qū)域中的 水必須被排出或驅(qū)替以允許目的區(qū)域的溫度達(dá)到所需值。然后，在油可以 被提取之前需要大量的熱能。ICP技術(shù)的缺點(diǎn)是要求鉆多口井，且包括泵的損耗和井的冷凍要求。
另一個(gè)傳統(tǒng)的油頁(yè)巖產(chǎn)油工藝的范例是條帶開(kāi)采工藝(strip mining process )。油頁(yè)巖層被開(kāi)采，表層需要處理大量油頁(yè)巖以提取干酪根。雖 然該工藝簡(jiǎn)單，但它卻帶來(lái)許多必須解決的環(huán)境問(wèn)題。首先，條帶開(kāi)采本 身很大程度上改變了地貌，而這些地另作它用需要好多年。第二，大量的 油頁(yè)巖材料在即使提取了干酪根之后，仍可能含有存在處理問(wèn)題的油和其 它化學(xué)殘余物。
另 一個(gè)傳統(tǒng)的油頁(yè)巖產(chǎn)油工藝的范例是地下房柱開(kāi)采工藝 (underground room and pillar mining process )。該工藝昂貴,并且原地為開(kāi) 采室留下大量干酪根。該工藝僅在淺油頁(yè)巖(大概小于1000英尺深)時(shí) 才是經(jīng)濟(jì)的工藝，要求最小地層厚度為50~100英尺。在這種開(kāi)釆工藝中 同樣需要處理大量的油頁(yè)巖。
從前述討論看，明顯地需要一種從油頁(yè)巖中經(jīng)濟(jì)地提取油的設(shè)備、系 統(tǒng)和方法。這樣一種設(shè)備、系統(tǒng)和方法將有利于從油頁(yè)巖中現(xiàn)場(chǎng)提取油， 并使從油頁(yè)巖中提取油所必需的大量熱能的效率達(dá)到最大。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明是針對(duì)目前的工藝現(xiàn)狀開(kāi)發(fā)的，尤其是針對(duì)該領(lǐng)域中尚不能由 目前可得到的油頁(yè)巖提取系統(tǒng)完全解決的問(wèn)題和需要而開(kāi)發(fā)的。因而，本 發(fā)明被開(kāi)發(fā)來(lái)提供一種從油頁(yè)巖提取油的設(shè)備、系統(tǒng)和方法，這樣的設(shè)備、 系統(tǒng)和方法能克服本領(lǐng)域中以上所討論的許多或所有缺點(diǎn)。
公開(kāi)了 一種從油頁(yè)巖提取油的設(shè)備。該設(shè)備包括鉆削單元(drilling unit),該鉆削單元用于鉆削井以與油頁(yè)巖層目的區(qū)域的頂部和底部流體相 通。該設(shè)備還包括設(shè)置來(lái)使目的區(qū)域增產(chǎn)的增產(chǎn)模塊(stimulationmodule)。 該設(shè)備還包括設(shè)置來(lái)大體上在目的區(qū)域底部定位注入管的完井單元 (completion unit)以及設(shè)置來(lái)將流體注入到目的區(qū)域中的注入單元(injection unit )。注入單元可設(shè)置來(lái)將流體注入到目的區(qū)域中，以使流體驅(qū)替目的區(qū) 域內(nèi)的自由水。所注入的流體可以是商用天然氣和/或來(lái)自井的采出的天然本設(shè)備包括熱輸送單元，該熱輸送單元被設(shè)置來(lái)加熱流體，以使加熱
流體帶走現(xiàn)場(chǎng)干酪根以形成采出流體(production fluit)。熱輸送單元可設(shè)置 成在表層處用太陽(yáng)能收集器和/或氣體燃燒器加熱流體。熱輸送單元包括井 下燃燒器(downhole burner),該井下燃燒器被-沒(méi)置來(lái)加熱井中的流體，而 不會(huì)給流體引入燃燒副產(chǎn)物。在一個(gè)實(shí)施方式中，本設(shè)備包括循環(huán)單元， 以4吏流體循環(huán)通過(guò)鄰井(offset well)以在用熱輸送單元力o熱流體之前預(yù)熱 流體。
本設(shè)備還包括可以是管的釆出模塊以產(chǎn)生采出流體。本設(shè)備包括處理 模塊，該處理模塊被設(shè)置來(lái)將采出流體加熱到目標(biāo)溫度、如需要?jiǎng)t添加天 然氣以提供富氫(excess hydrogen),并使采出流體在催化反應(yīng)器上反應(yīng)。這 樣，處理模塊可將釆出流體的烴裂解為更小、更具有商業(yè)價(jià)值的烴。
增產(chǎn)模塊可進(jìn)一步配置來(lái)使第二目的區(qū)域增產(chǎn)，該第二目的區(qū)域可在 井中位于比第一 目的區(qū)域更高的位置。完井單元可設(shè)置來(lái)大體上在第二目 的區(qū)域底部定位注入管。本i殳備還包括隔離單元(isolation unit)，該隔離 單元被設(shè)置來(lái)使井和第一 目的區(qū)域隔離。注入單元可進(jìn)一步被設(shè)置來(lái)將流 體注入至第二目的區(qū)域。熱輸送單元可進(jìn)一步被設(shè)置來(lái)加熱流體，以使加 熱流體的能量帶走第二目的區(qū)域中的現(xiàn)場(chǎng)干酪根以形成采出流體。
公開(kāi)了一種從油頁(yè)巖提取油的方法。本方法可包括鉆削井以與目的區(qū) 域的頂部和底部流體相通。井可包括一口或多口井，且井可以是垂直井或 水平井。該方法還包括使目的區(qū)域增產(chǎn)，以及大體上在目的區(qū)域的底部定 位注入管。該方法還包括將流體注入至目的區(qū)域，以及力。熱流體以使加熱 流體帶走現(xiàn)場(chǎng)干酪根以形成采出流體。該方法可包括生產(chǎn)采出流體。該方 法以將采出流體加熱到目標(biāo)溫度，以及在催化反應(yīng)器中處理采出流體以減 小帶走的干酪根的平均分子量作為結(jié)束。該方法還包括將天然氣加入到采 出流體，以使有少量氫可用于在催化反應(yīng)器中的反應(yīng)。
在一個(gè)實(shí)施方式中，該方法包括大體上在目的區(qū)域的頂部定位采出 管，其中生產(chǎn)釆出流體的步驟包括使采出流體流到采出管上。該方法包括 穿過(guò)油頁(yè)巖層設(shè)置生產(chǎn)套管(production casing)、大體上在目的區(qū)域的底部附近給生產(chǎn)套管打孔、大體上在目的區(qū)域的頂部附近給生產(chǎn)套管打孔。在 包括生產(chǎn)套管的方法中，定位注入管的步驟還包括在生產(chǎn)套管內(nèi)定位注入 管，且生產(chǎn)采出流體的步驟可包括使采出流體上流過(guò)形成在生產(chǎn)套管和注 入管之間的環(huán)。使采出流體上流過(guò)形成在生產(chǎn)套管和注入管之間的環(huán)的步 驟包括在環(huán)中定位采出管，以及使生產(chǎn)的采出流體上流采出管。
公開(kāi)了 一種從油頁(yè)巖現(xiàn)場(chǎng)提取油的系統(tǒng)。該系統(tǒng)包括三相分離器和液
力耦合器(fluid coupling ),其中三相分離器被設(shè)置來(lái)將產(chǎn)品流體分離為油、
水和天然氣，而液力耦合器被設(shè)置來(lái)將分離出的水送到水處理系統(tǒng)、將分 離出的油送至油儲(chǔ)存設(shè)備，以及將分離出的天然氣送至天然氣儲(chǔ)存設(shè)備。 該系統(tǒng)還包括鉆削單元，所述鉆削單元用于鉆削井以與油頁(yè)巖層的目的區(qū) 域的頂部和底部流體相通。該系統(tǒng)還包括被設(shè)置來(lái)使目的區(qū)域增產(chǎn)的增產(chǎn) 模塊。該系統(tǒng)進(jìn)一步包括完井單元和注入單元，其中完井單元被設(shè)置來(lái)大 體上在目的區(qū)域的底部定位注入管，而注入單元被設(shè)置來(lái)將流體注入到目 的區(qū)域中。注入單元被設(shè)置來(lái)將流體注入到目的區(qū)域中，以使流體驅(qū)替目 的區(qū)域內(nèi)的自由水。所注入的流體可以是商用天然氣和/或來(lái)自井的采出的 天然氣。
該系統(tǒng)還包括可以是管的采出模塊以生產(chǎn)采出流體。該系統(tǒng)包括處理 模塊，該處理模塊被設(shè)置來(lái)將采出流體加熱到目標(biāo)溫度、如有需要?jiǎng)t添加 天然氣以提供富氫，以及使采出流體在催化反應(yīng)器中反應(yīng)。因此，處理模 塊可將采出流體的烴裂解為更小、更具商業(yè)價(jià)值的烴。該系統(tǒng)還包括冷凝 模塊，該冷凝模塊被設(shè)置來(lái)冷卻反應(yīng)后的采出流體，并將冷卻的流體輸送 到三相分離器。
