CN101421488A - 从地下油页岩资源提取油母沥青 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及从地下(油)页岩岩层提取油母沥青基产物的方法，其中，这些方法依靠破裂和/或破碎部分所述岩层以提高其流体渗透性，并且其中这些方法还依靠对页岩中所束缚的油母沥青进行化学改性以使其流动。本发明也涉及实施至少一些前述方法的系统。此外，本发明还涉及破裂和/或破碎地下页岩岩层的方法并涉及对油母沥青进行原位化学改性以使其流动的方法。
Description
对相关申请的交叉引用
[0001]本发明是在美国能源部颁发的合同编号DE-AC51-06NA25396的政府支持下进行的。政府拥有本发明的某些权利。
[0002]本专利申请要求以下美国临时专利申请的优先权：2006年2月16提交的60/774,337，和2006年9月25日提交的60/846,982。
发明领域
[0003]本发明涉及从含有有机油母沥青组分的地下页岩资源中提取有机分子的方法，特别是其中这些方法涉及增加所述油母沥青组分对流体的可达性的步骤。
背景
[0004]如果Hubbert峰值理论的建议者是正确的，如果世界石油产量还没有达到顶峰，它将很快达到高峰。不管怎样，世界能源消费以超过新石油发现的速度持续上升。因此，为最大限度地生产和有效消费石油，必须开发替代能源和新技术。见T.Mast，任人摆布：石油短缺的一个简单指导，格林利夫图书组，奥斯汀，德克萨斯州，2005(Over a Barrel：A Simple Guide to the Oil Shortage，Greenleaf Book Group，Aus tin，TX，2005)。
[0005]一个特别有吸引力的替代能源就是油页岩，吸引力主要来自这样的事实：可以从该页岩“提取”石油并且随后以非常类似原油炼油的方式炼油。但是，在油页岩成为商业上可行的能源之前，必须进一步发展涉及提取的技术。见J.T.Bartis等人，美国油页岩发展：前景和政策/问题，RAND公司，阿林顿，弗吉尼亚州，2005(Oil ShaleDevelopment in the United States：Prospects and Policy Issues，RAND Corporation，Arlington，VA，2005)。
[0006]已知的最大油页岩沉积被发现在绿河岩层，其中包括科罗拉多州的一部分、犹他州和怀俄明州。估计该绿河岩层沉积中可回收石油量高达1.1万亿桶石油—几乎是沙特阿拉伯探明石油储量的四倍。以美国目前的消费水平(-2千万桶/天)，这些页岩沉积可以再维持美国140年(Bartis等人)。退一步讲，这些页岩资源可以节制油价并减少美国对国外石油的依赖。
[0007]油页岩一般由无机组分(主要是含碳物质，即碳酸盐)和有机组分(油母沥青)组成。可以采用热处理来破裂(即裂解)所述油母沥青成较小的烃链或碎片，这些烃链或碎片在干馏(retort)条件下是气体或液体，并且容易与无机物质分开。油母沥青的这种热处理也称为“热改质”或“干馏”，并且在地面或在原位都可以进行，在后一种情况下，如此形成的流体随后被运送到地面。
[0008]在地面干馏的某些应用中，油页岩首先被开采或挖掘，并且一旦到达地面，该油页岩被粉碎，然后加热(干馏)以完成油页岩到原油—有时称为“页岩油”的转变过程。例如，见Shuman等人，美国专利号3,489,672。然后将所述原油船运到炼油厂，在炼油厂制出成品如汽油、润滑剂等之前原油一般需要额外的处理步骤(超越传统原油的处理步骤)。注意在所述干馏之前，也可以对页岩进行各种化学改质处理。例如，见So等人，美国专利申请号5,091,076。
[0009]原位干馏含碳沉积物例如油页岩的方法已经在Kvapil等人的美国专利申请号4,162,808中描述。在此方法中，用含碳物质(在空气中)的燃烧作为热源来在一系列的破碎的原位干馏器中干馏页岩。
[0010]壳牌石油公司一直在开发使用电加热来原位改质地下烃类的新方法，所述地下烃类主要在位于科罗拉多州丹佛以西大约200英里(320km)处的地下地层中。见，例如，Vinegar等人，美国专利号7,121,342；和Berchenko等人，美国专利号6,991,032。在这些方法中，加热元件降到井中并使其加热所述油母沥青超过大约四年的时期，将油母沥青慢慢转化(改质)成油和气体，然后油和气体被泵送到地面。为了使加热均匀，每英亩可钻15至25个加热洞。此外，用来建立一个围绕所述提取区周边的地下障碍的地面冻结技术也设想用来防止地下水进入和防止所述干馏产品流走。尽管建立“冻结墙”在土木工程中是可接受的实践，但是将它应用到对油页岩的回收上仍有未知的环境影响。此外，壳牌公司的方法被认为是一个能量密集过程并且需要很长的时间去建立从油页岩的生产。
[0011]鉴于以上方法的上述局限性，从页岩中提取油母沥青的更简单和更具成本效益的方法将是极其有用的。
发明简述
[0012]本发明通常涉及从地下(油)页岩岩层(formation)提取油母沥青基产物的方法，其中，这些方法依靠破裂和/或破碎部分所述岩层以增强其流体渗透性(例如，提供一种流体使其到页岩束缚的油母沥青的可达性更大)，并且其中这些方法还依靠对该页岩束缚的油母沥青进行化学改性以使其流动。本发明也涉及实施这样一些方法的系统。此外，在方法本身新颖性程度上，本发明也涉及破裂和/或破碎地下页岩岩层的方法并也涉及对油母沥青进行原位化学改性以使其流动的方法。
