CN101313126B - 溶液采矿系统和用于处理含烃地层的方法 - Google Patents

Abstract

在使用原位热处理法从地层中生产烃之前用于处理含烃地层的方法包括：将包括热水或蒸汽的第一流体提供到部分地层，其中所述第一流体最初处于地层中的苏打石的分解温度以下的温度下；从所述部分中生产第二流体，其中所述第二流体含苏打石；由一个或多个加热器向地层提供热以加热地层；和从地层中生产烃流体。随着溶液采矿的进展，可以提高第一流体温度以使得到达苏打石的第一流体的温度在分解温度以下并使得第一流体的温度在地层中的烃的热解温度以下。

Description

溶液采矿系统和用于处理含烃地层的方法

技术领域

本发明总体涉及用于从各种地下地层例如含烃地层中生产可溶性矿物和其它产品的方法和系统。

背景技术

从地下地层中获得的烃常常用作能源、作为原料和作为消费品。对可获得的烃源耗尽的担心和对所生产的烃的总质量下降的担心已经导致开发了更加有效地采收、加工和/或使用可获得的烃源的方法。可使用原位法从地下地层中移出烃物质。可能需要改变地下地层内的烃物质的化学和/或物理性能，以允许烃物质更加容易地从地下地层中移出。化学和物理变化可包括产生可移出流体、组成变化、溶解度变化、密度变化、相变和/或地层内烃物质的粘度变化的原位反应。流体可以是但不限于气体、液体、乳液、淤浆和/或具有与液体流动类似流动特征的固体颗粒的物流。

除了烃之外，许多含烃地层包括可溶性矿物。可溶性矿物可大量存在于地层中。一些可溶性矿物可具有大的经济价值。在原位热处理法期间使用的温度下，一些可溶性矿物可能经历分解反应。分解反应可能是需要额外的热输入到地层中和/或生成不希望的反应产物例如二氧化碳的不希望的吸热反应。

在使用原位热处理法处理地层之前可以有利地从地层中除去可溶性矿物。除去可溶性矿物减少了需要在原位热处理法期间加热的地层中的物质。除去可溶性矿物明显减少或消除了在原位热处理法的加热期间地层中不希望的吸热反应和这类反应的副产物。Vinegar等的美国专利No.6,997,518描述了用于溶液采矿油页岩地层和用于从油页岩地层中生产烃的系统和方法。使用原位转化法从地层中生产烃。使用溶液采矿从地层中生产苏打石和/或其它可溶性矿物。

苏打灰可由碳酸氢钠生产。由碳酸氢钠生产苏打灰需要热并产生二氧化碳。提供热源和使用或处理产生的二氧化碳的能力可能有问题。因此，需要利用地层提供当制备苏打灰时所需的热和/或储存产生的二氧化碳的用于处理地层的改进的方法和系统。

发明内容

本文中描述的实施方案总体涉及用于处理地下地层的系统和方法。本文中描述的实施方案还总体涉及在使用原位热处理法从地层中生产烃之前用于处理含烃地层的溶液采矿系统和方法。

在一些实施方案中，本发明提供一种用于处理含苏打石的油页岩地层的方法，其包括：通过至少两个注射井将第一流体提供到部分地层；通过至少一个注射井从所述部分生产第二流体直到至少两个注射井相互连接使得流体可以在两个注射井之间流动，其中所述第二流体含至少一些溶于第一流体中的苏打石；通过相互连接的注射井中的一个注入第一流体；从至少一个相互连接的注射井中生产第二流体；由一个或多个加热器向地层提供热以加热地层；和从地层中生产烃流体。

在一些实施方案中，本发明提供一种用于处理含苏打石的油页岩地层的方法，其包括：将第一流体提供到部分地层；从所述部分生产第二流体，其中所述第二流体含至少一些溶于第一流体中的苏打石；由一个或多个加热器向地层提供热以加热地层；将受控量的氧化剂提供到所述部分地层；和从地层中生产烃流体。

在一些实施方案中，本发明提供一种用于处理含苏打石的油页岩地层的方法，其包括：将第一流体提供到部分地层；从所述部分生产第二流体以使所述部分地层的至少一些选择性垂直移位，所述第二流体含至少一些溶于第一流体中的苏打石；由一个或多个加热器向地层提供热以将已经垂直移位的至少部分地层加热；和从地层中生产烃流体。

在一些实施方案中，本发明提供一种用于处理含苏打石的油页岩地层的方法，其包括：将包括蒸汽的第一流体提供到部分地层，其中所述第一流体处于所述部分地层中的烃的热解温度以下的温度下；从所述部分生产第二流体，其中所述第二流体含苏打石；由一个或多个加热器向地层提供热以加热地层；和从地层中生产烃流体。

附图说明

在受益于下述详细说明并参考附图的情况下，本发明的优点对于本领域的技术人员来说将变得显而易见，其中：

图1给出了用于处理含烃地层的原位热处理系统的一部分的实施方案的示意图。

图2描述了溶液采矿井的一个实施方案。

图3描述了溶液采矿井的一部分的示意图。

图4描述了溶液采矿井的一部分的示意图。

图5描述了用于溶液采矿和/或原位热处理法的井模式的正视图。

图6描述了用于溶液采矿和从地层中生产烃的原位热处理法的井的示意图。

图7描述了用于溶液采矿地层的实施方案。

图8描述了在从地层中溶液采矿苏打石之前在地层中含有苏打石层的地层的实施方案。

图9描述了在溶液采矿苏打石之后图8的地层。

图10描述了被一个区相互连接的两个注射井的实施方案，该区已经被溶液采矿以从中除去苏打石。

图11描述了在地层中用于加热含有碳钠铝石的地层的实施方案。

尽管本发明易于进行各种改进和替代形式，但其具体实施方案通过附图内的实施例方式给出，且可在此处详细描述。附图可能不是按比例的。然而，应当理解，附图及其详细说明不打算限制本发明到所公开的特定形式，相反，本发明拟覆盖落在所附权利要求定义的本发明的精神与范围内的所有改进、等价和替代方案。