貫穿本說(shuō)明書(shū)對(duì)特征、優(yōu)點(diǎn)的說(shuō)明，或類似語(yǔ)言并不表明可用本發(fā)明 來(lái)實(shí)現(xiàn)的所有特征和優(yōu)點(diǎn)應(yīng)在或就在本發(fā)明的任何單個(gè)實(shí)施方式中。相 反，對(duì)特征和優(yōu)點(diǎn)進(jìn)行說(shuō)明的語(yǔ)言應(yīng)被理解為是指，相對(duì)于某個(gè)實(shí)施方式 進(jìn)行描述的特定特征、優(yōu)點(diǎn)或特性可被包括在本發(fā)明的至少一個(gè)實(shí)施方式 中。因此，貫穿本說(shuō)明書(shū)對(duì)特征以及優(yōu)點(diǎn)進(jìn)行的討論和類似語(yǔ)言可以，但 不必須，指同一個(gè)實(shí)施方式。
而且，所描述的本發(fā)明的特征、優(yōu)點(diǎn)以及特性可按任何合適的方式組合到一個(gè)或多個(gè)實(shí)施方式中。相關(guān)領(lǐng)域的技術(shù)人員應(yīng)認(rèn)識(shí)到，本發(fā)明可被 實(shí)施為不具有特定實(shí)施方式的一個(gè)或多個(gè)特定的特征或優(yōu)點(diǎn)。在其他情況 下，在某些實(shí)施方式中可具有并未在本發(fā)明的所有實(shí)施方式中出現(xiàn)的附加 特征和優(yōu)點(diǎn)。
從以下描述和所附權(quán)利要求來(lái)看，本發(fā)明的這些特征和優(yōu)點(diǎn)將變得更 加顯而易見(jiàn)，或可通過(guò)實(shí)施此后所闡明的本發(fā)明而得到了解。


為了使本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)易于理解，現(xiàn)通過(guò)參考附圖中闡釋的特定實(shí)施方 式來(lái)對(duì)以上筒單描述的本發(fā)明做出更詳細(xì)的描述。應(yīng)理解，這些圖描繪的 僅僅是本發(fā)明的典型實(shí)施方式，且因此不能被認(rèn)為是限制本發(fā)明的范圍，
將通過(guò)使用附圖用附加特征和細(xì)節(jié)來(lái)描述和解釋本發(fā)明，其中
圖1是描繪根據(jù)本發(fā)明的用于從油頁(yè)巖提取油的系統(tǒng)的一個(gè)實(shí)施方式 的示意性框圖2是描述到油頁(yè)巖層的目的區(qū)域的頂部和目的區(qū)域的底部的至少一 個(gè)流體管路的一個(gè)實(shí)施方式的示意性框圖3是描述才艮據(jù)本發(fā)明的處理;漠塊的一個(gè)實(shí)施方式的示意性框圖4是描述根據(jù)本發(fā)明的井下燃燒器的一個(gè)實(shí)施方式的示意性框圖5是根據(jù)本發(fā)明的第二目的區(qū)域的一個(gè)實(shí)施方式的圖示說(shuō)明；
圖6是描述根據(jù)本發(fā)明的到目的區(qū)域的頂部和底部的至少一個(gè)流體管 路的可供選擇的實(shí)施方式的示意性框圖7是描繪根據(jù)本發(fā)明來(lái)加熱烴氣體的 一 個(gè)實(shí)施方式的示意性框圖8A是描繪根據(jù)本發(fā)明的第一和第二水平井段的一個(gè)實(shí)施方式的示 意性框圖8B是描繪根據(jù)本發(fā)明的第一和第二水平井段的可供選擇的實(shí)施方 式的示意性框圖9是描繪根據(jù)本發(fā)明的第一、第二和第三水平井段的一個(gè)實(shí)施方式的示意性框圖IOA是根據(jù)本發(fā)明的井距的圖示說(shuō)明；
圖10B是根據(jù)本發(fā)明的可供選擇的井距的圖示說(shuō)明；
圖11是重?zé)N在沒(méi)有富氫的情況下的熱動(dòng)力學(xué)平衡的圖示說(shuō)明；
圖12是重?zé)N在有富氫的情況下的熱動(dòng)力學(xué)平衡的圖示說(shuō)明；
圖13是根據(jù)本發(fā)明的用于從油頁(yè)巖提取油的方法的示意性流程圖14A是根據(jù)本發(fā)明的用于從包括第一和第二目的區(qū)域的油頁(yè)巖提取 油的方法的示意性流程圖14B是根據(jù)本發(fā)明的用于從包括第一和第二目的區(qū)域的油頁(yè)巖提取 油的方法的示意性流程該方法包括鉆至少一水平井段；以及
圖15B是根據(jù)本發(fā)明的用于從油頁(yè)巖提取油的方法的示意性流程圖， 該方法包括鉆至少 一 水平井段。
具體實(shí)施例方式
將很容易理解，可按多種不同的構(gòu)型來(lái)安排和設(shè)計(jì)本發(fā)明的正如這里 在附圖中總體描述和說(shuō)明的部件。因此，以下對(duì)本發(fā)明的如在圖l到圖15B 中所展示的設(shè)備、系統(tǒng)和方法的更詳細(xì)的描述并不在于限制如所要求的本 發(fā)明的范圍，而僅僅是體現(xiàn)本發(fā)明所選定的實(shí)施方式。
貫穿本說(shuō)明書(shū)所使用的"一個(gè)實(shí)施方式"或"一實(shí)施方式"是指，結(jié) 合附圖所述描述的特定特征、結(jié)構(gòu)或特性被包括在本發(fā)明的至少一個(gè)實(shí)施 方式中。因此，貫穿本說(shuō)明書(shū)，在不同位置出現(xiàn)的短詞"一個(gè)實(shí)施方式" 或"一實(shí)施方式"未必都指同一個(gè)實(shí)施方式。
而且，所描述的特征、結(jié)構(gòu)或特性可按任何合適的方式組合到一個(gè)或 多個(gè)實(shí)施方式中。在以下描述中，提供了大量的具體細(xì)節(jié)，比如材料、緊 固件、尺寸、長(zhǎng)度、寬度、形狀等的例子以提供對(duì)本發(fā)明實(shí)施方式的徹底理解。然而，本領(lǐng)域的技術(shù)人員應(yīng)認(rèn)識(shí)到，本發(fā)明可實(shí)施為不具有具體細(xì) 節(jié)中的一個(gè)或更多個(gè)，或可具有其他方法、部件、材料等。在其他情況下， 沒(méi)有詳細(xì)顯示或描述公知結(jié)構(gòu)、材料或部件，以避免本發(fā)明的模糊方面。
圖1是描述根據(jù)本發(fā)明的用于從油頁(yè)巖提取油的系統(tǒng)100的一個(gè)實(shí)施
方式的示意性框圖。系統(tǒng)100包括設(shè)置來(lái)將采出流體分離成油、水和天然 氣的三相分離器102。系統(tǒng)IOO還包括液力耦合器104,該液力耦合器104 被設(shè)置來(lái)將分離出的水送到水處理系統(tǒng)106、將分離出的油送到油儲(chǔ)存設(shè) 備108,以及將分離出的天然氣送到天然氣儲(chǔ)存設(shè)備110。
系統(tǒng)100還包括鉆削單元112,該鉆削單元112被設(shè)置來(lái)鉆削到油頁(yè) 巖層的目的區(qū)域的頂部和目的區(qū)域的底部的至少一條流體管路。到油頁(yè)巖 層的目的區(qū)域的頂部和底部的流體管路包括井114。井114可包括一口或 多口垂直井114和/或一口或多口水平井114。目的區(qū)域可包括油頁(yè)巖層中 的、系統(tǒng)IOO可由其從油頁(yè)巖提取石油的區(qū)域。為了清晰起見(jiàn)，井114的 一個(gè)實(shí)施方式的某些細(xì)節(jié)見(jiàn)圖2所示。鉆削單元112可包括螺旋管鉆削單 元(coiled-tubing drilling unit)或沖示準(zhǔn)的4占才幾。
系統(tǒng)IOO還包括增產(chǎn)模塊116。增產(chǎn)模塊116可包括爆炸裝置、液力 壓裂單元(hydraulic fracturing unit)、基質(zhì)酸化單元(matrix acid unit), 和/或 其它已知的增產(chǎn)單元。在一個(gè)實(shí)施例中，增產(chǎn)模塊116包括爆炸裝置，該 爆炸裝置被設(shè)置來(lái)在目的區(qū)域內(nèi)引爆，并在井114的井眼周圍產(chǎn)生半球面 破裂區(qū)，半徑約為90英尺而高約為45英尺。增產(chǎn)模塊116可包括多個(gè)爆 炸裝置，這依賴于給定裝置的破裂能力和預(yù)定目的區(qū)域的大小。
系統(tǒng)IOO還包括完井單元118,該完井單元118被設(shè)置來(lái)大體上在目 的區(qū)域的底部定位注入管。這兒所用的定位指注入管出口的布局和定位， 取決于本發(fā)明的具體實(shí)施方式