[0013]在某些实施方案中，本发明涉及从包含地下页岩的地下页岩岩层中提取油母沥青基产物的方法，该方法包括以下步骤：(a)
增加地下页岩中的油母沥青对流体的可达性，其中所述地下页岩除油母沥青外还包含无机组分；(b)使所述地下页岩中的油母沥青与提取流体接触以产生可流动的油母沥青基产物；和(c)将所述可流动的油母沥青基产物输送出所述地下页岩岩层以产生提取的油母沥青基产物。
[0014]在某些这样的如上所述的方法的实施方案中，增加可达性的步骤包括以下子步骤：(a)钻套管注入井到包含地下页岩的地下页岩岩层中；(b)加压，然后用密相流体密封该注入井以提供加压井；和(c)迅速使该加压井减压以达到压力减小的稳定状态。在某些这样的实施方案中，重复进行加压和减压的子步骤。
[0015]在某些实施方案中，本发明涉及破裂和/或破碎包含地下油页岩的地下页岩岩层的方法，其中地下页岩包含油母沥青和无机组分，并且其中所述破裂和/或破碎增加了所述地下页岩的流体渗透性，所述方法包括以下步骤：(a)钻套管注入井到包含地下页岩的地下页岩岩层中；(b)向所述注入井输送浆料，所述浆料包含液体CO2和固体CO2，并密封该注入井以建立密封井；(c)通过允许所述密封井内部的液体CO2和固体CO2形成超临界C02来对所述密封井进行加压，从而形成加压井；和(d)减压所述加压井以达到压力减小的稳定状态，由此伴生的CO2绝热膨胀冷却地下页岩岩层并且在所述岩层中引起热应力和机械应力，这转而导致所述岩层的破裂。在某些这样的实施方案中，所述加压和减压步骤重复进行直到达到平衡压力。
[0016]在某些实施方案中，本发明涉及对油页岩中的油母沥青进行化学改性以使其流动并随后可提取的方法。这种化学改性一般涉及油母沥青内部的化学键的破裂(即裂解)和/或油母沥青与无机页岩组分之间的化学键的破裂。这种化学改性也可涉及从无机页岩组分中剥离(delamination)油母沥青。以这种方式，化学改性油母沥青的能力很大程度上基于增加油母沥青对能影响这种化学改性的流体的可达性的能力。
[0017]在某些实施方案中，本发明涉及包括以下步骤的方法：(a)分析含油母沥青的地下页岩岩层，从而获得与其中所含的油母沥青有关的信息；(b)增加地下页岩中的所述油母沥青对流体的可达性，其中所述地下页岩除所述油母沥青外还包含无机组分；(c)监测步骤(b)中提供的增加的可达性；(d)使所述地下页岩中的油母沥青与反应性流体接触以产生可流动的油母沥青基产物，其中根据步骤(a)中获得的信息选择所述反应性流体；和(e)把所述可流动的油母沥青基产物输送出所述地下页岩岩层以产生提取的油母沥青基产物。任选地，这些方法还可以包括处理该提取的油母沥青基产物的步骤。
[0018]在某些实施方案中，本发明涉及系统，所述系统包括：(a)用来分析含油母沥青的地下页岩岩层从而获得与其中所含的油母沥青有关的信息的装置；(b)用来增加地下页岩中的所述油母沥青对流体的可达性的装置，其中所述地下页岩除所述油母沥青外还包含无机组分；(c)用来监测方法(b)提供的增加的可达性的装置；(d)使所述地下页岩中的油母沥青与反应性流体接触以产生可流动的油母沥青基产物的装置，其中根据由装置(a)获得的信息选择所述反应性流体；和(e)把所述可流动的油母沥青基产物输送出所述地下页岩岩层以产生提取的油母沥青基产物的装置。任选地，这个系统还可以包括处理该提取的油母沥青基产物的装置。
[0019]在某些实施方案中，提供了对于含油和/或含气的岩层的其他类型的扩展，本发明涉及从低渗透性含烃的地下岩层中提取烃基产物的方法，该方法包括以下步骤：(a)增加地下岩层区域中对流体的渗透性以建立渗透性增强的区域；(b)使所述渗透性增强的区域中的烃质物质与反应性流体接触以产生可流动的烃基产物；和(c)将所述可流动的烃基产物输送出所述地下岩层以生产提取的烃基产物。在某些这样的实施方案中，增加渗透性的步骤包括以下子步骤：(aa)钻套管注入井到地下岩层中；(ab)用密相流体对该注入井加压以提供加压井；和(ac)迅速使该加压井减压以达到压力减小的稳定状态。在某些这样的后面的实施方案中，重复所述加压和减压子步骤直到达到平衡压力。
[0020]上述相当广泛地总结了本发明的特征以便本发明随后的详细描述能被更好的理解。本发明额外特征和优点将在下文中描述，这形成了本发明的权利要求的主题。
附图简述
[0021]为了更全面地理解本发明及其优点，结合附图对以下描述进行评述，其中：
[0022]图1逐步描述了对地下页岩束缚的油母沥青进行化学改性以使其流动并因而可提取的一般方法。
[0023]图2逐步描述了根据本发明的某些实施方案，增加流体对油母沥青的可达性的方法。
[0024]图3逐步描述了根据本发明的某些实施方案，从地下油页岩中提取石油基产物的集成处理方法。
[0025]图4是个流程图，其说明了实施本发明的某些集成处理方法实施方案的系统；和
[0026]图5是一个示意图，其显示了根据本发明的一些系统和/或方法实施方案地下页岩岩层如何被破裂。
发明详述
1.引言
[0027]本发明涉及从地下(油)页岩岩层中提取油母沥青基产物的方法，其中这些方法依靠破裂和/或破碎部分所述岩层以提高它们的流体渗透性，并且其中这些方法还依靠对页岩束缚的油母沥青进行化学改性从而使其流动。本发明也涉及实施这样一些方法的系统。