具体实施方式

以下描述总体涉及用于处理地层中的烃和矿物的系统和方法。可以处理这些地层以得到烃产品、氢气、矿物和其它产品。

“烃”通常定义为主要由碳和氢原子形成的分子。烃也可包括其它元素，例如但不限于卤素、金属元素、氮、氧和/或硫。烃可以是但不限于油母质、沥青、焦沥青、油、天然矿物蜡和沥青岩。烃可位于地壳内的矿物母岩内或者与之相邻。母岩可包括但不限于沉积岩、砂子、硅酸盐、碳酸盐、硅藻土和其它多孔介质。“烃流体”是含烃的流体。烃流体可含有、夹带或者被夹带在非烃流体内，所述非烃流体例如氢气、氮气、一氧化碳、二氧化碳、硫化氢、水和氨气。

“地层”包括一层或多层含烃层、一层或多层非烃层、上覆地层和/或下伏地层。“上覆地层”和/或“下伏地层”包括一类或更多不同类的不可渗透材料。例如上覆地层和/或下伏地层可包括岩石、页岩、泥岩或湿/致密碳酸盐。在原位热处理法的一些实施方案中，上覆地层和/或下伏地层可包括一层含烃层或多层含烃层，所述含烃层相对不可渗透且没有经历导致上覆地层和/或下伏地层中含烃层显著特性变化的原位热处理加工过程中的温度。例如下伏地层可含页岩或泥岩，但不允许加热上覆地层到原位热处理法期间的热解温度下。在一些情况下，上覆地层和/或下伏地层可具有一些渗透性。

“油母质”是一种通过自然降解而转化和主要含碳、氢、氮、氧和硫的固态不溶性烃。煤和油页岩是含油母质的材料的典型例子。“沥青”是一种基本可溶于二硫化碳中的非结晶固体或粘性烃材料。“油”是一种含可冷凝烃的混合物的流体。

“地层流体”是指存在于地层内的流体，且可包括热解流体、合成气、运动流体、减粘流体和水(蒸汽)。地层流体可包括烃流体以及非烃流体。术语“运动流体”是指作为热处理地层的结果能流动的含烃地层内的流体。“减粘流体”是指作为热处理地层的结果而具有降低的粘度的流体。

“所生产的流体”是指从地层中移出的地层流体。

“传热流体”包括在标准温度和压力(STP)(0℃和101.325kPa)下具有比空气更高的导热率的流体。

“热源”是基本通过传导和/或辐射传热提供热量到至少部分地层的任何系统。例如热源可包括电加热器，例如绝缘导体、伸长构件和/或在导管内布置的导体。热源也可包括通过在地层外部或者内部燃烧燃料生成热的系统。该系统可以是表面燃烧器、井下气体燃烧器、无火焰的分布燃烧器和自然分布的燃烧器。在一些实施方案中，可通过其它能源供应在一个或多个热源内提供或生成的热量。其它能源可直接加热地层，或者可施加能量到传递介质上，所述传递介质直接或间接加热地层。应理解向地层施加热量的一个或多个热源可使用不同的能源。因此，例如对于给定的地层来说，某些热源可由电阻加热器供应热量，某些热源可由燃烧提供热量，而某些热源可由一种或多种其它能源(例如化学反应、太阳能、风能、生物物质或其它可再生的能源)提供热量。化学反应可包括放热反应(例如氧化反应)。热源也可包括提供热量到与加热位置相邻区域和/或在其周围区域例如加热器井的加热器。

“加热器”是在井内或者在附近的井孔区域内生成热的任何系统或热源。加热器可以是但不限于电加热器、燃烧器、与在地层内的材料或者从地层中产生的材料反应的燃烧器、和/或它们的组合。

“原位转化法”是指用热源加热含烃地层以将至少部分地层的温度升高到热解温度之上以使得在地层中生产热解流体的方法。

术语“井孔”是指通过在地层内钻探或者插入导管形成的地层内的孔。井孔可具有基本上圆形的截面，或者为其它截面形状。此处所使用的术语“井”和“开口”当是指在地层内的开口时，可与术语“井孔”互换使用。

“u-形井孔”是指从地层中的第一开口延伸通过至少部分地层并且在地层中的第二开口通出的井孔。在本上下文中，井孔可以仅仅大致为“v”或“u”的形状，应理解的是对于被认为是“u-形”的井孔而言，该“u”的“腿”不需要彼此平行或者与“u”的“底部”垂直。

“热解”是由于施加热量导致的化学键断裂。例如热解可包括通过单独加热将化合物转化成一种或多种其它物质。热量可转移到部分地层上以引起热解。

“热解流体”或“热解产品”是指基本上在热解烃的过程中产生的流体。通过热解反应产生的流体可与地层内的其它流体混合。该混合物将被视为热解流体或热解产品。此处所使用的“热解区”是指反应了或者正在反应形成热解流体的地层体积(例如相对可渗透的地层，如焦油砂地层)。

“热的叠加”是指由两个或更多个热源向选择的地层部分提供热以使得至少在热源之间一个位置地层的温度受到热源的影响。

“可冷凝的烃”是在25℃和一个大气压绝压下冷凝的烃。可冷凝的烃可以包括碳数大于4的烃的混合物。“不可冷凝的烃”是在25℃和一个大气压绝压下不会冷凝的烃。不可冷凝的烃可以包括碳数小于5的烃。

“合成气”是包括氢气和一氧化碳的混合物。合成气的另外组分可以包括水、二氧化碳、氮气、甲烷和其它气体。合成气可以由各种方法和原料生成。合成气可用于合成多种化合物。

“沉降”是相对于表面的初始高度部分地层向下移动。

层的“厚度”是指层的横截面的厚度，其中该横截面与层的表面垂直。

“重质烃”是粘性烃流体。重质烃可以包括高度粘稠的烃流体例如重质油、焦油和/或沥青。重质烃可以含碳和氢以及更小浓度的硫、氧和氮。附加元素也可以微量存在于重质烃中。重质烃可以通过API比重度而分级。重质烃通常具有低于约20°的API比重度。例如重质油通常具有约10-20°的API比重度，而焦油通常具有低于约10°的API比重度。在15℃下，重质烃的粘度通常大于约100厘泊。重质烃可以包括芳烃或其它复杂的环烃。