，注入管入口可以設(shè)在井114的井口、表層、 螺旋管單元上，或在其它位置上。完井單元118可包括修井設(shè)備、完井設(shè) 備、或螺旋管單元。任何其它類型的適合于將注入管布置在井114中的管 布置i殳備(tubing placement equipment)都凈皮i"v為是在該發(fā)明范圍內(nèi)的完井 單元118。
系統(tǒng)100可具有注入單元120,該注入單元120 ^皮i殳置來(lái)將流體122注入到目的區(qū)域中。流體122可包括與地層相匹配的任何氣體，且通?？?br> 包括天然氣、氮?dú)?、水蒸氣和二氧化碳。如果沒(méi)有限制，流體122還可包
括一氧化碳、氦氣、氫氣、氬氣、氖氣、曱烷、乙烷、丙烷、丁烷和其它
類似氣體。注入單元120可被設(shè)置來(lái)將流體122注入到目的區(qū)域中，以便 于流體122驅(qū)替目的區(qū)域210 (見(jiàn)圖2)內(nèi)的自由水。在一個(gè)實(shí)施方式中， 流體122在高于地層流體壓力并低于地層壓裂壓力的壓力下注入。在一個(gè) 實(shí)施例中，在約3000英尺的地層深度處，油頁(yè)巖地層包括約為1300psig 的流體壓力和約為2100psig的壓裂壓力。
驅(qū)替自由水的注入壓力在地層深度(formation depth )("井下壓力") 而測(cè)定。本領(lǐng)域的技術(shù)人員應(yīng)能估計(jì)，通過(guò)井口壓力估計(jì)井下壓力，或者 當(dāng)?shù)貙又袎毫褖毫偷貙恿黧w壓力的壓差小且需要比井口估算要求更高 準(zhǔn)確度時(shí)，在地層中放置一種井下測(cè)壓裝置。
系統(tǒng)100包括熱輸送單元124,該熱輸送單元124被設(shè)置來(lái)用于加熱 流體122,以便于加熱流體122帶走現(xiàn)場(chǎng)干酪才艮以形成采出流體126。系 統(tǒng)100包括處理模塊128,該處理模塊128被設(shè)置來(lái)用于將采出流體126 加熱到目標(biāo)溫度，并使采出流體126在催化反應(yīng)器中反應(yīng)。處理單元128 的一個(gè)實(shí)施方式的更多細(xì)節(jié)見(jiàn)圖3所示。系統(tǒng)100還包括冷凝模塊130， 該冷凝模塊130被設(shè)置來(lái)用于冷卻采出流體126,并將反應(yīng)后的采出流體 126輸送到三相分離器102。
熱輸送單元124可被設(shè)置來(lái)用于加熱表層處的流體122，如圖1的實(shí) 施方式所示，或加熱離目的區(qū)域更近如井114內(nèi)的流體122。熱輸送單元 124包括油加熱器132，用于接受來(lái)自天然氣燃燒器134的熱，和/或來(lái)自 太陽(yáng)能收集器136的熱。熱輸送單元124還包括熱交換器138，用來(lái)將來(lái) 自油加熱器132的熱傳遞到流體122。在油回到油罐124之前，單元124 可使油從油罐140，通過(guò)油加熱器132，再通過(guò)熱交換器138來(lái)循環(huán)。其 它從天然氣燃燒器134和/或太陽(yáng)能收集器136收集熱的方法在本領(lǐng)域內(nèi)是 已經(jīng)的，且這些方法也本發(fā)明的范圍之內(nèi)。
在一段時(shí)間內(nèi)，加熱流體122帶走現(xiàn)場(chǎng)干酪根。流體122開(kāi)始從井114 向外到地層的目的區(qū)域210來(lái)加熱地層。 一段時(shí)間后，千酪根分解，脫離油頁(yè)巖，并被帶到流體122中，以形成采出流體126。最后，通過(guò)注入流 體122而被處理的整個(gè)目的區(qū)域210的干酪根大體上枯竭，且采出流體126 的含油率降到進(jìn)一步操作系統(tǒng)100以從油頁(yè)巖中提取油不再經(jīng)濟(jì)劃算的那 個(gè)值為止。
在一個(gè)用于一般指導(dǎo)意義的例子中，用400攝氏度下的曱烷作為加熱 流體122，以每分鐘2300立方英尺注入流體122,估計(jì)一年內(nèi)可從排油面 積0.72英畝的井114中從100英尺厚的目的區(qū)域采出約60%的現(xiàn)場(chǎng)干酪根。 精確的溫度、注入速率和枯竭時(shí)間依賴于各自地層的特征和地層中的干酪 根，并且鑒于此處公開(kāi)的本發(fā)明，對(duì)鉆削、加熱、和抽取流體122的具體 成本的計(jì)算在本領(lǐng)域的技術(shù)人員的技術(shù)范圍內(nèi)。
一般來(lái)講，300攝氏度以下的溫度不會(huì)使干酪根分解和帶走干酪根， 除非在其中千酪根的分子量非常低的油頁(yè)巖層中。因此系統(tǒng)IOO可優(yōu)選流 體在300攝氏度以上條件下操作。諸如目的層從開(kāi)采到枯竭的預(yù)計(jì)時(shí)間的 經(jīng)濟(jì)考慮可能使得流體溫度高于400攝氏度，使得大部分干酪根被分解和 帶走。可以通過(guò)測(cè)試油頁(yè)巖地層的巖芯樣品來(lái)確定系統(tǒng)IOO的給定實(shí)施方 式的經(jīng)濟(jì)性，且在本領(lǐng)域技術(shù)人員的技藝范圍中。
系統(tǒng)100包括采出^^莫塊(見(jiàn)圖2)，用于從地層到面層來(lái)形成采出流體 126。在本發(fā)明的上下文中，形成采出流體126意思是要么通過(guò)流體126 的本身壓力，要么通過(guò)人為手段如泵或類似設(shè)備使采出流體126流出到表層。
天然氣儲(chǔ)存設(shè)備110可設(shè)置來(lái)給天然氣燃燒器134提供天然氣、可能 通過(guò)熱交換器138給注入單元120提供天然氣，以及給處理模塊128提供 天然氣。天然氣儲(chǔ)存設(shè)備110可以通過(guò)控制閥142與外部氣源連接，且可 以設(shè)置來(lái)接收外部氣源的氣體或?qū)⑦^(guò)量的采出氣體輸送到外部氣源。
系統(tǒng)IOO可包括不同溫度、壓力及流體密度傳感器、控制閥和電子或 其它控制器以利用這些特征。這些傳感器和控制器在本領(lǐng)域中是公知的， 因此在圖1系統(tǒng)100中省略了這些，以免和本發(fā)明的具體特征相混。
圖2是描述到油頁(yè)巖層的目的區(qū)域的頂部和目的區(qū)域的底部的至少一條流體管路114的一個(gè)實(shí)施方式的示意性框圖，其中圖2中的至少一條流
體管路包括井114。圖2所示特征只表明了功能關(guān)系，并且未按比例繪制。 例如，從表層到油頁(yè)巖層212的深度可以從接近表層到幾千英尺之間變化。 井114包括井口 202,該井口 202被設(shè)置來(lái)允許流體從井114注入和排驅(qū)， 且含有井114的任何壓力。井114可形成到油頁(yè)巖層212的目的區(qū)域210 的頂部的流體管路204以及到油頁(yè)巖層212的目的區(qū)域210的底部的流體 管路206。
增產(chǎn)模塊116被設(shè)置來(lái)使目的層210增產(chǎn)，且因此產(chǎn)生至少一個(gè)增產(chǎn) 區(qū)214。在一個(gè)實(shí)施方式中，通過(guò)爆炸破裂裝置產(chǎn)生一個(gè)破裂半球形區(qū)214。 在目的區(qū)域210比由單一爆炸裝置產(chǎn)生的增產(chǎn)區(qū)214高的情況下，從經(jīng)濟(jì) 方面考慮，可以使用多個(gè)爆炸裝置來(lái)盡多地達(dá)到目的區(qū)域210的增產(chǎn)。在 圖2所示的例子中，在IOO英尺厚(高)、200英尺直徑的目的區(qū)域210中， 增產(chǎn)模塊116產(chǎn)生了兩個(gè)增產(chǎn)區(qū)214,每個(gè)高約45英尺、半徑90英尺。
井114包括采出模塊216，用于產(chǎn)生采出流體126。采出模塊216可以 是大體上置于目的區(qū)域210頂部的采出管216。理想地講，采出模塊216 將在目的區(qū)域210的頂部從目的區(qū)域210驅(qū)動(dòng)流體，但系統(tǒng)100的設(shè)計(jì)考 慮和物理?xiàng)l件限制可以要求采出模塊216在不損壞本發(fā)明的功能的情況下 從目的區(qū)域的頂部以上或以下驅(qū)動(dòng)流體。
例如，深井中如果沒(méi)有使用昂貴的錄井工具(logging tool)來(lái)安裝管 216的末端，那么采出管216的末端不能準(zhǔn)確在幾英尺范圍內(nèi)安裝。本發(fā) 明不要求解決這樣的誤差。在另一實(shí)例中，系統(tǒng)100可以如此設(shè)計(jì)使得第 二目的區(qū)域(參見(jiàn)圖5)能夠在后一段時(shí)間在第一目的區(qū)域210上完成。 在這樣的例子中，采出管216的安裝可以在目的區(qū)域210頂部以上或以下 IO英尺處，以允許用水泥塞或其它隔離方法來(lái)隔離第一和第二目的區(qū)域。 這些允許是在目的區(qū)域210頂部實(shí)際安裝了采出管216后留出的空白之 內(nèi)。