2.定义
[0028]本文定义的“页岩”一般指“油页岩”，是应用于富含足够的有机物质(所谓的油母沥青)的一类岩石的上位概念，该“页岩”经过裂解和蒸馏产生石油。这种页岩一般在地下并且包含除油母沥青组分外的无机组分(通常是碳酸盐)。
[0029]本文定义和以上提到的“油母沥青”，是页岩的有机组分。在分子水平上，油母沥青包含分子量非常高的分子，由于分子量高其一般不溶并且可能与页岩的无机组分结合。可溶的油母沥青部分被称为“沥青”；沥青一般是原油最重的组分。事实上，在地质意义上，油母沥青是原油的前体。油母沥青根据其C:H:O比例和硫含量，通常被确定为5种类型之一：I型，II型，II型硫，III型，或IV型，每种类型一般来源不同的古生物质资源。
[0030]本文使用的术语“油母沥青基”是指衍生自油母沥青的分子产物或中间体，这种衍生需要对油母沥青进行化学改性，此术语不包括跨越地质时间尺度进行的衍生。
[0031]本文定义的“地下页岩岩层”是包含(油)页岩的地下地质岩层。
[0032]本文定义的“低渗透性含烃的岩层”指的是渗透性小于约10毫达西的岩层，其中所述岩层包含烃物质。这种岩层的实例包括，但不限于，硅藻土，煤，致密页岩，致密砂岩，致密碳酸盐等。
[0033]本文定义的“密相流体”是一种非气态流体。这种密相流体包括液体和超临界流体(SCF)。
[0034]本文定义和以上提到的“超临界流体”是在温度和压力在其热力学临界点以上任何物质。超临界流体可被视为性能在气体和液体之间的“混合溶剂”，即，低粘度、高扩散率且无表面张力的溶剂。最常见的超临界流体是超临界二氧化碳(CO2)和超临界水。
[0035]本文使用的术语“机械应力”指的是由岩层内部的压力变化而引起的页岩岩层内部的结构应力。这种应力可导致页岩岩层的破裂和/或破碎。
[0036]本文中使用的术语“热应力”指的是由热变化导致的页岩岩层内部的结构应力。由于页岩岩层各组分之间热膨胀系数的差别，这种热应力可引起内部机械应力。类似于以上提到的机械应力，热应力也能导致页岩岩层的破裂和/或破碎。
[0037]本文使用的术语“破裂(fracturing)”指的是作为施加的热和/或机械应力的结果的地下页岩岩层的结构瓦解。这种结构瓦解通常增强了页岩对流体的渗透性并增加了油母沥青组分对这些流体的可达性。本文使用的术语“破碎”是一个更广泛的生成页岩衍生的碎石的破裂过程，其在多个方向产生破裂面。
[0038]背景部分提到的和本文使用的术语“裂解”指的是打开油母沥青中碳碳键以产生较低分子量的物种。“干馏”提供油母沥青的热裂解。“改质”提供油母沥青的裂解，但会涉及热或化学改质剂。因此，术语“热改质”是术语“干馏”的同义词。
[0039]关于油母沥青的裂解或改质，本文中使用的术语“原位”指这种裂解或改质是在油母沥青的天然环境中进行的。与背景部分描述的原位Shell方法相比，本发明的方法不是真正原位进行的，因为必须首先进行页岩岩层的部分破裂，由此改变了油母沥青的环境的天然状态。
[0040]本文使用的术语“商业石油基产物”指的是商业产品，其包括但不限于汽油、航空燃油、柴油、润滑剂、石化产品等。这些产品也包括普通化学中间体和/或调和油料。
3.方法概貌
[0041]参照图1，在某些实施方案中，本发明通常涉及从包含地下页岩的地下页岩岩层中提取油母沥青基产物的方法，该方法包括以下步骤：(步骤101)增加地下页岩中的油母沥青对流体的可达性(例如，增加页岩的渗透性)，其中所述地下页岩除油母沥青外还包含无机组分；(步骤102)使地下页岩中的油母沥青与一种提取流体(或多种提取流体)接触产生可流动的油母沥青基产物；和(步骤103)将所述可流动的油母沥青基产物输送出地下页岩岩层以生产提取的油母沥青基产物。
[0042]以上提到的增加地下页岩对流体的可达性的步骤(步骤101)可包括多种技术和/或工艺，例如但不限于，爆炸物，水力破裂，推进剂等等。通常，破裂和/或破碎页岩岩层区域从而使所述页岩对流体更易渗透的任何方法都是合适的。这样的破裂和/或破碎也涉及对例如无机页岩组分的至少一部分有反应性的化学品。
[0043]使油母沥青与提取流体接触的步骤(步骤102)通常涉及油母沥青和/或周围页岩的原位化学改性(例如，裂解)从而使改性后油母沥青组分可流动(参阅下文)。这样的化学改性通常涉及化学键的成键和/或破裂。
[0044]对于将可流动的油母沥青基产物输送出地下页岩岩层的步骤(步骤103)没有特别限制，但一般可被描述为使可流动的油母沥青基产物流出地下岩层的方法，其中这样的方法可以是主动的(例如，泵送)和/或被动的。
[0045]在某些实施方案中，上述方法可涉及一个或多个用来抽样和随后在进行步骤101之前分析所述页岩的额外步骤。这样的取样和分析会直接影响后续步骤中采用的技术。
[0046]在某些实施方案中，对地下页岩岩层的破裂和/或破碎的分析和/或监测可以在步骤101过程之中或之后进行。这样的分析和/或监测可以用本领域已知的用于完成这些任务的技术来进行。
[0047]在某些实施方案中，在地面上对提取的油母沥青基产物进行改质(热改质和/或化学改质)。这样的地面改质可以是后续炼油的中间步骤。
4.增加流体到油母沥青的可达性