可以在相对可渗透的地层中发现重质烃。相对可渗透的地层可以包括夹带在例如砂子或碳酸盐中的重质烃。就地层或部分地层而言，“相对可渗透”被定义为10毫达西或更大(例如10或100毫达西)的平均渗透性。就地层或部分地层而言，“相对低的渗透性”被定义为小于约10毫达西的平均渗透性。一个达西等于约0.99平方微米。不可渗透的层通常具有小于约0.1毫达西的渗透性。

“焦油”是通常在15℃下具有大于约10,000厘泊的粘度的粘性烃。焦油的比重通常大于1.000。焦油可以具有小于10°的API比重度。

可以各种方式处理含烃地层以生产许多不同的产品。含烃地层可以分阶段处理。在一些实施方案中，可以最初用溶液采矿法处理含烃地层。溶液采矿法可以从地层中除去一些可溶性矿物。在溶液采矿法之后，可以使用原位热处理法从地层中生产烃和/或氢气。可以通过加热地层以使存在的烃流动、通过热解反应和/或通过合成气反应而在地层中生产烃和/或氢气。在原位热处理法之后，可以用溶液采矿法处理地层。在一些实施方案中，溶液采矿可以生产地层中一些残余的碳。在原位热处理法之后使用的溶液采矿法可允许生产在加热地层期间形成的矿物化合物。

图1描述了用于处理含烃地层的系统的一部分的实施方案的示意图。原位热处理系统可包括屏蔽井200。使用屏蔽井在处理区周围形成屏蔽层。屏蔽层抑制流体流出和/或流入处理区。屏蔽井包括但不限于脱水井、真空井、捕集井、注射井、泥浆井、冷冻井或它们的组合。在一些实施方案中，屏蔽井200是脱水井。脱水井可除去液体水和/或抑制液体水进入待加热的部分地层内或者正在加热的地层内。在图1描述的实施方案中，给出了仅仅沿着热源202的一侧延伸的屏蔽井200，但屏蔽井典型地包围所使用的或者待使用的加热地层的处理区的全部热源202。

热源202置于至少部分地层内。热源202可包括加热器，例如绝缘导体、导管内的导体加热器、表面燃烧器、无火焰的分布/或自然分布的燃烧器。热源202也可包括其它类型的加热器。热源202提供热量到至少部分地层以加热地层内的烃。可通过供应线204供应能量到热源202。供应线204在结构上可以不同，这随着加热地层所使用的一种热源或多种热源的类型。用于热源的供应线204可传输用于电加热器的电，可运输用于燃烧器的燃料，或者可运输在地层内循环的换热流体。

使用生产井206从地层中除去地层流体。在一些实施方案中，生产井206包括一个或多个热源。在生产井内的热源可加热在生产井处或其附近的地层的一个或多个部分。生产井中的热源可以抑制从地层中除去的地层流体冷凝和回流。

由生产井206生产的地层流体可通过收集管道208输送到处理设施210中。也可由热源202生产地层流体。例如可由热源202生产流体，以控制与热源相邻的地层内的压力。由热源202生产的流体可通过管道或管线输送到收集管线208中，或者所生产的流体可通过管道或管线直接输送到处理设施210中。处理设施210可包括加工所生产的地层流体用的分离单元、反应单元、提质单元、燃料电池、涡轮机、储存容器和/或其它系统和单元。处理设施可由地层生产的至少一部分烃形成运输燃料。

一些含烃地层例如油页岩地层可以在地层中含苏打石、天然碱、碳钠铝石和/或其它矿物。在一些实施方案中，苏打石含于部分未沥滤或未沥滤的地层部分中。地层的未沥滤部分是其中尚未通过地层中的地下水除去矿物的地层部分。例如，在Colorado，U.S.A.的Piceance盆地中，在地面以下约500m深度以下发现未沥滤的油页岩。在Piceance盆地中心深的未沥滤的油页岩地层倾向于相对富含烃。例如，可从未沥滤的油页岩地层中生产约0.10升-约0.15升油/千克(L/kg)油页岩。

苏打石是含碳酸氢钠(NaHCO₃)的矿物。在Colorado，U.S.A.的格块河河床的地层中可以发现苏打石。在一些实施方案中，至少约5wt％、至少约10wt％或至少约20wt％的苏打石可能存在于地层中。碳钠铝石是含钠铝碳酸盐(NaAl(CO₃)(OH)₂)的矿物。碳钠铝石通常以大于约2wt％、或者在一些实施方案中大于约5wt％的重量百分比存在于地层中。在原位热处理法中使用的温度下，苏打石和/或碳钠铝石可能分解。该分解是强吸热的和可能产生大量二氧化碳。

在地层原位处理之前、期间和/或之后可以将苏打石和/或碳钠铝石溶液采矿以避免分解反应和/或获得所希望的化合物。在一些实施方案中，在使用原位热处理法处理地层中的烃之前使用热水或蒸汽原位溶解苏打石以形成含水碳酸氢钠溶液。在水溶液中，苏打石可以形成钠离子(Na⁺)和碳酸氢根离子(HCO₃ ^-)。溶液可以通过生产井从地层中生产，由此避免在原位热处理法期间的分解反应。在一些实施方案中，在用于处理地层中的烃的原位热处理法期间，碳钠铝石热分解成氧化铝。在原位热处理法结束后，溶液采矿氧化铝。

用于溶液采矿和/或用于原位热处理法的生产井和/或注射井可以包括智能井技术。该智能井技术使得第一流体在地层中希望的区域中引入。该智能井技术使得从希望的区域中从地层中除去第二流体。

可以使用原位热处理法处理含苏打石和/或碳钠铝石的地层。在待处理的地层部分周围可以形成周边屏蔽。周边屏蔽可以抑制水迁移到处理区中。在溶液采矿和/或原位热处理法期间，周边屏蔽可以抑制溶解的矿物和地层流体从处理区迁移。在初始加热期间，可以将待处理的部分地层升至苏打石的分解温度以下的温度。所述第一温度可以为至多约90℃，或者在一些实施方案中至多约80℃。所述第一温度可以是提高苏打石在水中的溶解速率的任何温度，但也低于在其下苏打石分解的温度(在大气压下高于约95℃)。