系統(tǒng)100包括注入管218,該管218大體上安裝在油頁(yè)巖層212目的 區(qū)域210底部的井114內(nèi)。與采出管216—樣，注入管218的準(zhǔn)確安裝并 不關(guān)4建，但還是希望安裝在目的區(qū)域210底部的理想位置處。注入單元120還包括井114內(nèi)的隔離層(isolation) 220,以便于注入流體122進(jìn)入目的 區(qū)域210。隔離層220可包括水泥塞、 一對(duì)橋塞(一個(gè)在區(qū)220的頂部，一 個(gè)在底部)，或類似的隔離層。
在一個(gè)實(shí)施方式中，流體122包括在表層加熱的流體，注入管218包 括真空絕緣管(vacuum insulated tube )。真空絕緣管的k-因子為 0.006-0.02BTU/hr-ft-degF,或低于標(biāo)準(zhǔn)生產(chǎn)鋼管k-因子約5000倍。流體 122可在表層通過(guò)燃燒天然氣(134、 132、 138)、太陽(yáng)能收集器136，和/ 或通過(guò)使流體122通過(guò)鄰近枯竭井再循環(huán)來(lái)加熱(見(jiàn)圖7)。
井114包括上部隔離層222,該上部隔離層222被設(shè)置來(lái)用于阻止將 采出管216后邊暴露給采出流體126。上部隔離層222對(duì)本發(fā)明的合適功 能并不是必須的，但在一些具體實(shí)例中，上部隔離層222需要用來(lái)保護(hù)采 出管216,以免暴露到污染物中。
圖2的具體實(shí)施方式
說(shuō)明了棵眼完井(open-hole comlpetion)，或產(chǎn)油井 114，而沒(méi)有套管通過(guò)目的區(qū)域210。井114可以是一口套管井(casedwe11), 如圖6i兌明的井114的實(shí)施方式。
圖3是描述根據(jù)本發(fā)明的處理模塊128的一個(gè)實(shí)施方式的示意性框 圖。處理模塊128被設(shè)置來(lái)用于將采出流體126加熱到目標(biāo)溫度，并使采 出流體在催化反應(yīng)器302中反應(yīng)。這降低了采出流體126中攜帶的干酪根
的平均分子量。雖然所提取的干酪^^艮還能產(chǎn)生大量天然氣，一^L來(lái)講天然 氣的每個(gè)分子中含有一到四個(gè)碳原子，但典型的干酪根的每個(gè)烴分子的碳
數(shù)超出20個(gè)。每個(gè)分子大約10個(gè)碳原子的烴一般比每個(gè)分子高于20個(gè) 碳原子的大分子烴更具有商用價(jià)值高。
在一個(gè)實(shí)施方式中，處理模塊128接收從天然氣儲(chǔ)存設(shè)備110來(lái)的天 然氣304,在燃燒器306中燃燒天然氣，并在裝有燃燒氣310的熱交換器 308中加熱采出流體126。待燃燒的氣體304的量取決于采出流體126的 量和熱容、氣體304中的能量、燃燒器306和熱交換器308的效率及目標(biāo) 溫度。實(shí)現(xiàn)加熱控制的傳感器和控制器在本領(lǐng)域中是公知的，因此在這兒 不再敘述以免和本發(fā)明混淆。在釆出流體126在催化反應(yīng)器302中處理前，處理模塊128可包括清 洗來(lái)自采出流體126中的污染物。存在于采出流體126中的污染物包括含 硫化合物、含氮化合物、和重金屬及金屬絡(luò)合物，比如砷。清洗可在采出 流體126在熱交換器308中加熱之前或之后進(jìn)行，但在加熱前進(jìn)行分離可 以減輕熱交換器308的負(fù)荷。工藝中已有各種清洗系統(tǒng)。
處理模塊128可被設(shè)置來(lái)用于在采出流體126加熱后在催化反應(yīng)器 302中發(fā)生反應(yīng)。 一種標(biāo)準(zhǔn)鉑基催化劑可用在催化反應(yīng)器302中，但許多 已知的催化體系可以降低烴類裂解反應(yīng)的活化能而減少熱動(dòng)力學(xué)平衡時(shí) 間。本發(fā)明考慮了這些體系。催化劑的選擇和反應(yīng)器302的尺寸取決于采 出流體126的具體組成。催化劑及其尺寸的選擇均包括在現(xiàn)有工藝技術(shù)內(nèi)， 且針對(duì)特定的采出流體126，可通過(guò)簡(jiǎn)捷的現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)來(lái)測(cè)定。
當(dāng)裂解大分子烴成為較小分子烴時(shí)，過(guò)量可用氫氣的存在有利于熱動(dòng) 力學(xué)產(chǎn)物較小烴分子的產(chǎn)生。為確保熱動(dòng)力學(xué)有利于小分子烴的產(chǎn)生，在 采出流體126不包含足夠曱烷和其它輕烴氣體的情況下，采出流體126在 熱交換器308中加熱前，處理單元128可將天然氣304添加到采出流體126 中。在一個(gè)實(shí)施方式中，對(duì)每個(gè)大烴分子自由曱烷的最佳比例是至少一個(gè)， 或者曱烷的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5%。
具體實(shí)施方式
的比例可根據(jù)可用天然氣304 的組成、采出流體126、目標(biāo)溫度和催化劑類型及其在反應(yīng)器302中的裝 填量而改變，且可以基于所設(shè)想的實(shí)施方式和此處所公開(kāi)的數(shù)據(jù)由本領(lǐng)域 中的技術(shù)人員計(jì)算得出。
圖4是描述根據(jù)本發(fā)明的井下燃燒器402的一個(gè)實(shí)施方式的示意性框 圖。熱輸送單元124包括井下燃燒器402，該井下燃燒器402被設(shè)置來(lái)用 于加熱到目的區(qū)域210底部的至少一條流體管路(井114)內(nèi)的流體122。 井下燃燒器402可在井114內(nèi)燃燒加熱流體404。加熱流體404可包括天 然氣和氧氣(或空氣)的混合物。燃燒器402可以通過(guò)熱交換氣408來(lái)傳 送燃燒后的加熱流體406以加熱注入管218中的流體122。
井下燃燒器402的使用可與熱管路流體124和/或真空絕緣管218的表 層加熱結(jié)合起來(lái)。如果沒(méi)有限制，尤其適合與被動(dòng)加熱機(jī)理結(jié)合，如太陽(yáng) 能收集器136的使用和通過(guò)鄰井(見(jiàn)圖7)的再循環(huán)。在一個(gè)實(shí)施方式中，大多數(shù)注入管218包括真空絕緣管，而暴露到熱交換器408的管部分包括
標(biāo)準(zhǔn)管。
圖5是根據(jù)本發(fā)明的第二目的區(qū)域502的 一個(gè)實(shí)施方式的圖示說(shuō)明。 增產(chǎn)模塊116可進(jìn)一步設(shè)置來(lái)使第二目的區(qū)域502的514增產(chǎn)，且完井單 元118可被進(jìn)一步設(shè)置來(lái)大體上在第二目的區(qū)域502的底部定位注入管 218。系統(tǒng)IOO還包括一種隔離單元(未給出)，用于使流體管^各114的與 第一目的區(qū)域210流體相通的部分504和流體管路114的與第二目的區(qū)域 502流體相通的部分隔離開(kāi)來(lái)。隔離單元可包括一種^C設(shè)置來(lái)用于》史置水 泥塞504的固井單元(cementing unit),和Z或一種用于放置橋塞504的完井 單元118。
注入單元120可將流體122注入到第二目的區(qū)域502中。熱輸送單元 124加熱流體122,以便于加熱流體122的能量可在流體122中攜帶干酪 根以產(chǎn)生采出流體126。
在圖5的例子中，完井單元118可被設(shè)置來(lái)用于隔離522,將采出管 216與第二目的區(qū)域502上的井眼隔開(kāi)，以及用于隔離520，將注入管218 與采出管216隔開(kāi)，以-便于注入流體122流經(jīng)第二目的區(qū)域502。注入管 218可^^皮設(shè)置成在隔離層222的上面或下面為第一目的區(qū)域210注入流體 122。例子中給出的是注入管218從前面的隔離層222下面注入流體122。