[0048]同时参照上述方法和图2，在某些实施方案中，增加可达性的步骤(步骤101)包括以下子步骤：(子步骤201)钻套管注入井到包含地下页岩的地下页岩岩层中；(子步骤202)用密相流体对该注入井加压并随后密封以提供加压井；和(子步骤203)迅速使该加压井减压以达到压力减小的稳定状态。在某些实施方案中，重复加压和减压子步骤直到达到平衡压力。
[0049]所述密相流体可以是任何这样的流体，其适当地提供油母沥青对流体的增加的可达性—一般归因于油母沥青存于其中的页岩的破裂和/或破碎。在某些实施方案中，该密相流体包含选自二氧化碳(CO2)、氮气(N2)、液态天然气(LNG)、氨气(NH3)、一氧化碳(CO)、氩气(Ar)、液化石油气(LPG)、氢气(H2)、硫化氢(H2S)、空气、C1-C20烃(包括，但不限于，乙烷、丙烷、丁烷)和它们的组合等的组分。
[0050]在某些实施方案中，加压井中的压力超过了地下页岩岩层的破裂压力。这样的岩层破裂压力可以事先确定，例如—由此有助于直接选择该步骤中所使用的可变参数。
[0051]在某些实施方案中，密相流体被油母沥青吸收和油母沥青随后膨胀，和其中膨胀的油母沥青扩张地下页岩岩层并产生机械应力导致所述岩层随后的破裂和/或破碎。在某些这样的实施方案中，加压和减压子步骤过程中产生的机械应力增强了所述地下页岩岩层的破裂和/或破碎。
[0052]在某些实施方案中，加压和减压子步骤在地下页岩岩层中产生热应力和/或机械应力。在某些这样的实施方案中，作为热应力的结果，油母沥青至少部分从页岩的无机组分中剥离。
[0053]在某些实施方案中，将爆炸物添加到密相流体中以增强岩层的破碎和破裂。这种爆炸物的实例包括，但不限于强氧化性物质、含硝基的物质(如，三硝基甲苯，硝化甘油)、铝热剂混合物等。可添加这种爆炸物的密相流体包括，但不限于二氧化碳(CO2)、氮气(N2)、液态天然气(LNG)、氨气(NH3)、一氧化碳(CO)、氩气(Ar)、液化石油气(LPG)、氢气(H2)、硫化氢(H2S)、空气、C1-C20烃(包括，但不限于，乙烷、丙烷、丁烷)和它们的组合等。
5.产生可流动的油母沥青基产物
[0054]在某些实施方案中，使地下页岩中的油母沥青与反应性流体接触以产生可流动的油母沥青基产物的步骤涉及油母沥青的化学改性。在某些这样的实施方案中，所述化学改性至少涉及油母沥青的部分裂解，产生较小的油母沥青衍生的分子，这些分子相应地更易流动。
[0055]通常，所述反应性流体是任何流体(包括混合物)，其要么本身要么与溶于其中的试剂一起，能对油母沥青进行化学改性以使其流动并因此可提取。在某些实施方案中，所述反应性流体包含选自有机酸(例如甲酸)、无机酸(例如盐酸)、过氧化物(例如H2O2)、产生自由基的化学品(例如F2)、路易斯酸(例如AlCl3)、腐植解聚剂(例如胺)、烯烃歧化催化剂(例如W)、反应性气体(例如Cl2)、酶(例如脂肪酶)、微生物(例如pseudomas)、等离子体(例如He)、催化剂(例如黄铁矿、原位过渡金属)和它们的组合的反应性组分。通常，这样的反应组分分散、溶解或以其他方式进入密相流体。如上，合适的这样的密相流体包括，但不限于，二氧化碳(CO2)、氮气(N2)、液态天然气(LNG)、氨气(NH3)、一氧化碳(CO)、氩气(Ar)、液化石油气(LPG)、氢气(H2)、硫化氢(H2S)、空气、C1-C20烃(包括，但不限于，乙烷、丙烷、丁烷和它们的组合)等等。
[0056]在某些实施方案中，取决于采用的条件和反应性流体并取决于破裂的油母沥青键，有可能生成可流动的油母沥青基产物，该产物被定制以使重金属和/或其他不想要的物质的回收最小化，或者通过减少焦炭和/或其他碳残留物以增加回收。因此，有可能生成需要很少的额外炼油或不需要额外炼油的可流动的油母沥青基产物。
6.生产可流动的油母沥青基产物
[0057]在某些实施方案中，使用提取流体从地下岩层中提取可流动的油母沥青基产物。合适的提取流体，例如密相流体，包括，但不限于，二氧化碳(CO2)、氮气(N2)、液态天然气(LNG)、氨气(NH3)、一氧化碳(CO)、氩气(Ar)、液化石油气(LPG)、氢气(H2)、硫化氢(H2S)、空气、C1-C20烃(包括，但不限于，乙烷、丙烷、丁烷和它们的组合)等等。在某些实施方案中，该提取流体实质上与所述反应性流体无区别(见上文)。
[0058]在某些实施方案中，预期所述可流动的油母沥青基产物包含油母沥青微粒在该提取流体中的浆料。因此，这样的可流动的油母沥青基产物不需要可溶于这样的流体中。
[0059]在某些实施方案中，用泵送把可流动的油母沥青基产物运送出地下页岩岩层，其中用本领域技术人员已知的技术进行这种泵送。可以改进常规的油田实践(既流动气体又泵送液体，例如杆式泵、电动潜水泵，螺杆泵等)以提供在给定生产环境中的可靠性。例如，可能需要在冶金、压力限制、弹性组合物、额定温度等方面对改性进行变化。
[0060]生产可以使用任何标准的生产方法例如，但不限于，Huff-n-Puff(即单个井既用作生产井又用作注入井)、注水、注入蒸汽、注入聚合物、溶剂驱动提取、热方法、加入稀释剂、蒸汽辅助重力排油(SAGD)等。
7.对提取的油母沥青基产物进行改质
[0061]在某些实施方案中，对提取的油母沥青基产物进行改质以产生一种或多种商业石油基产物。可以使用工业中普遍的各种表面技术(例如，催化裂解、加氢处理、热裂解、脱氮、脱硫)以从提取的油母沥青基产物中获得想要的商业产品。这种地面改质在很大程度上取决于提取油母沥青基产物相对于想要的商业产品的性质。
