CN101427004A - 用于原位法处理地层的硫屏蔽层 - Google Patents

Abstract

本文描述了用于在地下地层中的至少一部分处理区周围形成屏蔽层的方法。可将硫加入一个或多个位于地层中的处理区边界内的井孔中，所述处理区的渗透性至少为0.1达西。允许至少一些硫流向比硫的熔点低的地层部分使得硫在地层中固化以形成屏蔽层。

Description

用于原位法处理地层的硫屏蔽层

政府权益

根据UT-Battelle，LLC之间按照美国能源部与Shell开发与生产公司之间的总合同No.DE-AC05-00OR22725签订的协议No.ERD-05-2516，美国政府对本发明拥有一定的权利。

技术领域

本发明主要涉及在至少一部分地下处理区周围提供屏蔽层的方法和系统。更具体地，本发明涉及一种使用硫在处理区周围形成屏蔽层的方法。处理区可为已被原位热处理法处理过的处理区、正在被原位热处理法处理的处理区或者将要被原位热处理法处理的处理区。

背景技术

原位法可用于处理地下地层。在一些原位法期间，可向地层加入流体或在地层中产生流体。加入或产生的流体可能需要容纳于处理区中以最小化或消除原位法对相邻区域的影响。在一些原位法期间，可在全部或部分处理区周围形成屏蔽层以抑制流体流入或流出处理区。

出于多种目的，可使用低温区以隔离选定的地下地层区域。在一些系统中，在土壤修复期间使土地冷冻以抑制流体从处理区迁移。Krieg等人的美国专利No.4,860,544、Krieg等人的美国专利No.4,974,425、Dash等人的美国专利No.5,507,149、Briley等人的美国专利No.6,796,139和Vinegar等人的美国专利No.6,854,929描述了用于冷冻土地的系统。

为形成低温屏蔽层，可在将要形成屏蔽层的地层内形成间隔的井孔。可在井孔中放置管道。可使低温传热流体循环通过管道以降低邻近井孔的温度。井孔周围的低温区可向外膨胀。最终通过两个相邻井孔产生的低温区合并。低温区的温度可足够低以冷冻地层流体从而形成基本不可渗透的屏蔽层。井孔间距可为1米-3米或更长。在使用原位热法期间，低温屏蔽层可以与将要加热的地层部分之间存在较大的距离。

在原位处理一些地层期间，可从地层产生硫化氢或其它含硫化合物。在一些操作中，可从硫化合物产生元素硫。可使用克劳斯法产生硫。克劳斯法可导致生成气相硫。

形成低温屏蔽层在装置、能量和时间上的投资可能很大。同时，在完成原位热处理法后，希望保持原位处理区与周围的处理后或未处理地层的部分隔离。因此，希望能够使用在原位处理法的位置可获得的材料在地层中形成屏蔽层，该屏蔽层在原位法操作完成后留在地层中。

发明内容

此处所描述的实施方案主要涉及在至少一部分地下处理区周围提供硫屏蔽层的系统和方法。

在一些实施方案中，用于在地下地层中的至少一部分处理区周围形成屏蔽层的方法包括：将硫加入一个或多个位于地层中的处理区边界内的井孔中；和允许至少部分硫朝向比硫的熔点低的地层部分移动以在地层中固化硫从而形成屏蔽层。

在一些实施方案和其它实施方案中，处理区的渗透性可以为至少0.1达西，至少1达西，至少10达西，至少100达西。

在一些实施方案和其它实施方案中，通过溶液采矿法和/或通过原位热处理法提高处理区的渗透性。

在一些实施方案和其它实施方案中，硫以液体和/或蒸气形式提供入地层中。在一些实施方案和其它实施方案中，引导硫朝向处理区的边界流动。在一些实施方案和其它实施方案中，硫通过位置靠近处理区边界的井孔加入地层中。在一些实施方案和其它实施方案中，至少部分围绕处理区的低温屏蔽层加强硫的固化以形成屏蔽层。

在一些实施方案中，在地层中形成屏蔽层的方法包括：加热邻近多个井孔的一部分地层以提高邻近井孔的地层的温度至高于硫的熔点和低于地层中烃的热解温度，将熔融态硫加入至少部分井孔中；和使硫从井孔向外朝向比硫的熔点低的地层部分流动，使得硫在地层中固化以形成屏蔽层。