圖6是描述根據(jù)本發(fā)明的到目的區(qū)域210的頂部和底部的至少一條流 體管路114的可供選擇的實(shí)施方式的示意性框圖。圖6與圖2中實(shí)施方式 的主要差別是，圖2的實(shí)施方式是一棵眼完井，而圖6的實(shí)施方式是在目 的區(qū)域210內(nèi)設(shè)置的套管完井602，且其中，流體管路114到目的區(qū)域210 頂部和底部之間的流體相通包括通過(guò)套管602 (并支撐水泥層，如果有的 話)并進(jìn)入目的區(qū)域210的射孑L204、 206。
在圖6的實(shí)施方式中，增產(chǎn)模塊n6可包括液力壓裂單元，該液力壓 裂單元被設(shè)置來(lái)用于壓裂目的區(qū)域210，并強(qiáng)壓流體122流入目的區(qū)域 210。增產(chǎn)模塊116可包括爆炸裝置。
在圖6的實(shí)施方式中，當(dāng)增產(chǎn)模塊U6包括爆炸裝置時(shí)，系統(tǒng)100可被設(shè)置成使得鉆削單元112通過(guò)目的區(qū)域210鉆削，增產(chǎn)模塊116通過(guò)爆 炸來(lái)使目的區(qū)域210增產(chǎn)，完井單元116穿過(guò)目的區(qū)域210放置套管602, 固定套管602,并形成穿過(guò)套管602的射孔204、 206。在該實(shí)例中，增產(chǎn) 模塊116可被進(jìn)一步設(shè)置來(lái)在井眼附近使目的區(qū)域210增產(chǎn)以將射孔204、 206連接到增產(chǎn)的目的區(qū)域210。接近井眼的增產(chǎn)可涉及液力壓裂處理、 基質(zhì)酸化處理或其它類似的處理方法以再次將射孔204、 206連接到先前 壓裂的目的區(qū)域210。
采出模塊216可使采出流體126直接流到注入管218和套管602之間 的環(huán)中。在圖6的實(shí)施方式中，采出流體126被流到注入管218和套管602 之間的環(huán)內(nèi)的采出管216中。
圖7是描述根據(jù)本發(fā)明的加熱流體122的一個(gè)實(shí)施方式的示意性框 圖。系統(tǒng)IOO可包括循環(huán)單元(未畫(huà)出)，用于使流體122通過(guò)采出井114 附近的鄰井702進(jìn)行循環(huán)。鄰井702可包括可能是油氣或干酪根已經(jīng)枯竭 的油頁(yè)巖層212內(nèi)的一個(gè)區(qū)域的枯竭區(qū)704。正如這兒所使用的，相鄰表 明是一口與枯竭區(qū)704有關(guān)的井，枯竭區(qū)704與計(jì)劃采油的目的區(qū)域210 無(wú)關(guān)。與目的區(qū)域210有關(guān)的井可稱作產(chǎn)油井。鄰井可以是產(chǎn)油井的鄰近 井、從采油井完全穿過(guò)現(xiàn)場(chǎng)的井，或是產(chǎn)油井內(nèi)的分開(kāi)的水平分支，其中 分開(kāi)的水平分支與枯竭區(qū)704流體相通，但與目的區(qū)域210流體隔離，除 加熱流體124的從注入單元120的計(jì)劃輸送外。
在通過(guò)鄰井循環(huán)后，流體122可在系統(tǒng)100中進(jìn)一步被加熱或一皮注入 單元120注入。地層704中的基體溫度通常高出環(huán)境表層溫度許多，可才艮 據(jù)圖7實(shí)施方式通過(guò)加熱流體122大大節(jié)約熱能成本。
圖8A是描述根據(jù)本發(fā)明實(shí)施方式的第一水平井段802和第二水平井 段804的一個(gè)實(shí)施方式的示意性框圖。水平井段802、 804可具有與圖2 和圖6所描述的垂直井的許多相同的特點(diǎn)，包括增產(chǎn)模塊116的功能和其 它特點(diǎn)。因此，圖8A的描述應(yīng)該作為那些圖描述的擴(kuò)充而瀏覽，且僅需 要突出的 一些區(qū)別是可在本發(fā)明中出現(xiàn)的利用 一段或多段水平井段的實(shí) 施方式。
至少一條流體管路114可包括第一水平井4殳802和第二水平井^殳804。第一水平井_^ 802可與目的區(qū)域210的頂部流體相通，第二水平井l殳804 可與目的區(qū)域210的底部流體相通。系統(tǒng)100可包括大體上定位在目的區(qū)
系統(tǒng)100還包括第二目的區(qū)域502。系統(tǒng)100可包括第 一隔離單元806 和第二隔離單元808，以便于注入管218和采出管216與第二采出區(qū)域502 形成液體隔離。圖8A中井114的完井可以是棵眼完井或套管完井，其中 套管602被射孔。
第一目的區(qū)域210可包括等同于第一目的區(qū)域210厚度(高度)的水 平寬度。這樣的參數(shù)是被期望的，因?yàn)樵谧⑷牍?18注入到第一目的區(qū)域 210的流體122在目的區(qū)域210內(nèi)一4殳以正態(tài)分布曲線傳4番，到流體122 流到目的區(qū)域210的高度時(shí)(見(jiàn)圖10),達(dá)到的水平寬度幾乎與目的區(qū)域 210的高度相等，。
然而，具體實(shí)例可以與該總的指導(dǎo)大大不同。例如，第一和第二水平 段802、 804的水平長(zhǎng)度可以是225英尺，而目的區(qū)域210的高度可以是 100英尺。在這個(gè)實(shí)例中，將油頁(yè)巖層212分成為兩個(gè)112.5英尺的目的區(qū) 域210、 502，沒(méi)有留下未處理的油頁(yè)巖層，比100英尺的兩個(gè)目的區(qū)域 210、 502,留下25英尺的油頁(yè)巖層未處理，有更高的石油采收率。另一 個(gè)實(shí)例中，第一和第二水平段802、 804的水平長(zhǎng)度可以是200英尺，而 目的區(qū)域210的高度可以是IOO英尺。出于例子的目的，假如地層212的 油含量相對(duì)高，且油的價(jià)格相對(duì)高，在地層212內(nèi)完井和采附加目的區(qū)域 的成本比通過(guò)使用較短的目的區(qū)域增加采收率的成本低。因此，沿著水平 段802水平軸將油頁(yè)巖層212分成三個(gè)目的區(qū)域210、 502、(圖中無(wú))，804 比井114分為IOO英尺的兩個(gè)目的區(qū)域210、 502有更好的采收率。
在目的區(qū)域?qū)挾缺饶康膮^(qū)域高度大的地方采收率低，但生產(chǎn)成本低。 目的區(qū)域的寬度比目的區(qū)域高度小的地方采收率高，但生產(chǎn)成本高。沿著 井的水平段802、 804進(jìn)行目的區(qū)域210、 502長(zhǎng)度的選擇類似于后面要討 論到的垂直井114實(shí)例中測(cè)定經(jīng)濟(jì)井距的精確性。這些經(jīng)濟(jì)方面的考慮在 本領(lǐng)域的技術(shù)人員的技術(shù)范圍之內(nèi)，基于生產(chǎn)成本，這些成本與系統(tǒng)100 的具體實(shí)例、地層212的油含量及這兒公開(kāi)的，包括參照?qǐng)DIOA和IOB討論部分有關(guān)，決定最佳目的區(qū)域210、 502的距離。
圖8B是描述根據(jù)本發(fā)明的第一和第二水平井段802、 804的可供選擇 的實(shí)施方式的示意性框圖。圖8B介紹了一個(gè)實(shí)施方式，其中第一水平井 段802和第一口井114相關(guān)聯(lián)，而第二水平井804和第二口井810相關(guān)聯(lián)。 與圖8A相關(guān)的信息應(yīng)用到圖8B的實(shí)施方式中，這里并沒(méi)有包括進(jìn)去以免 不必要的重復(fù)。
圖9是描述根據(jù)本發(fā)明的第一、第二和第三水平井段802、 804、 902 的一個(gè)實(shí)施方式的示意性框圖。圖9的實(shí)例可利用這三個(gè)水平井段802、 804、 902開(kāi)發(fā)兩個(gè)目的區(qū)域210、 502,其中目的區(qū)域210、 502在垂直方 向上排列，即一個(gè)目的區(qū)域在另一個(gè)目的區(qū)域之上。在圖9的實(shí)例中，鉆 削單元112還被設(shè)置來(lái)鉆削流體連接到第二目的區(qū)域502的頂部的第三水 平段902。
第一水平段802可與第二目的區(qū)域502的底部流體相通。增產(chǎn)模塊116 可使第二目的區(qū)域502增產(chǎn)。完井單元118可大體上在第二目的區(qū)域502 的底部定位注入管218。注入單元120可將流體122注入到第二目的區(qū)域 502中。熱輸送單元124可加熱流體122以便于加熱的流體從第二目的區(qū) 域502帶走現(xiàn)場(chǎng)干酪根以形成采出流體126。隔離單元(未畫(huà)出)還被設(shè) 置來(lái)使流體管路114與第一 目的區(qū)域210隔離，例如通過(guò)在第二水平段804 中安裝水泥塞和/或橋塞。采出模塊216可被設(shè)置來(lái)用于形成采出流體126。