8.集成生产方法
[0062]参照图3，在某些实施方案中，本发明涉及集成生成方法，其包括以下步骤：(步骤301)分析含油母沥青的地下页岩岩层以获得与其中所含的油母沥青有关的信息；(步骤302)增加地下页岩中的所述油母沥青对流体的可达性，其中地下页岩除油母沥青外还包含无机组分；(步骤303)监测步骤302中提供的增加的可达性；(步骤304)使地下页岩中的油母沥青与反应性流体接触以产生可流动的油母沥青基产物，其中根据步骤301中获得的信息选择所述反应性流体；(步骤305)将所述可流动的油母沥青基产物输送出地下页岩岩层以产生提取的油母沥青基产物；和(步骤306)任选地处理所提取的油母沥青基产物。
[0063]通常，上述这种集成生产方法与前面提到的从地下页岩岩层提取油母沥青基产物的方法是一致的(就他们共同的步骤而言)。关于这些方法共同的多个步骤的更多细节，参见上述。
9.集成生产系统
[0064]参照图4，在某些实施方案中，本发明涉及集成生产系统，该系统包括：(装置401)用来分析含油母沥青的地下页岩岩层从而获得与其中所含的油母沥青有关的信息的装置；(装置402)用来增加地下页岩中所述油母沥青对流体的可达性的装置，其中地下页岩除油母沥青外还包含无机组分；(装置403)用来监测装置402提供的增加的可达性的装置；(装置404)使所述地下页岩中的油母沥青与反应性流体接触以产生可流动的油母沥青基产物的装置(流动化装置)，其中根据由装置401获得的信息选择所述反应性流体；(装置405)把可流动的油母沥青基产物输送出地下页岩岩层以产生提取的油母沥青基产物的装置(提取装置)；和(装置406)任选地处理所提取的油母沥青基产物的装置。
[0065]与集成工艺方法相似，上述这种系统实施方案通常与前面提到的从地下页岩岩层中提取油母沥青基产物的装置一致。虽然存在这种通常的一致性，下面提供了这些装置的示例。
[0066]仍然参照图4，装置401可包括地下分析技术例如，但不限于，测井，土芯取样和分析(包括油母沥青化学分析)等。装置402可包括用于增加流体到油母沥青的可达性的装置或子系统，其中这样的子系统实施图2中列出的子步骤。装置403可包括地下监测技术例如，但不限于，倾斜仪，微地震技术(包括检波器)等。参见，例如，Phillips.W.S.等人“利用微地震测绘储藏：AustinChalk，Giddings Field，TX and 76 field.Clinton Co.，KY，”SPE36651，年度技术会议和展览，Denver.Co，1996年10月6日至9日(Phillips.W.S.et al.，“Reservoir mapping usingmicroearthquakes：Austin Chalk，Giddings Field，TX and 76 field.Clinton Co.，KY，”SPE 36651，Annual Technical Conference andExhibition，Denver.CO.Oct.6-9，1996)”。装置404一般包括泵送密相流体到破裂的地下页岩资源的子系统，其中流体还可包含用来对油母沥青进行化学改性以使其流动的可操作的试剂。装置405一般包括用来从地下提取可流动的油母沥青基产物的子系统，其中这样的子系统可包括提取流体(见上文)和泵送技术。最后，装置406可包括任何处理子系统，其任选地处理所提取的油母沥青基产物以产生想要的产物或中间体。示例性的这样的装置406包括，但不限于，常规干馏、管道运输、常规分离技术等。
10.变化
[0067]上述方法的变化(即备选实施方案)是将这样的上述方法的一些或部分应用到替代资源上，即低渗透性含烃(例如，石油和瓦斯)岩层、原位煤、原位重油、原位油砂等。上述发明实施方案的至少一些对任何含烃的岩层存在普遍适用性。地面处理应用可包括对油页岩、煤、重油、油砂和其他含沥青质、硫、氮等的常规油的改质。
11.实施例
[0068]提供以下实施例以显示本发明的具体实施方案。本领域技术人员应该理解的是，后面的实施例中所公开的方法仅仅代表本发明的示例性实施方案。但是，根据本公开内容，本领域技术人员应该理解的是，在所描述的具体实施方案中可以做许多变动并且仍然获得同样的或相似的结果，而不偏离本发明的主旨和范围。
实施例1
[0069]该实施例用来说明根据本发明的某些实施方案，地下岩层中的页岩是如何在破裂和/或破碎前被取样和分析的。
[0070]整个或常规岩芯可以用本领域已知的标准钻芯取样技术和使用钻头例如Baker Hughes INTEQ钻芯钻头取得。也可以获得侧壁和侧壁旋转岩芯，但这些通常更小和质量普遍更低。一旦获得，岩芯样品可以受到各种分析包括，但不限于，岩芯伽马射线分析、密度、圆周成像和计算机断层(CT)扫描、破裂分析、渗透性、孔隙度，接触到反应性流体时的烃回收、电气测量、热导率测量、岩石力学、X射线衍射(XRD)、核磁共振(NMR)、总有机碳(TOC)、荧光和/或红外光谱等。
[0071]从这种岩芯分析获得的信息可用来指导选择合适试剂(例如流体)和用于实施本发明的方法和系统的条件。
[0072]除了或取代水采样(参见下文)，也可进行测井以补充通过抽芯取样获得的信息。这种技术可以产生关于岩层如何随深度变化的信息。
实施例2