可以将第一流体注入加热的部分。所述第一流体可以包括水、盐水、蒸汽或者与苏打石和/或碳钠铝石形成溶液的其它流体。第一流体可以处于升高的温度例如约90℃、约95℃或者约100℃下。该升高的温度可以类似于所述部分地层的第一温度。

在一些实施方案中，在升高的温度下将第一流体注入尚未通过热源加热的部分地层中。该升高的温度可以为第一流体的沸点以下的温度，例如对于水而言约为90℃。在升高的温度下提供第一流体提高了部分地层的温度。在一些实施方案中，在注入第一流体期间和/或之后可由地层中的一个或多个热源提供另外的热。

在其它实施方案中，第一流体是或者包括蒸汽。蒸汽可以通过在之前加热的地层部分中形成蒸汽(例如通过使水通过用于加热地层的u-形井孔)、通过与从地层中生产的流体换热、和/或通过在标准蒸汽生产设备中产生蒸汽而制得。在一些实施方案中，第一流体可以是直接引入所述部分的热部分并从地层的热部分中生产的流体。第一流体然后可以用作用于溶液采矿的第一流体。

在一些实施方案中，来自热的之前处理的地层部分的热被用于加热用于将新的地层部分溶液采矿的水、盐水和/或蒸汽。可以将传热流体引入热的之前处理的地层部分中。传热流体可以是水、蒸汽、二氧化碳和/或其它流体。热可以从热的地层传递到传热流体。传热流体通过生产井从地层中生产。将传热流体送入换热器。换热器可以加热用作第一流体以将新的地层部分溶液采矿的水、盐水和/或蒸汽。可以将传热流体重新引入热的地层部分以产生另外的热的传热流体。在一些实施方案中，作为用于加热的地层部分的补救方法的一部分，在重新引入地层之前将从地层中生产的传热流体处理以除去烃或其它材料。

注入用于溶液采矿的蒸汽可以具有在地层中的烃的热解温度以下的温度。注入的蒸汽可以处于250℃以下、300℃以下或400℃以下的温度下。注入的蒸汽可以处于至少150℃、至少135℃或至少125℃的温度下。在热解温度下注入蒸汽可能引起比如烃热解和烃细粒与蒸汽混合的问题。细粒和蒸汽的混合物可能降低生产井和地层的渗透性和/或使生产井和地层堵塞。因此，选择注入的蒸汽的温度以抑制地层和/或地层中的井堵塞。

在溶液采矿法期间，第一流体的温度变化。随着溶液采矿进展和被溶液采矿的苏打石远离注入点时，可以提高第一流体温度以使得到达被溶液采矿的苏打石的蒸汽和/或水处于苏打石的分解温度以下的高温下。到达苏打石的蒸汽和/或水还处于促进地层和/或地层中的井堵塞的温度(例如地层中的烃的热解温度)以下的温度下。

在将第一流体注入地层之后，可以从地层中生产第二流体。第二流体可以包括溶于第一流体中的材料。例如，第二流体可以包括由苏打石溶于第一流体中形成的碳酸或其它水合碳酸盐化合物。第二流体还可以包括矿物和/或金属。矿物和/或金属可以包括钠、铝、磷和其它元素。

在原位热处理法之前溶液采矿地层使得地层的初始加热能够由来自在溶液采矿期间使用的第一流体的传热提供。在原位热处理法之前将通过吸热反应而分解或离解的苏打石或其它矿物溶液采矿避免了将提供用于加热地层的能量被用于支持这些吸热反应。溶液采矿使得能够生产具有商业价值的矿物。在原位热处理法之前除去苏打石或其它矿物从地层中除去物质。因此，较少的物质存在于需要被加热至较高温度的地层中，和加热地层至较高的温度可以更迅速和/或更有效地实现。从地层中除去物质还可以提高地层的渗透性。提高渗透性可以减少原位热处理法所需的生产井的数目。在一些实施方案中，在原位热处理法之前溶液采矿将在地层加热启动与烃生产之间的时间延迟减少两年或更多。

图2描述了溶液采矿井212的实施方案。溶液采矿井212可以包括绝缘部分214、输入216、填塞器218和回流220。绝缘部分214可以在地层的上覆地层222附近。在一些实施方案中，绝缘部分214是低导电率水泥。该水泥可以是低密度、低导电率蛭石水泥或泡沫水泥。输入216可以将第一流体引导到处理区224。输入216中的穿孔或其它类型的开口使得第一流体接触处理区224中的地层材料。填塞器218可以限制为用于输入216的底部密封。第一流体通过输入216进入地层。第一流体溶解矿物并变成第二流体。第二流体可以比第一流体更稠。进入回流220的入口通常位于使得第一流体进入地层的穿孔或开口以下。第二流体流到回流220。第二流体通过回流220从地层中移出。

图3描述了溶液采矿井212的一个实施方案的示意图。溶液采矿井212可以包括输入216和外壳226中的回流220。输入216和/或回流220可以是盘管。

图4描述了溶液采矿井212的一个实施方案的示意图。绝缘部分214可以环绕回流220。输入216可以位于回流220中。在一些实施方案中，输入216可以将第一流体引入进入回流220的入口点下方的处理区。在一些实施方案中，可以采用交叉引导第一流体流动和第二流体流动以使得在第二流体进入回流220的入口点上方将第一流体从输入216引入地层。

图5描述了用于溶液采矿和/或用于原位热处理法的井的实施方案的正视图。可以等边三角形的形式将溶液采矿井212置于地层中。在一些实施方案中，溶液采矿井212之间的间隔可以为约36m。可以采用其它间隔。也可以将热源202以等边三角形形式设置。溶液采矿井212代替该形式的某些热源。在所示的实施方案中，热源202之间的间隔约为9m。溶液采矿井间隔与热源间隔之间的比为4。如果需要，可以采用其它比值。在溶液采矿结束后，可以使用溶液采矿井212作为用于原位热处理法的生产井。