第一 目的區(qū)域210和第二目的區(qū)域502都可以以圖8A所描述和實(shí)例 所示的類似方式形成，其中注入管218被大體上定位在第一目的區(qū)域210 和/或第二目的區(qū)域502的底部，采出管216、或套管602環(huán)內(nèi)的流路區(qū)， 接收大體上第一目的區(qū)域210和/或第二目的區(qū)域502頂部的流體122。每 個(gè)目的區(qū)域210、 502都可以軸向分成附加目的區(qū)域，見(jiàn)圖8A所示。在進(jìn) 一步的實(shí)施方式中，可進(jìn)一步配置系統(tǒng)100，當(dāng)?shù)谝荒康膮^(qū)域210大體上 枯竭時(shí)，生產(chǎn)第二目的區(qū)域502。
本領(lǐng)域的技術(shù)人員將認(rèn)識(shí)到注入單元220、注入管218和采出才莫塊216 恰當(dāng)?shù)慕M合將允許即使在同一口井114內(nèi)也可同時(shí)在多個(gè)目的區(qū)域210、 502中采油。這樣同時(shí)采油僅僅是同時(shí)實(shí)施本發(fā)明的多個(gè)實(shí)施方式，這也在本發(fā)明的范圍之內(nèi)。
圖IOA是根據(jù)本發(fā)明的井距1002的圖示說(shuō)明。圖IOA說(shuō)明了第一口 井114和第二口井1014,其可油頁(yè)巖區(qū)內(nèi)的鄰近井。圖10A實(shí)施方式中的 井包括200英尺的井距1002或水平分支、和100英尺的目的區(qū)域厚度 (TZT) 1004。注入氣體122以約為正態(tài)分布的曲線1006、 1008傳播通過(guò) 地層212,目的區(qū)域210頂部的每條曲線的半寬幾乎等于TZT1004。
當(dāng)流體122在適當(dāng)壓力下注入時(shí)，目的區(qū)域210中的傳播曲線1006、 1008內(nèi)的自由水(如果有)被注入流體122驅(qū)替，且可實(shí)現(xiàn)目的區(qū)域210 的加熱。注入氣體122傳播曲線1006、 1008以上的區(qū)是干酪根從目的區(qū) 域210被提取的主要區(qū)，在這里相關(guān)井114、 1014將^Mv這兒產(chǎn)生。圖10 中傳播曲線1006上被目的區(qū)域210重疊的一個(gè)例子說(shuō)明目的區(qū)域210和 傳播曲線1006纟皮此如何關(guān)耳關(guān)。
在圖IOA的實(shí)施方式中，第一井114和第二井1014之間產(chǎn)生貧油區(qū) 1010，這是由于氣體傳播的形狀1006、 1008通過(guò)地層212。然而，圖10A 的實(shí)例的井距1002確信很少或沒(méi)有地層212能超過(guò)一口井采油，因?yàn)檫@ 兒第一傳播曲線1006和第二傳播曲線1008之間很少或沒(méi)有重疊。圖10A 中的井距1002將優(yōu)化每采油單位的鉆井和采油成本。圖10A的井距1002 可表示為S=2.0*TZT,在這里S等于井距。在一個(gè)實(shí)施方式中，圖10A 的井距1002是合適的，在此鉆井和采油成本決定系統(tǒng)100的經(jīng)濟(jì)性。
圖10B是根據(jù)本發(fā)明的可供選擇的井距1002的圖示說(shuō)明。圖10B說(shuō) 明了第一口井114和第二口井1014,其可包括油頁(yè)巖區(qū)中的鄰近井。圖10B 實(shí)施方式中的井包括50英尺的井距1002、和100英尺的TZT1004。
在圖IOB的實(shí)施方式中，第一井114和第二井1014之間產(chǎn)生貧油區(qū) 1010，這是由于氣體傳^"的形狀1006、 1008通過(guò)地層212。圖10B實(shí)施方 式中的貧油區(qū)IOIO明顯小于圖10A實(shí)施方式中的貧油區(qū)。第一井114和 第二井1014之間產(chǎn)生富油區(qū)1012，這是由于氣體傳播的形狀1006、 1008 通過(guò)地層212并4妻近井114、 1014。圖10B的實(shí)施方式幾乎乂人地層212有 最大采收率，井114、 1014靠得更近時(shí)，貧油區(qū)1010中產(chǎn)量很少降低，同 時(shí)富油區(qū)1012的產(chǎn)量大大增加。圖10B實(shí)施方式的井距可表示為 S=0.5*TZT。在一個(gè)實(shí)施方式中，圖IOB的井距是合適的，其中地層212 的油含量高，且石油價(jià)格決定了系統(tǒng)100的經(jīng)濟(jì)性?？稍诒绢I(lǐng)域技術(shù)的范圍內(nèi)對(duì)本發(fā)明給定實(shí)例基于具體的經(jīng)濟(jì)因素來(lái) 決定圖IOA的實(shí)例和圖IOB的實(shí)例的中間井距。而且，現(xiàn)有技術(shù)也可模擬
流體傳播形狀1006、 1008到一口水平井(參見(jiàn)圖8A、 8B, 9)從而決定 本發(fā)明給定具體實(shí)例的最佳目的區(qū)域210、 502的尺寸的選擇。在一些情 況下，井距1002比圖IOB的實(shí)例近，基于本發(fā)明給定具體實(shí)例的具體經(jīng) 濟(jì)因素可能是合適的，且如此的井距是在本發(fā)明范圍之內(nèi)的。
圖11是重?zé)N在富氫缺乏的情況下的熱力學(xué)平衡圖的圖示說(shuō)明。如圖 11所指出的，較重的烴類化合物，每個(gè)分子含碳數(shù)在30以上，在富氬缺 乏的條件下是有利的。圖11說(shuō)明了處理模塊128在富氫缺乏的條件下操作 不會(huì)將大部分地層干酪根組成裂解為較小的烴分子。
圖12是重?zé)N在富氫存在的情況下的熱力學(xué)平衡圖的圖示說(shuō)明。如圖 12所指出的，較輕的烴類化合物，每個(gè)分子含碳數(shù)在IO左右，在富氫存 在的條件下是有利的。輕烴產(chǎn)率的顯著提高是烴類在65度以上按圖12說(shuō) 明的混合就可獲得，圖12表明在所有合理操作溫度條件下，富氫有利于 輕烴的生成。然而，裂解重?zé)N的反應(yīng)動(dòng)力學(xué)表明催化反應(yīng)器302的溫度需 要比有利于輕烴產(chǎn)出的熱力學(xué)溫度高得多。
烴類裂解時(shí)對(duì)經(jīng)濟(jì)上可接受的反應(yīng)速度下所需的準(zhǔn)確溫度依賴于采 出流體126中干酪根的組成、所選催化劑、催化反應(yīng)器物理構(gòu)成(反應(yīng)器 尺寸、催化劑量、催化劑顆粒孔徑)和采出流體126的流速。對(duì)目標(biāo)溫度 的選擇來(lái)講，工藝技術(shù)中含有這些測(cè)定技術(shù)。對(duì)典型系統(tǒng)IOO的溫度要求 比350攝氏度高。對(duì)于幾乎所有催化體系，現(xiàn)有技術(shù)包括一些直接的測(cè)試， 可用來(lái)確定具體采出流體126組成的目標(biāo)溫度。
這兒的示意性流程圖基本上是邏輯流程圖。正因?yàn)槿绱?，所描述的?序和標(biāo)明的步驟對(duì)本發(fā)明的具體實(shí)例的來(lái)講是指示性的。其它步驟和方法 可以得到，它們的作用、邏輯、或類推到一步或多步、或其中一部分相同 等同于所說(shuō)明的方法。此外，采用的公式和符號(hào)被提供來(lái)解釋本方法的邏 輯步驟，其理解方法并不限于此。盡管在圖表中使用了不同的箭頭和線， 其理解不限于此。事實(shí)上， 一些箭頭或其它連接可以用于指明方法的唯一 邏輯流程。例如，箭頭可以表示所說(shuō)明方法的多個(gè)步驟間的不確定時(shí)間間 隔的等待或監(jiān)控期。此外，特定方法的發(fā)生順序可以或可以不嚴(yán)格地遵守 所示的相應(yīng)步驟的順序。圖13是根據(jù)本發(fā)明的從油頁(yè)巖中提取油的方法1300的流程圖。方法
1300開(kāi)始于用鉆削單元112鉆削1302到油頁(yè)巖層212目的區(qū)域210頂部 和底部的至少一條流體管路。增產(chǎn)模塊116可使目的區(qū)域210增產(chǎn)1304。 完井單元118可大體上在目的區(qū)域210的底部定位1306注入管218,以及 大體上在目的區(qū)域210的頂部定位1308采出管216。