[0073]根据本发明的某些实施方案，特别是在图5描绘的示例系统实施方案的上下文中，该实施例用来说明地下页岩岩层中页岩的破裂和/或破碎以增加流体对那里所含的油母沥青的可达性。
[0074]参照图5，集成系统500包括建立注入井501，其穿过岩层502(例如Uinta)和岩层503(例如Green River)延伸到地下，其中后者再分为三个区(503a、503b和503c)。流体通过注入井501注入岩层并提供了破裂的岩层503b，503b具有增加了的流体对那里所含的油母沥青的可达性。这种流体通道还提供使油母沥青与反应性流体和提取流体的接触，以通过一个或多个生产井505将可流动的油母沥青基产物提取出岩层以生产提取的油母沥青基产物。注意，可以进行水监测，例如，通过地下水监测井506来检验没有发生地下水污染物由于破裂进入现有的含水层。一旦提取，提取的油母沥青基产物可通过管道被运送到分离器/处理和生产容器。
实施例3
[0075]该实施例用来说明根据本发明的某些实施方案，地下页岩岩层中页岩的破裂和/或破碎是如何被监测的。
[0076]替代或除了实施例2中描述的地下水监测井，倾斜仪可以安装在页岩岩层表面的井网布置上。倾斜仪装置将放于8.5英寸的洞中，洞25英尺深，内衬PVC管道并且可能底部还有一点水泥。它们被盖住并且有一个太阳能电池板用来收集数据。检波器也可以安装在地面或地下以收集微地震信息以协助追踪破裂扩展。
实施例4
[0077]该实施例用来说明根据本发明的某些实施方案，页岩束缚的油母沥青与反应性流体接触的方法，以及如何原位化学改性油母沥青。
[0078]这样的示例性方法将会涉及注入密相流体例如液相二氧化碳和反应性的共溶剂例如甲酸，其浓度使得在岩层温度和压力下为单相体系。压力和温度超过该密相流体的临界点(即对于CO2来说，1070pisg和31℃)时获得最佳性能。超临界流体(SCF)具有进入到低渗透性岩层的最佳渗透性，这是由于超临界流体的低扩散能力和未定义的(零)表面张力。SCF将溶解所述共溶剂/添加剂(例如甲酸)以使其与油页岩的无机和有机组分接触。这种接触使得油页岩中的有机物质和碳酸盐无机物质发生化学反应以将这些物质转化为气体和/或产生增加的表面积的小分子尺寸和更小分子量的油母沥青。
实施例5
[0079]该实施例用来说明根据本发明的某些实施方案，可流动的油母沥青基产物是如何从地下岩层提取的。
[0080]一旦油母沥青转化为可流动的油母沥青基产物，可以使用提取流体把它运送到地面。通常，提取流体实质上与反应性流体组成相似，虽然通常反应性试剂通常有些耗尽。再次参照图5，并使用类似于实施例4描述的反应性流体的提取流体，所述提取流体通过一口或多口注入井501被泵送到岩层，在破裂岩层504中接触可流动的油母沥青基产物，并通过一口或多口生产井505泵送到地面，随其运送可流动的油母沥青基产物，从而提供提取的油母沥青基产物。
实施例6
[0081]该实施例用来说明根据本发明的某些实施方案，可对提取的油母沥青基产物实施的后提取方法。
[0082]如果提取的油母沥青基产物包含绝大部分的使产品高度粘稠的高分子量物种，可以用地面改质来热裂化或“减粘裂化”该产物以产生粘度较低的更易运输的产物。在紧挨着提取地点的范围内这样做有很好的经济意义之处在于较低粘度的产物然后能更容易地通过管道远距离运输。
12.概要
[0083]本发明涉及从地下(油)页岩岩层提取油母沥青基产物的方法，其中，这些方法依靠破裂和/或破碎部分所述岩层以增强其流体渗透性，和其中这些方法还依靠对页岩束缚的油母沥青进行化学改性以使其可流动。本发明也涉及实施这些方法的系统。本发明还涉及破裂和/或破碎地下页岩岩层的方法并涉及对油母沥青进行原位化学改性以使其可流动的方法。
13.结论
[0084]本文提及的所有专利和出版物都引入供参考，引入程度一致。应该理解的是，某些上述结构、功能和上述实施方案的操作对实践本发明并不是必需的，且包含在描述中只是为了示例性的一个或多个实施方案的完整性。此外，应该理解的是，上述引用的专利和出版物中列出的具体结构、功能和操作可以联合本发明实施，但它们对其实践并不是必要的。因此要理解的是，本发明可以以与所具体描述的方式不同的方式加以实践而事实上不偏离所附的权利要求定义的本发明的主旨和范围。
Claims (53)
1.从包含地下页岩的地下页岩岩层中提取油母沥青基产物的方法，所述方法包括以下步骤：
a)增加地下页岩中的油母沥青对流体的可达性，其中所述地下页岩除油母沥青外还包含无机组分；
b)使所述地下页岩中的油母沥青与反应性流体接触以产生可流动的油母沥青基产物；和
c)将所述可流动的油母沥青基产物输送出所述地下页岩岩层以产生提取的油母沥青基产物。
2.权利要求1的方法，其中增加可达性的步骤包括以下子步骤：
a)钻套管注入井到包含所述地下页岩的地下页岩岩层中；
b)用密相流体对所述注入井加压以提供加压井；和
c)迅速使所述加压井减压以达到压力减小的稳定状态。
3.权利要求2的方法，其中重复进行所述加压和减压子步骤。
4.权利要求2的方法，其中所述密相流体包含选自二氧化碳(CO2)、氮气(N2)、液态天然气(LNG)、氨气(NH3)、一氧化碳(CO)、氩气(Ar)、液化石油气(LPG)、氢气(H2)、硫化氢(H2S)、空气、C1-C20烃和它们的组合的组分。
5.权利要求2的方法，其中所述加压井中的压力超过所述地下页岩岩层的破裂压力。
