[发明专利]用于原位热解富含有机物岩层的增强的对流

说明书

背景

相关申请的交叉引用

本申请根据35U.S.C.§119(e)要求于2009年12月17日提交的名称为“用于原位热解富含有机物岩层的增强的对流”的美国临时专利申请号61/287,568的权益，并且为了所有的目的通过引用以其整体并入本文。另外，本申请要求于2010年11月15日提交的，名称为“用于原位热解富含有机物岩层的增强的对流”的美国实用新型专利申请号12/946,532的优先权，并且为了所有的目的通过引用以其整体并入本文。

本申请与2008年3月7日提交的美国专利申请号12/074,899相关。该申请的名称为“用于原位地层加热的颗粒电连接”并且通过引用以其整体并入本文。该申请要求于2007年3月22日提交的美国临时专利申请号60/919,391的权益。该临时申请的名称也是“用于原位地层加热的颗粒电连接”。

技术领域

本说明书涉及从地下地层采收烃的领域。更具体而言，本说明书涉及从富含有机物的岩层原位采收烃流体，所述富含有机物的岩层包括例如油页岩地层、煤地层和焦油砂地层。本说明书也涉及在热解过程期间提供增强的热对流经过富含有机物的岩层的方法。

背景技术

已知某些地质地层包含被称为“干酪根(kerogen)”的有机物。干酪根是固体含碳物质。当干酪根嵌在岩层中时，该混合物被称为油页岩。不管该矿物质在技术上事实上是不是页岩也即是从致密粘土形成的岩石，这都是如此。

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变得可流动，而含碳焦炭保持基本上不动。

在世界范围内的各个地区包括美国都发现了油页岩地层。值得注意的，在怀俄明州、科罗拉多州和犹他州发现了这样的地层。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——其还没有经历被认为是形成常规油和气储量所需的多年的热和压力。

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270℃(518℉)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油和气的较小分子。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进行一个多世纪。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。但是，因为它被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入本文。)此外，地表干馏需要开采油页岩，这将具体应用限定于非常浅的地层。

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年代后半期进行。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Fredrik Ljungstrom。发明名称为“处理油页岩的方法以及从中采收油和其它矿物产物(Method of Treating Oil Shale and Recovery of Oil and Other Mineral Products Therefrom)”的该专利提议在高温下将热原位应用于油页岩地层。这种原位加热的目的是蒸馏烃并将它们采出地表。该′195Ljungstrom专利通过引用以其整体并入本文。

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，热供给通道充当早期的热注入井。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，同时基本上防止流体的流入。根据Ljungstrom，在某些应用中，该地下“集合体(aggregate)”被加热至500℃与1,000℃之间。