在一些地层中，含有未沥滤的矿物的部分地层可以处于地层的沥滤部分的下方。该未沥滤的部分可以是厚的和基本不可渗透。处理区可以在未沥滤的部分中形成。处理区的侧面、上方和/或下方的地层的未沥滤部分可被用作流体流入和流出处理区的屏蔽。可以将第一处理区溶液采矿以除去矿物、提高处理区中的渗透性和/或提高处理区中烃的富集度。在将第一处理区溶液采矿之后，可以使用原位热处理来处理第二处理区。在一些实施方案中，第二处理区与第一处理区相同。在一些实施方案中，第二处理区具有比第一处理区更小的体积以使得由最外面的热源提供给地层的热不会将地层的未沥滤部分的温度升高至未沥滤部分中矿物的分解温度。

在一些实施方案中，在地层的未沥滤部分上方的沥滤或部分沥滤的地层部分可能含大量的烃材料。可以采用原位加热法从地层的未沥滤部分和沥滤或部分沥滤的部分中生产烃流体。图6描述了具有在沥滤区230下方的未沥滤区228的地层的示意图。在溶液采矿之前，未沥滤区228可以具有小于0.1毫达西的初始渗透性。可以将溶液采矿井212置于地层中。溶液采矿井212可以包括智能井技术，该技术允许第一流体进入地层和第二流体进入溶液采矿井的位置改变。可以使用溶液采矿井212以在未沥滤区228中形成第一处理区224′。未沥滤区最初可以是基本不可渗透的。未沥滤的地层部分可以形成围绕第一处理区224′的顶部屏蔽和侧面屏蔽。在将第一处理区224′溶液采矿之后，可以将第一处理区附近的溶液采矿井212部分转化成生产井和/或加热器井。

第一处理区224′中的热源202可用于将第一处理区加热至热解温度。在一些实施方案中，在将第一处理区224′溶液采矿之前将一个或多个热源202置于地层中。这些热源可用于初始加热地层以升高地层的温度和/或检验热源的功能。在一些实施方案中，在第一处理区溶液采矿期间或者在溶液采矿结束后安装一个或多个热源。在溶液采矿之后，可以使用热源202以将第一处理区224′至少部分的温度升高到地层中烃的热解温度以上，以使得在第一处理区中生成流动的烃。

可以将屏蔽井200引入地层。屏蔽井200的端部可以向内延伸和在未沥滤区228中终止。未沥滤区228可以是不可渗透的。在一些实施方案中，屏蔽井200是冷冻井。屏蔽井200可用于形成流体流入或流出未沥滤区230的屏蔽。第一处理区224′上方的屏蔽井200、上覆地层222和未沥滤材料可以界定第二处理区224″。在一些实施方案中，可以通过溶液采矿井212将第一流体引入第二处理区224″以升高第二处理区224″中地层的初始温度和从第二处理区中除去任何残余的可溶性矿物。在一些实施方案中，可以将第一处理区224′上方的顶部屏蔽溶液采矿以除去矿物和将第一处理区224′与第二处理区224″合并成一个处理区。在溶液采矿之后，可以将热源激活以将处理区加热至热解温度。

图7描述了用于溶液采矿地层的一个实施方案。屏蔽232(例如冷冻的屏蔽和/或泥浆屏蔽)可以围绕地层的处理区224周边形成。由屏蔽界定的轨迹可以具有任何所希望的形状例如圆形、正方形、矩形、多边形或不规则形状。屏蔽232可以是形成以抑制流体流入或流出处理区224的任何屏蔽。例如，屏蔽232可以包括抑制水流过屏蔽的一个或多个冷冻井。可以使用一个或多个屏蔽井200形成屏蔽232。可以使用监控井234和/或通过置于屏蔽井200中的监控装置监控屏蔽232的形成。

可以通过注射井236和/或生产井206将处理区224内的水泵送到处理区的外面。在一些实施方案中，使用注射井236作为生产井206和反之亦然(这些井被用作注射井和生产井两者)。可以将水泵送出去直到水的生产量低或者停止。

可以由热源202向处理区224提供热。热源可以在不会导致热源附近地层中的烃热解的温度下操作。在一些实施方案中，将处理区224加热至约90℃-约120℃的温度(例如约90℃、95℃、100℃、110℃或120℃的温度)。在一些实施方案中，由注入地层的第一流体向处理区224提供热。可以在约90℃-约120℃的温度(例如约90℃、95℃、100℃、110℃或120℃的温度)下注入第一流体。在一些实施方案中，在将处理区溶液采矿之后将热源202安装在处理区224中。在一些实施方案中，由置于注射井236和/或生产井206中的加热器提供一些热。可以使用置于监控井234中的温度测量设备和/或注射井236、生产井206和/或热源202中的温度测量设备监控处理区224的温度。

第一流体通过一个或多个注射井236注入。在一些实施方案中，第一流体是热水。第一流体可与溶于第一流体中的非烃材料例如苏打石混合和/或组合产生第二流体。可以通过注射井236、生产井206和/或热源202从处理区中除去第二流体。在第二流体除去期间可以将注射井236、生产井206和/或热源202加热。在第二流体除去期间加热一个或多个井可以在从处理区中移出流体期间将流体的温度保持在所希望的值之上。在从处理区224中生产所希望量的可溶性非烃材料之后，可以通过注射井236、生产井206和/或热源202从处理区中移出留在处理区中的溶液。所希望量的可溶性非烃材料可能少于可溶性非烃材料的一半、为可溶性非烃材料的大部分、为基本全部的可溶性非烃材料或者为全部的可溶性非烃材料。移出可溶性非烃材料可以产生相对高渗透性的处理区224。

在移出可溶性非烃材料之后，可以使用原位热处理法热解和/或生产处理区224内的烃。相对高渗透性的处理区使得在原位热处理法期间地层中的烃流体容易移动。相对高渗透性的处理区提供了用于地层中热解和流动流体的强化收集区域。在原位热处理法期间，可以由热源202向处理区224提供热。可以通过生产井206和/或热源202从地层中生产烃的混合物。在一些实施方案中，在原位热处理法期间使用注射井236作为生产井和/或加热器井。