方法1300包括注入單元120將流體122注入1310到目的區(qū)域210中。 將流體122注入到目的區(qū)域210中的注入步驟1310可包括以高于油頁(yè)巖 層流體壓力并低于地層壓裂壓力的壓力注入流體122,以便于流體122驅(qū) 替表層中的自由水。
熱輸送單元124可通過(guò)井下燃燒器404加熱132流體122，形成攜帶 干酪^f艮的采出流體126。釆出^1塊216可產(chǎn)生1314采出流體126。方法1300 還包括處理模塊128加熱1316采出流體126到目標(biāo)溫度，在催化反應(yīng)器 302中處理1318采出流體126，以減少所攜帶的干酪根的平均分子量。處 理1318采出流體126還包括從天然氣儲(chǔ)存設(shè)備110中加天然氣到采出流 體126中，以估算到在催化反應(yīng)器302內(nèi)所用氬氣的最小量。
圖14A是本發(fā)明的用于從包括第一和第二目的區(qū)域210、 502的油頁(yè) 巖中提取油的方法1400的流程圖。方法1400開(kāi)始于鉆削單元112鉆削14 02 到目的區(qū)域210的頂部和底部的至少一條流體管路。完井單元118穿過(guò)目 的區(qū)域210放置1404采出套管602,在目的區(qū)域210頂部和底部主會(huì)套管 602射孔1406。
增產(chǎn)模塊116可以使目的區(qū)域210增產(chǎn)1408。完井單元118在目的區(qū) 域210底部的套管602中安裝1410注入管218。循環(huán)單元(未畫(huà)出)可以 通過(guò)枯竭區(qū)704的鄰井702對(duì)流體122進(jìn)行循環(huán)1412。熱輸送單元124可 通過(guò)太陽(yáng)能收集器136和氣體燃燒器134加熱1414流體122。
方法1400可包括注入單元120,將流體122注入1416到目的區(qū)域210 中，流體可加熱并攜帶目的區(qū)域210內(nèi)的干酪根，形成采出流體126。采 出管116可產(chǎn)生1418采出流體126。
參見(jiàn)圖14B,方法1400可用增產(chǎn)單元116來(lái)增產(chǎn)1420第二目的區(qū)域 502。隔離單元(未畫(huà)出)可隔離第一目的區(qū)域210。完井單元118可在第 二目的區(qū)域502的底部安裝1424注入管118。循環(huán)單元(未畫(huà)出)可循環(huán) 通過(guò)枯竭區(qū)704的鄰井702對(duì)流體122進(jìn)行循環(huán)1426。熱輸送單元124可通過(guò)太陽(yáng)能收集器136和氣體燃燒器134加熱1428流體122。注入單元 120可注1430流體122進(jìn)入第二目的區(qū)域502,流體122在其中可加熱并 攜帶第二目的區(qū)域502內(nèi)的干酪根，形成采出流體126。采出管116可產(chǎn) 生1432采出流體126。
圖15A是從油頁(yè)巖中提取油的方法1500的流程圖。方法1500開(kāi)始于 鉆削單元112,鉆削1502與目標(biāo)區(qū)i或210的頂部流體相通的第一水平井賴二 802,以及鉆削1502與目的區(qū)域210的底部流體相通的第二水平井段804。 方法1500包括增產(chǎn)模塊116來(lái)增產(chǎn)1504目的區(qū)域210,完井單元118在 目的區(qū)域210底部安裝注入管218。
方法1500包括注入單元120,注1508流體122進(jìn)入目的區(qū)域210， 熱輸送單元124加熱流體122，以Y更于加熱的流體122帶走干酪根，形成 采出流體126。方法1500包括采出管216形成采出流體126。方法1500 可繼續(xù)用鉆削單元112鉆削1514與第二目的區(qū)域502的頂部流體相通的 第三水平井段902,在此，第一水平井^: 802與第二目的區(qū)域502的底部 流體相通。
參照?qǐng)D15B，增產(chǎn);f莫塊116可增產(chǎn)1516第二目的區(qū)域502。完井單元 118在第二目的區(qū)域502底部安裝1518注入管218。方法1500包4舌隔離 單元(未畫(huà)出)以使與第一目的區(qū)域804流體相通的流體管路和與第二目 的區(qū)域802、 902流體相通的流體管3各隔離1520。
方法1500包括注入單元120,注1508流體122進(jìn)入第二目的區(qū)域502, 熱輸送單元124加熱1510流體122，以-便于加熱的流體122攜帶干酪才艮， 形成采出流體126。方法1500可包括采出管216形成1512釆出流體126。
從前述討論看，很清楚本發(fā)明可提供一種從油頁(yè)巖中現(xiàn)場(chǎng)提取油的系 統(tǒng)、方法和設(shè)備。本發(fā)明以環(huán)境保護(hù)的方式通過(guò)利用不太昂貴的完井技術(shù) 提供能量高效工藝而生產(chǎn)石油，克服了目前技術(shù)的一些局限性。
本發(fā)明可以其他特定形式實(shí)施而不偏離本發(fā)明的精神。所描述的實(shí)施 方式應(yīng)被理解成是說(shuō)明性的而不是限制性的。因此，本發(fā)明的范圍是由所 述權(quán)利要求界定，而不是由前述說(shuō)明書(shū)來(lái)界定。所有來(lái)自所附權(quán)利要求以 及等價(jià)物的意義和范圍的修改都落在本發(fā)明的范圍內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種用于從油頁(yè)巖中提取油的設(shè)備，所述設(shè)備包括鉆削單元，其被設(shè)置來(lái)鉆到油頁(yè)巖層的目的區(qū)域的頂部和所述目的區(qū)域的底部的至少一條流體管路；增產(chǎn)模塊，其被設(shè)置來(lái)使所述目的區(qū)域增產(chǎn)；完井單元，其被設(shè)置成大體上在所述目的區(qū)域的所述底部定位注入管；注入單元，其被設(shè)置來(lái)將流體注入到所述目的區(qū)域中；熱輸送單元，其被設(shè)置來(lái)加熱流體，以使加熱的流體帶走干酪根，形成采出流體；和采出模塊，其產(chǎn)生所述采出流體。
2. 按照權(quán)利要求1所述的設(shè)備，其中所述注入單元還被設(shè)置來(lái)將所 述流體注入到所述目的區(qū)域中，以使所述流體驅(qū)替所述目的區(qū)域內(nèi)的自由 水。
3. 按照權(quán)利要求1所述的設(shè)備，其中所述熱輸送單元還被設(shè)置來(lái)加 熱所述流體，以使得在所述目的區(qū)域的所述底部處所述流體的溫度高于 300攝氏度。
4. 按照權(quán)利要求1所述的設(shè)備，其中所述熱輸送單元還被設(shè)置來(lái)加 熱所述流體，以使得在所述目的區(qū)域的所述底部處所述流體的溫度高于 400攝氏度。
5. 按照權(quán)利要求1所述的設(shè)備，其中所述熱輸送單元還被設(shè)置來(lái)在 表層處加熱所述流體，且其中所述注入管包括真空絕緣管。
6. 按照權(quán)利要求5所述的設(shè)備，其中在表層處加熱所述流體包括用 至少 一個(gè)太陽(yáng)能收集器加熱所述流體。
7. 按照權(quán)利要求5所述的設(shè)備，其中在表層處加熱所述流體包括用天然氣燃燒器加熱所述流體。
8. 按照權(quán)利要求1所述的設(shè)備，其中所述熱輸送單元包括井下燃燒 器，所述井下燃燒器被設(shè)置來(lái)加熱所述至少一條流體管路內(nèi)的所述流體。
9. 按照權(quán)利要求1所述的設(shè)備，還包括處理模塊，所述處理模塊被 設(shè)置來(lái)將所述采出流體加熱到目標(biāo)溫度，并使得所述采出流體在催化反應(yīng) 器中反應(yīng)。
10. 按照權(quán)利要求9所述的設(shè)備，其中所述目標(biāo)溫度包括大于350攝 氏度的溫度。
11. 按照權(quán)利要求1所述的設(shè)備，其中所述鉆削單元包括螺旋管鉆削 單元。
12. 按照權(quán)利要求1所述的設(shè)備，其中所述增產(chǎn)模塊包括爆炸裝置。
13. 按照權(quán)利要求1所述的設(shè)備，其中所述采出模塊包括大體上定位 在所述目的區(qū)域的所述頂部處的采出管。
14. 按照權(quán)利要求1所述的設(shè)備，其中 所述目的區(qū)域包括第一目的區(qū)域；其中所述增產(chǎn)模塊還被設(shè)置來(lái)使第二目的區(qū)域增產(chǎn)；其中所述完井單元還被設(shè)置成大體上在所述第二目的區(qū)域的所述底 部定位所述注入管；所述設(shè)備包括隔離單元，所述隔離單元被設(shè)置來(lái)使所述至少一條流體 管路與所述第 一 目的區(qū)域隔離；其中所述注入單元還被設(shè)置來(lái)將所述流體注入到所述第二目的區(qū)域 中；以及其中所述熱輸送單元還被設(shè)置來(lái)加熱所述流體，以使加熱的流體的能 量帶走所述第二目的區(qū)域中的現(xiàn)場(chǎng)干酪根，形成所述采出流體。