6.权利要求2的方法，其中所述密相流体被所述油母沥青吸收，随后油母沥青膨胀，并且其中所述膨胀的油母沥青扩张了所述地下页岩岩层并产生机械应力，导致所述岩层随后的破碎和破裂。
7.权利要求2的方法，其中在所述加压和减压子步骤过程中产生的机械应力增强了所述地下页岩岩层的破裂。
8.权利要求2的方法，其中所述加压和减压子步骤在所述地下页岩岩层中产生热应力。
9.权利要求8的方法，其中作为所述热应力的结果，油母沥青至少部分从所述页岩的无机组分中剥离。
10.权利要求2的方法，其中添加炸药到所述密相流体中以增强所述岩层的破碎和破裂。
11.权利要求2的方法，其中使所述地下页岩中的油母沥青与反应性流体接触以产生可流动的油母沥青基产物的步骤涉及所述油母沥青的化学改性。
12.权利要求11的方法，其中所述化学改性涉及所述油母沥青的至少部分裂解。
13.权利要求2的方法，其中所述反应性流体包含第一组分和第二组分，所述第一组分选自二氧化碳(CO2)、氮气(N2)、液态天然气(LNG)、氨气(NH3)、一氧化碳(CO)、氩气(Ar)、液化石油气(LPG)、氢气(H2)、硫化氢(H2S)、空气、C1-C20烃和它们的组合；所述第二组分选自有机酸、无机酸、过氧化物、产生自由基的化学品、路易斯酸、腐植解聚剂、烯烃歧化催化剂、反应性气体、酶、微生物、等离子体、催化剂和它们的组合。
14.权利要求2的方法，其中将所述可流动的油母沥青基产物输送出所述地下页岩岩层的步骤包括提取流体。
15.权利要求14的方法，其中所述提取流体选自二氧化碳(CO2)、氮气(N2)、液态天然气(LNG)、氨气(NH3)、一氧化碳(CO)、氩气(Ar)、液化石油气(LPG)、氢气(H2)、硫化氢(H2S)、空气、C1-C20烃和它们的组合；
16.权利要求14的方法，其中所述提取流体实质上与所述反应性流体无区别。
17.权利要求2的方法，其中用泵送把所述可流动的油母沥青基产物输送出所述地下页岩岩层。
18.权利要求2的方法，其中对所提取的油母沥青基产物进行改质以产生一种或更多种商业石油基产物。
19.权利要求1的方法，其中增加可达性的步骤包括以下子步骤：
a)钻套管注入井到包含所述地下页岩的地下页岩岩层中；
b)向所述注入井输送浆料，所述浆料包含液体CO2和固体CO2；
c)通过允许所述井内部的液体CO2和固体CO2形成超临界CO2来对所述井进行加压，从而形成加压井；和
d)减压所述加压井以达到压力减小的稳定状态，由此伴生的CO2绝热膨胀冷却地下页岩岩层并且在所述岩层中引起热应力和机械应力，这转而导致所述岩层的破裂。
20.权利要求19的方法，其中重复进行加压和减压的子步骤直到达到平衡压力。
21.权利要求19的方法，其中作为所述热应力和机械应力的结果，所述油母沥青至少部分从所述页岩的无机组分中剥离。
22.权利要求19的方法，其中添加炸药到液体和固体CO2的浆料中以增强所述岩层的破碎和破裂。
23.权利要求19的方法，其中使所述地下页岩中的油母沥青与反应性流体接触以产生可流动的油母沥青基产物的步骤涉及所述油母沥青的化学改性。
24.权利要求23的方法，其中所述化学改性涉及所述油母沥青的至少部分裂解。
25.权利要求19的方法，其中所述反应性流体包含第一组分和第二组分，所述第一组分选自二氧化碳(CO2)、氮气(N2)、液态天然气(LNG)、氨气(NH3)、一氧化碳(CO)、氩气(Ar)、液化石油气(LPG)、氢气(H2)、硫化氢(H2S)、空气、C1-C20烃和它们的组合；所述第二组分选自有机酸、无机酸、过氧化物、产生自由基的化学品、路易斯酸、腐植解聚剂、烯烃歧化催化剂、反应性气体、酶、微生物、等离子体、催化剂和它们的组合。
26.权利要求23的方法，其中所述油母沥青的化学改性由选自酶、热气体、催化剂、酸和它们的组合的改性剂提供。
27.权利要求19的方法，其中把所述可流动的油母沥青基产物输送出所述地下页岩岩层的步骤包括提取流体。
28.权利要求27的方法，其中所述提取流体选自二氧化碳(CO2)、氮气(N2)、液态天然气(LNG)、氨气(NH3)、一氧化碳(CO)、氩气(Ar)、液化石油气(LPG)、氢气(H2)、硫化氢(H2S)、空气、C1-C20烃和它们的组合。
29.权利要求27的方法，其中所述提取流体与所述反应性流体无区别。
30.权利要求19的方法，其中用泵送把所述可流动的油母沥青基产物输送出所述地下区域。
31.权利要求19的方法，其中对所提取的油母沥青基产物进行改质以产生一种或多种商业石油基产物。
32.权利要求19的方法，其中所述加压和减压步骤还包括一个过渡步骤，该过渡步骤是使所述页岩与加热的流体接触以增强所述地下页岩岩层中产生的热应力。
33.包含地下油页岩的地下页岩岩层的破裂方法，其中所述地下页岩包含油母沥青和无机组分，和其中所述破裂增强了所述地下页岩的流体渗透性，所述方法包括以下步骤：
a)钻套管注入井到包含所述地下页岩的地下页岩岩层中；
b)向所述井中输送密相流体并密封所述注入井以建立密封井；
c)通过允许对所述密封井内部的密相流体进行加压来对所述密封井加压，从而形成加压井；和
d)减压所述加压井以达到压力减小的稳定状态，由此伴生的密相流体的绝热膨胀冷却所述地下页岩岩层并在所述岩层中引起热应力和机械应力，这转而导致所述岩层的破裂。
34.权利要求33的方法，其中所述密相流体包含液体CO2和固体CO2的浆料。