在一些实施方案中，当地层中的温度在足以支持烃氧化的温度之上时，在热源202处或附近将受控量的氧化剂(例如空气和/或氧气)提供给处理区224。在该温度下，氧化剂与烃反应以提供除了由热源202中的电加热器提供的热之外的热。受控量的氧化剂可以促进地层中烃的氧化以提供额外的用于热解地层中的烃的热。由于在移出非烃材料之后处理区提高的渗透性，因此氧化剂可以更容易地流过处理区224。氧化剂可以受控的方式提供以控制地层的加热。控制提供的氧化剂的量以避免非受控的地层加热。

在原位热处理法之后，可以通过引入水以由地层的热部分产生蒸汽而将处理区224冷却。引入水以产生蒸汽可以使留在地层中的一些烃汽化。水可以通过注射井236注入。注入的水可以冷却地层。留下的烃和产生的蒸汽可以通过生产井206和/或热源202生产。可以将处理区224冷却到水的沸点附近的温度。从地层中产生的蒸汽可用于加热用于溶液采矿另一部分地层的第一流体。

可以将处理区224进一步冷却至在其下水将在地层中冷凝的温度。可以将水和/或溶剂引入处理区和从处理区中移出。从处理区224中移出冷凝的水和/或溶剂可以除去留在处理区中的任何另外的可溶性材料。水和/或溶剂可以夹带存在于地层中的不溶性流体。可以通过生产井206和/或热源202将流体从处理区224中泵出。水和/或溶剂的注入和移出可以重复进行直到在处理区224中实现所希望的水质量。可以在注射井236、热源202和/或生产井206测量水质量。该水质量可以基本匹配或超过处理之前处理区224的水质量。

在一些实施方案中，处理区224可以包括位于未沥滤区上方的沥滤区。沥滤区可以自然地和/或通过单独的沥滤方法沥滤。在一些实施方案中，未沥滤区可以处于至少约500m的深度下。未沥滤区的厚度可以为约100m-约500m。然而，未沥滤区的深度和厚度可以随着例如处理区224的位置和/或地层的类型而变化。在一些实施方案中，将第一流体注入沥滤区下方的未沥滤区。还可以将热提供到未沥滤区中。

在一些实施方案中，可以保留部分地层未进行溶液采矿处理和/或未沥滤。未沥滤的部分可以在选择的如上所述被沥滤和/或通过提供第一流体而溶液采矿的地层部分附近。未沥滤的部分可以抑制水流入选择的部分。在一些实施方案中，可以有一个以上的未沥滤部分在选择的部分附近。

苏打石可以以层或床存在于地层中。在溶液采矿之前，这些层可能具有很少或没有渗透性。在一些实施方案中，从地层中将层状或床状苏打石溶液采矿引起地层中的垂直移位。图8描述了在上覆地层222下方的地层中含有苏打石层的地层和在从该地层中溶液采矿苏打石之前的实施方案。烃层242A基本不含有苏打石和烃层242B含有苏打石。图9描述了在溶液采矿苏打石之后图8的地层。由于从这些层中除去苏打石，因此层242B已经塌陷。层242B的塌陷使层压实和地层垂直移位。在层压实之后，层242B的烃富集度提高。另外，在由于苏打石除去的压实之后，层242B的渗透性可以保持相对高。在垂直移位之后，渗透性可以超过5达西、超过1达西或者超过0.5达西。当使用原位热处理法处理地层时，渗透性可以提供到达生产井的流体流路。提高的渗透性可以允许在生产井之间有大的间隔。在溶液采矿之后用于原位热处理系统的生产井之间的距离可以大于10m、大于20m或大于30米。在除去苏打石和随后的垂直移位之后，可以将加热器井置于地层中。在垂直移动位之后在地层中形成加热器井孔和/或安装加热器保护加热器免于由于垂直移位的损坏。

在一些实施方案中，从地层中除去苏打石使地层中的两个或更多个井相互连接。从地层中的区域中除去苏打石可以提高区域的渗透性。一些区域可能具有比其它区域更多的苏打石和当除去苏打石时变得更加可渗透。在一定的时刻，具有提高的渗透性的区域可以使地层中的两个或更多个井(例如注射井或生产井)相互连接。

图10描述了通过被溶液采矿以从中除去苏打石的区域相互连接的两个注射井的实施方案。溶液采矿井212被用于将含苏打石的烃层242溶液采矿。在溶液采矿法的初始阶段期间，使用溶液采矿井212注入水和/或其它流体和从地层中生产溶解的苏打石流体。由于烃层的渗透性不足以使流体在注射井之间流动，因此每一溶液采矿井212被用于注入水和从附近的井孔区域中生产流体。在一些实施方案中，区244含有比烃层242的其它部分更多的苏打石。随着从区244中除去的苏打石增加，该区域的渗透性可能提高。当从区244中除去苏打石时，渗透性从井孔向外提高。在地层溶液采矿期间的一些点，区244的渗透性提高使得溶液采矿井212变成相互连接，这使得流体将在井之间流动。在该时刻，可以将一个溶液采矿井212′用于注入水同时将另一个溶液采矿井212″用于以连续过程从地层中生产流体。与通过同一个井注入和生产相比，在除去苏打石时在一个井中注入和从第二个井生产可能更加经济和更加有效。在一些实施方案中，除了注射井236之外，可以将另外的井钻入区244和/或烃层242中。这些另外的井可用于使另外的水循环和/或从地层中生产流体。这些井可以随后被用作用于烃层242的原位热处理法处理的加热器井和/或生产井。

在一些实施方案中，在溶液采矿期间从地层中生产的第二流体被用于生产碳酸氢钠。碳酸氢钠可用于食品和药品工业、鞣革、阻燃、废水处理和烟气处理(烟气脱硫和氯化氢还原)中。当从地层中除去时，可以将第二流体保持加压并处于高温下。可以在结晶器中将第二流体冷却以沉淀碳酸氢钠。

在一些实施方案中，在溶液采矿期间从地层中生产的第二流体被用于生产碳酸钠(也称为苏打灰)。碳酸钠可用于玻璃的生产、去污剂的生产、水净化、聚合物制备、鞣革、造纸、流出物中和、金属精炼、糖提取和/或水泥制造中。可以在处理设备中将从地层中除去的第二流体加热以形成碳酸钠(苏打灰)和/或碳酸钠盐水。根据以下方程，将碳酸氢钠加热将形成碳酸钠：