15. 按照權(quán)利要求14所述的設(shè)備，其中所述隔離單元包括橋塞或水泥塞。200
16. —種用于從油頁(yè)巖中提取油的方法，所述方法包括 鉆削到油頁(yè)巖層的目的區(qū)域的頂部和所述目的區(qū)域的底部的至少一條流體管路；使所述目的區(qū)域增產(chǎn)；將流體注入到所述目的區(qū)域；加熱所述流體，以使加熱的流體帶走現(xiàn)場(chǎng)干酪根，形成采出流體；以及產(chǎn)生所述采出流體。
17. 按照權(quán)利要求16所述的方法，其中將流體注入到所述目的區(qū)域 的所述步驟還包括在高于地層流體壓力并低于地層壓裂壓力的壓力下將 所述流體注入到所述目的區(qū)域中，以使所述流體驅(qū)替所述目的區(qū)域內(nèi)的自 由水。
18. 按照權(quán)利要求16所述的方法，還包括將所述采出流體加熱到 目標(biāo)溫度，以及在催化反應(yīng)器中處理所述采出流體以減少所攜帶的干酪根 的平均分子量。
19. 按照權(quán)利要求18所述的方法，還包括將天然氣添到所述采出 流體，以使得有少量氫可用于在所述催化反應(yīng)器中的反應(yīng)。
20. 按照權(quán)利要求16所述的方法，還包括大體上在所述目的區(qū)域的 所述頂部定位采出管，且其中產(chǎn)生所述采出流體的所述步驟包括使所述采 出流體上流到所述采出管。
21. 按照權(quán)利要求16所述的方法，還包括穿過(guò)油頁(yè)巖層設(shè)置采出套 管、大體上在所述目的區(qū)域的所述底部附近給所述采出套管射孔、大體上 在所述目的區(qū)域的所述頂?shù)撞扛浇o所述采出套管射孔，其中定位所述注 入管的所述步驟還包括在所述釆出套管內(nèi)定位所述注入管，且其中產(chǎn)生所 述采出流體的所述步驟包括使所述釆出流體上流到形成在所述采出套管 和所述注入管之間的環(huán)。
22. 按照權(quán)利要求21所述的方法，其中使所述采出流體上流到形成 在所述采出套管和所述注入管之間的環(huán)的所述步驟包括使所述產(chǎn)品上流 過(guò)所述環(huán)內(nèi)的采出管。
23. 按照權(quán)利要求16所述的方法，其中所述流體包括天然氣。
24. 按照權(quán)利要求23所述的方法，其中加熱所述流體的所述步驟包 括選自由用太陽(yáng)能收集器加熱所述流體的步驟以及用設(shè)置來(lái)燃燒所述采 出流體的 一部分的氣體燃燒器加熱所述流體的步驟所組成的組中的任何 一個(gè)。
25. 按照權(quán)利要求23所述的方法，其中加熱所述流體的所述步驟包 括使所述流體通過(guò)鄰井中的大體上枯竭的區(qū)域循環(huán)，所述大體上枯竭的區(qū) 域包括干酪根大體上枯竭的頁(yè)巖層。
26. 按照權(quán)利要求16所述的方法，其中所述流體可包括選自由曱烷、 乙烷、丙烷、丁烷、烴氣、氫氣、 一氧化碳、氮?dú)?，氦氣、氬氣、氖氣組 成的組中的至少一個(gè)。
27. 按照權(quán)利要求16所述的方法，其中加熱所述流體的所述步驟包 括在所述至少 一條流體管路內(nèi)用井下燃燒器加熱所述流體。
28. 按照權(quán)利要求16所述的方法，其中鉆削到油頁(yè)巖層的目的區(qū)域 的頂部和所述目的區(qū)域的底部的至少 一 條流體管路的所述步驟包括鉆削 通過(guò)油頁(yè)巖層的垂直井，且其中所述目的區(qū)域包括目的區(qū)域厚度(TZT)。
29. 按照權(quán)利要求28所述的方法，其中所述TZT包括25英尺到100英尺的厚度。
30. 按照權(quán)利要求28所述的方法，還包括鉆削通過(guò)油頁(yè)巖層的多口 垂直井，其中所述多口垂直井以約0.5倍TZT到約2.0倍TZT之間的距離間隔開(kāi)。
31. 按照權(quán)利要求28所述的方法，其中所述目的區(qū)域包括第一目的 區(qū)域，所述方法還包括使第二目的區(qū)域增產(chǎn)、大體上在所述第二目的區(qū)域 的所述底部定位所述注入管、使所述至少一條流體管路與所述第一目的區(qū) 域隔離、將所述流體注入到所述第二目的區(qū)域中、加熱所述流體以-使加熱的流體帶走所述第二目的區(qū)域內(nèi)的干酪根以形成采出流體，以及產(chǎn)生所述 采出流體。
32. 按照權(quán)利要求16所述的方法，其中鉆削到油頁(yè)巖層的目的區(qū)域 的頂部和所述目的區(qū)域的底部的至少一條流體管路的所述步驟包括鉆削 與所述目的區(qū)域的所述頂部部分流體相通的第一水平井段，以及鉆削與所 述目的區(qū)域的所述底部部分流體相通的第二水平井段。
33. 按照權(quán)利要求32所述的方法，其中所述目的區(qū)域包括等于所述 目的區(qū)域的高度的水平寬度。
34. 按照權(quán)利要求32所述的方法，其中所述目的區(qū)域包括第一目的 區(qū)域，所述方法還包括鉆削與第二目的區(qū)域的頂部部分流體相通的第三水 平井段，其中所述第一水平井段與所述第二目的區(qū)域的底部部分流體相 通，所述方法還包括使所述第二目的區(qū)域增產(chǎn)、大體上在所述第二目的區(qū) 域的所述底部定位所述注入管、使所述至少一條流體管路與所述第一目的 區(qū)域隔離、將所述流體注入到所述第二目的區(qū)域中、加熱所述流體以使加 熱的流體帶走所述第二目的區(qū)域中的現(xiàn)場(chǎng)干酪根以形成所述采出流體，以 及產(chǎn)生所述采出流體。
35. —種從油頁(yè)巖中現(xiàn)場(chǎng)提取油的系統(tǒng)，所述系統(tǒng)包括三相分離器，其一皮-沒(méi)置來(lái)將采出流體分離為油、水和天然氣；液力耦合器，其被設(shè)置來(lái)將分離出的水送到水處理系統(tǒng)、將分離出的 油送至油儲(chǔ)存設(shè)備，及將分離出的天然氣送至天然氣儲(chǔ)存設(shè)備；鉆削單元，其被設(shè)置來(lái)鉆削到油頁(yè)巖層的目的區(qū)域的頂部和所述目的 區(qū)域的底部的至少 一條流體管路；增產(chǎn)模塊，其被設(shè)置來(lái)使所述目的區(qū)域增產(chǎn)；完井單元，其被設(shè)置來(lái)大體上在所述目的區(qū)域的所述底部定位注入官，注入單元，其被設(shè)置來(lái)將流體注入到所述目的區(qū)域中；熱輸送單元，其被設(shè)置來(lái)加熱所述流體，以使加熱的流體帶走現(xiàn)場(chǎng)干酪根，以產(chǎn)生采出流體；采出模塊，其產(chǎn)生所述采出流體；處理模塊，其被設(shè)置來(lái)將所述采出流體加熱到目標(biāo)溫度，以及使所述 采出流體在催化反應(yīng)器中反應(yīng)；以及冷凝單元，其被設(shè)置來(lái)冷卻反應(yīng)后的采出流體，并將所述反應(yīng)后的采 出流體輸送到所述三相分離器中。
36.按照權(quán)利要求35所述的系統(tǒng)，還包括油加熱器，所述油加熱器 被設(shè)置成接收來(lái)自太陽(yáng)能收集器的熱以及接收來(lái)自天然氣加熱器的熱，其 中所述熱輸送單元進(jìn)一步被設(shè)置來(lái)使用來(lái)自所述油加熱器的熱加熱所述 流體，且其中所述注入管包括真空隔離管。
全文摘要
一種從油頁(yè)巖中現(xiàn)場(chǎng)提取油的設(shè)備、系統(tǒng)和方法。本方法包括鉆削在油頁(yè)巖地層內(nèi)的目的區(qū)域(210)的底部和頂部流體相通的一條流體管路(114)。本方法包括使目的區(qū)域(210)增產(chǎn)。本方法還包括注入加熱流體(122)到目的區(qū)域(210)底部，以使加熱流體(122)攜帶目的區(qū)域(210)中的干酪根進(jìn)入到所注入的流體(122)中形成采出液(126)。本方法涉及含現(xiàn)場(chǎng)干酪根的采出液(126)從目的區(qū)域(210)的頂部到地表的形成。
文檔編號(hào)C10G1/00GK101292011SQ200680033953
公開(kāi)日2008年10月22日 申請(qǐng)日期2006年9月14日 優(yōu)先權(quán)日2005年9月14日
發(fā)明者凱文·夏利夫 申請(qǐng)人:凱文·夏利夫