35.权利要求33的方法，其中重复进行加压和减压步骤。
36.权利要求33的方法，其中作为所述热应力和机械应力的结果，所述油母沥青至少部分从所述页岩的无机组分中剥离。
37.权利要求33的方法，其中添加炸药到所述密相流体中以增强所述岩层的破碎和破裂。
38.包括以下步骤的方法：
a)分析含油母沥青的地下页岩岩层，从而获得与其中所含的油母沥青有关的信息；
b)增加地下页岩中的所述油母沥青对流体的可达性，其中所述地下页岩除所述油母沥青外还包含无机组分；
c)监测步骤(b)中提供的增加的可达性；
d)使所述地下页岩中的油母沥青与反应性流体接触以产生可流动的油母沥青基产物，其中根据步骤(a)中获得的信息选择所述反应性流体；和
e)把所述可流动的油母沥青基产物输送出所述地下页岩岩层以产生提取的油母沥青基产物。
39.权利要求38的方法，还包括处理所述提取的油母沥青基产物的步骤。
40.系统，包括：
a)用来分析含油母沥青的地下页岩岩层从而获得与其中所含的油母沥青有关的信息的装置；
b)用来增加地下页岩中的所述油母沥青对流体的可达性的装置，其中所述地下页岩除所述油母沥青外还包含无机组分；
c)用来监测方法(b)提供的增加的可达性的装置；
d)使所述地下页岩中的油母沥青与反应性流体接触以产生可流动的油母沥青基产物的装置，其中根据由装置(a)获得的信息选择所述反应性流体；和
e)把所述可流动的油母沥青基产物输送出所述地下页岩岩层以产生提取的油母沥青基产物的装置。
41.权利要求40的系统，还包括用于加工所提取的油母沥青基产物的装置。
42.从低渗透性含烃的地下岩层中提取烃基产物的方法，所述方法包括以下步骤：
a)增加地下岩层区域中对流体的渗透性以建立渗透性增强的区域；
b)使所述渗透性增强的区域中的烃质物质与反应性流体接触以产生可流动的烃基产物；和
c)将所述可流动的烃基产物输送出所述地下岩层以生产提取的烃基产物。
43.权利要求42的方法，其中所述增加渗透性的步骤包括以下子步骤：
a)钻套管注入井到所述地下岩层中；
b)用密相流体对所述注入井加压以提供加压井；和
c)迅速使所述加压井减压以达到压力减小的稳定状态。
44.权利要求43的方法，其中重复进行加压和减压子步骤。
45.权利要求43的方法，其中所述密相流体包含选自二氧化碳(CO2)、氮气(N2)、液态天然气(LNG)、氨气(NH3)、一氧化碳(CO)、氩气(Ar)、液化石油气(LPG)、氢气(H2)、硫化氢(H2S)、空气、C1-C20烃和它们的组合的组分。
46.权利要求43的方法，其中使所述地下岩层中的烃与反应性流体接触以产生可流动的烃基产物的步骤涉及所述烃的化学改性。
47.权利要求43的方法，其中所述反应性流体包含第一组分和第二组分，所述第一组分选自二氧化碳(CO2)、氮气(N2)、液态天然气(LNG)、氨气(NH3)、一氧化碳(CO)、氩气(Ar)、液化石油气(LPG)、氢气(H2)、硫化氢(H2S)、空气、C1-C20烃和它们的组合；所述第二组分选自有机酸、无机酸、过氧化物、产生自由基的化学品、路易斯酸、腐植解聚剂、烯烃歧化催化剂、反应性气体、酶、微生物、等离子体、催化剂和它们的组合。
48.权利要求43的方法，其中将所述可流动的烃基产物输送出所述地下页岩岩层的步骤包括提取流体。
49.权利要求48的方法，其中所述提取流体选自二氧化碳(CO2)、氮气(N2)、液态天然气(LNG)、氨气(NH3)、一氧化碳(CO)、氩气(Ar)、液化石油气(LPG)、氢气(H2)、硫化氢(H2S)、空气、C1-C20烃和它们的组合。
50.权利要求48的方法，其中所述提取流体实质上与所述反应性流体无区别。
51.权利要求19的方法，其中用泵送把所述可流动的油母沥青基产物输送出所述地下区域。
52.权利要求19的方法，其中对所提取的油母沥青基产物进行改质以产生一种或更多种商业石油基产物。
53.权利要求19的方法，其中所述加压和减压步骤还包括一个过渡步骤，该过渡步骤是使所述页岩与加热的流体接触以增强所述地下页岩岩层中产生的热应力。
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Owner name: LOS ALAMOS NAT SECURITY LLC |
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Effective date of registration: 20101124 Address after: American California Applicant after: Chevron USA Inc. Co-applicant after: Los Alamos National Security LLC Address before: American California Applicant before: Chevron USA Inc. |
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Granted publication date: 20120704 Termination date: 20150215 |
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