(1)2NaHCO₃→Na₂CO₃+CO₂+H₂O

在一些实施方案中，使用来自地层的热提供用于加热碳酸氢钠的热。例如，使用由引入热地层中的水产生的蒸汽的换热器可被用于将第二流体加热至碳酸氢钠的分解温度。在一些实施方案中，使第二流体循环通过地层以将地层中的热用于进一步反应。也可以加入蒸汽和/或热水以促进循环。可以将第二流体循环通过已经进行原位热处理法以从地层中生产烃的热的地层部分。在碳酸钠分解期间产生的至少部分二氧化碳可以吸附在原位热处理法之后留在地层中的碳上。在一些实施方案中，第二流体循环通过之前用于加热地层的导管。

在一些实施方案中，在苏打石的溶液采矿期间在地层中使用较高的温度(例如高于约120℃、高于约130℃、高于约150℃或低于约250℃)。在足以抑制碳酸氢钠分解产生二氧化碳的压力下将第一流体引入地层。可以将地层中的压力保持在足够高的压力下以抑制这类苏打石分解但低于将导致地层压裂的压力。另外，如果将热水引入地层，可以将地层中的压力保持足够高以抑制蒸汽形成。在一些实施方案中，部分苏打石可能原位开始分解。在这种情况下，将苏打石从地层中作为苏打灰除去。如果由苏打石溶液采矿制得苏打灰，则可以将苏打灰运输到单独的处理设备。可以通过管道将苏打灰运输到单独的设备。

如上所述，在一些实施方案中，在从地层中除去苏打石之后，使用原位热处理法处理地层以从地层中生产地层流体。如果碳钠铝石存在于地层中，则在加热地层至热解温度期间，热的地层部分内的碳钠铝石分解。根据以下反应，碳钠铝石通常在高于270℃的温度下分解：

(2)2NaAl(OH)₂CO₃→Na₂CO₃+Al₂O₃+2H₂O+CO₂

可以通过用水或者碳酸钠溶于其中的其它流体将地层溶液采矿而从地层中除去碳酸钠。在一些实施方案中，使用螯合剂将通过碳钠铝石分解形成的氧化铝溶液采矿。螯合剂可以通过用于将苏打石溶液采矿和/或原位热处理法的注射井、生产井和/或加热器井(例如描述于图7中的注射井236、生产井206和/或热源202)注入。螯合剂可以是含水酸。在一些实施方案中，螯合剂是EDTA(乙二胺四乙酸)。可能的螯合剂的其它例子包括但不限于乙二胺、卟啉、二巯基丙醇、次氮基三乙酸、二亚乙基三胺五乙酸、磷酸、乙酸、乙酰氧基苯甲酸、烟酸、丙酮酸、柠檬酸、酒石酸、丙二酸、咪唑、抗坏血酸、苯酚、羟基酮、癸酸和硼酸。可以通过用于溶液采矿和/或原位热处理法的生产井或其它井(例如描述于图7中的注射井236、生产井206和/或热源202)制得螯合剂和氧化铝的混合物。可以在处理设备中使氧化铝与螯合剂分离。回收的螯合剂可以再循环回到地层中以溶液采矿更多的氧化铝。

在一些实施方案中，在原位热处理法之后可以使用碱性流体将地层中的氧化铝溶液采矿。碱性流体包括但不限于氢氧化钠、氨、氢氧化镁、碳酸镁、碳酸钠、碳酸钾、吡啶和胺。在一个实施方案中，碳酸钠盐水例如0.5当量的Na₂CO₃被用于溶液采矿氧化铝。碳酸钠盐水可由从地层中溶液采矿苏打石获得。通过溶液采矿苏打石获得碱性流体可以明显降低与获得碱性流体相关的成本。可以通过加热器井和/或注射井将碱性流体注入地层。碱性流体可与氧化铝组合形成从地层中移出的氧化铝溶液。可以通过加热器井、注射井或生产井移出氧化铝溶液。

在处理设备中可以从氧化铝溶液中提取氧化铝。在一个实施方案中，使二氧化碳起泡通过氧化铝溶液以使氧化铝从碱性流体中沉淀。二氧化碳可以由苏打石分解、由原位热处理法或者由在原位热处理法期间碳钠铝石的分解获得。

在一些实施方案中，地层可以包括仅仅大量富含苏打石或碳钠铝石的部分。例如，在地层的沉积中心，地层可以含大量的苏打石(例如至少约20wt％、至少约30wt％或至少约40wt％)。该沉积中心可以仅含平均约5wt％或更少的碳钠铝石。然而，在地层的底层中，碳钠铝石的重量百分比可以为约10wt％或者甚至高至约25wt％。在这些地层中，可以有利地在富含苏打石的区域例如沉积中心中只溶液采矿苏打石，和在富含碳钠铝石的区域例如底层中只溶液采矿碳钠铝石。该选择性溶液采矿可以明显降低与操作溶液采矿法相关的流体成本、加热成本和/或设备成本。

在一些地层中，碳钠铝石组成在地层中的层之间变化。例如，地层的一些层可能含有碳钠铝石和一些层可能不含。在一些实施方案中，与含有较少碳钠铝石的层相比，将更多的热提供给含更多碳钠铝石的层。当分解碳钠铝石的反应吸收一些打算用于热解烃的热时，调节热输入将更多的热提供给一些碳钠铝石层更均匀地加热地层。图11描述了用于加热在地层中含有碳钠铝石的地层的实施方案。可以烃层242为核心评价烃层的碳钠铝石组成。可以使用例如FTIR(傅立叶变换红外光谱)或x-射线衍射评价矿物组成。评价该核心组成还可以评价核心的苏打石组成。在评价碳钠铝石组成之后，可以将加热器248置于井孔250中。加热器248包括将更多的热提供给其中含有更多碳钠铝石的烃层(烃层242D)的部分。通过加热器248向含有较少碳钠铝石的烃层(烃层242C)提供较少的热。可以通过例如沿着加热器的长度调节加热器的电阻而调节加热器248的热输出。在一个实施方案中，加热器248是本文中描述的限温加热器，与层242C附近部分的温度极限(居里温度)相比，该加热器在层242D附近的部分中具有较高的温度极限(例如较高的居里温度)。还可以通过沿着加热器的长度改变电阻材料而调节加热器248的电阻，从而在富含碳钠铝石的层附近提供更高的能量输入(瓦/米)。

溶液采矿碳钠铝石和苏打石可以是相对简单的从地层中生产氧化铝和苏打灰的方法。在一些实施方案中，使用原位热处理法从地层中生产的烃可以是在原位转化法的场所或附近产生直流(DC)电的发电站的燃料。产生的DC电可以现场使用以使用Hall方法由氧化铝制备铝金属。通过在现场的处理设备中熔融氧化铝，可以由氧化铝制备铝金属。在现场产生DC电可以节省使用与运输和/或处理使用原位热处理法从地层中生产的烃相关的加氢处理器、管道或其它处理设备相关的成本。

在一些实施方案中，可以通过选择的井将酸引入地层以提高井附近的孔隙度。例如，如果地层含石灰石或白云石，则可以注入酸。用于处理选择的井的酸可以是在地层部分的原位热处理期间制得的酸(例如盐酸)，或者由原位热处理法的副产物制得的酸(例如由硫化氢或硫制得的硫酸)。

基于本说明书，本发明各个方面的另一些改进和替代实施方案对本领域技术人员来说可能是明显的。因此，本说明书将被看作仅仅是说明性的，其目的在于教导本领域技术人员实施本发明的一般方式。应理解本文中给出和描述的本发明形式将被看作是目前优选的实施方案。一些要素和材料可以代替本文中描述和说明的那些、一些部件和工艺可以颠倒和本发明的某些特征可以单独使用，所有这些在受益于本发明的描述之后，对本领域技术人员来说均是明显的。在本文中描述的要素中可以进行改变，只要不偏离描述于后面的权利要求中的本发明的精神和范围。另外，应理解在一些实施方案中可以将本文中描述的特征独立地组合。

Claims (18)

1.一种用于处理含苏打石的油页岩地层的方法，该方法包括：

通过至少两个注射井将第一流体提供到部分地层；

通过所述至少两个注射井中的至少一个从所述部分地层生产第二流体直到至少两个注射井相互连接使得流体可以在两个注射井之间流动，其中所述第二流体含至少一些溶于第一流体中的苏打石；

将基本不可渗透的材料部分留在所述部分地层附近；

形成延伸到不可渗透材料中的屏蔽；

通过相互连接的注射井中的一个注入第一流体；

从至少一个相互连接的注射井中生产第二流体；

由一个或多个加热器向地层提供热以加热地层；和

从地层中生产烃流体。

2.权利要求1的方法，还包括：

由一个或多个加热器向地层提供热以加热地层；和

将受控量的氧化剂提供到所述部分地层。

3.权利要求1的方法，还包括：

使所述部分地层的至少一些选择性垂直移位，所述第二流体含至少一些溶于第一流体中的苏打石；和

由一个或多个加热器向地层提供热以将已经垂直移位的至少部分地层加热。

4.权利要求1的方法，还包括：

将包括蒸汽的第一流体提供到部分地层，其中所述第一流体处于所述部分地层中的烃的热解温度以下的温度下；和

由一个或多个加热器向地层提供热以加热地层。

5.权利要求1-4任一项的方法，还包括将基本不可渗透的材料部分留在所述部分地层的一侧以抑制流体流入或流出所述部分地层。

6.权利要求1-4任一项的方法，还包括将基本不可渗透的材料部分留在所述部分地层的上方以抑制流体流入或流出所述部分地层。

7.权利要求1-4任一项的方法，其中用于将第一流体引入所述部分地层和/或从所述部分地层中移出第二流体的至少一个井还被用于从所述部分地层中移出含烃流体。

8.权利要求1-4任一项的方法，其中引入第一流体包括通过第一注射井和第二注射井引入第一流体，其中所述第一流体的引入提高了第一注射井和第二注射井附近部分的渗透性，和其中在第一注射井附近提高的渗透性与在第二注射井附近提高的渗透性叠加允许通过第一注射井引入第一流体和通过第二注射井移出第二流体。

9.权利要求1-4任一项的方法，其中第一流体包括热水。

10.权利要求1-4任一项的方法，其中用于加热第一流体的热从之前处理的地层部分中回收。

11.权利要求1-4任一项的方法，其中从所述部分地层中生产第二流体引起所述部分地层选择性垂直移位，使得已经垂直移位的部分的烃富集度提高。

12.权利要求1-4任一项的方法，还包括将至少一些第二流体引入第二部分地层中和从所述第二部分地层中生产含苏打灰的第三流体。

13.权利要求12的方法，还包括将在碳酸氢钠转化成苏打灰期间生成的至少部分二氧化碳吸收到第二部分地层中。

14.权利要求1-4任一项的方法，还包括使至少一些第二流体流入和流出地层中的井孔以传热给第二流体，其中传递的热将第二流体中的至少部分碳酸氢钠转化成苏打灰。

15.权利要求1-4任一项的方法，还包括用热源将所述部分地层加热至所述部分地层中的烃的热解温度之上的温度，和从所述部分地层中生产烃。

16.权利要求1-4任一项的方法，还包括：

用提供的热使所述部分地层中的至少一些碳钠铝石分解；

将螯合剂提供到所述部分地层以将至少一些碳钠铝石分解产物溶解；和

生产溶解的碳钠铝石分解产物。

17.权利要求1-4任一项的方法，其中选择第一流体的温度以在烃流体生产期间抑制地层中的生产井堵塞。

18.一种用于处理地层的方法，该方法包括：

将第一流体提供到第一部分地层；

从所述第一部分中生产第二流体，其中所述第二流体含至少一些溶于第一流体中的碳酸氢钠；

由一个或多个热源提供热以加热第二部分地层；和

使用来自第二部分地层的热加热第二流体以生产苏打灰。

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