在一些实施方案和其它实施方案中，用于加热邻近井孔的地层部分的至少一个加热器包括限温加热器。在一些实施方案和其它实施方案中，屏蔽层内的处理区被溶液采矿和/或在屏蔽层内的处理区上使用原位热处理法。在一些实施方案和其它实施方案中，在第一屏蔽层和用于从地层产生地层流体的处理区之间形成屏蔽层。在一些实施方案和其它实施方案中，加入地层中的熔融态硫的温度接近硫的熔点。在一些实施方案和其它实施方案中，二氧化碳储存于处理区中。

在另外的实施方案中，具体实施方案的特征可与其它实施方案的特征结合。例如，一个实施方案的特征可与任意其它实施方案的特征结合。

在另外的实施方案中，使用此处所述的任意方法或系统处理地下地层。

在另外的实施方案中，此处所述的具体实施方案可加入附加特征。

附图说明

在受益于下述详细说明和参考附图的情况下，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描述了对加热含烃地层的阶段的说明。

图2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。

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，和可在此处详细描述。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用于限定本发明于所公开的特定形式，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

下述说明主要涉及处理地层内的烃的系统与方法。可使用原位转化法处理地层以得到烃产物、氢气和其它产物。在进行原位热处理法的全部或部分处理区周围可形成一个或多个屏蔽层。

“居里温度”是在这个温度之上铁磁材料失去其所有铁磁性质的温度。除去在居里温度之上失去所有铁磁性质之外，当渐增的电流流经铁磁材料时，铁磁材料开始失去其铁磁性质。

“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。“烃层”指地层中含烃的层。烃层可包含非烃材料和烃材料。“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和没有经历导致上覆地层和/或下伏地层中含烃层显著特征变化的原位热处理处理期间的温度。例如，下伏地层可包含页岩或泥岩，但原位热处理法期期间不允许加热下伏地层至热解温度。在一些情况下，上覆地层和/或下伏地层可具有一定的渗透性。

“地层流体”是指存在于地层内的流体，和可包括热解流体、合成气、运动烃和水(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。“产生的流体”是指从地层移出的流体。

“热源”是基本通过传导和/或辐射传热提供热量到至少一部分地层的任意系统。例如热源可包括电加热器，例如绝缘导体、细长构件和/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、无火焰分布式燃烧器和自然分布式燃烧器。在一些实施方案中，可通过其它能量源供应在一个或多个热源内提供或生成的热量。其它能量源可直接加热地层，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量源。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量源(例如化学反应、太阳能、风能、生物物质或其它可再生的能量源)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的区域和/或在其周围的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意系统或热源。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。

“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、沉积石英岩、碳酸盐、硅藻土和其它多孔介质。“烃流体”是包含烃的流体。烃流体可包含、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。

“原位转化法”指通过热源加热含烃地层以将至少一部分地层的温度提高至高于热解温度从而在地层中产生热解流体的方法。

“原位热处理法”是指用热源加热含烃地层以将至少一部分地层的温度升高到导致流体流动、减粘和/或含烃材料热解的温度之上从而在地层中生成流动的流体、减粘流体和/或热解流体的方法。

“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。热量可转移到一部分地层上以引起热解。在一些地层中，可通过催化活性促进部分地层和/或地层中其它材料的热解。

“限温加热器”通常是指在不使用外部控制例如温度控制器、功率调节器、整流器或者其它设备的情况下在特定温度之上调节热输出(例如降低热输出)的加热器。限温加热器可以是AC(交流电流)或调制的(例如“斩波的”)DC(直流电流)供电的电阻加热器。

“导热系数”是材料的性质，其描述对于给定的两个表面之间温度差下，材料的两个表面之间在稳定状态下热量流动的速率。

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。

一些含烃地层例如油页岩地层可包括地层中的苏打石、天然碱和/或其它矿物质。在一些实施方案中，可在用原位热处理法从地层生产烃和其它化合物之前，从地层采收一些矿物质。

可在待溶液采矿的地层部分周围形成边界屏蔽层以定义处理区。边界屏蔽层可抑制水流入处理区中。在溶液采矿和/或原位热处理法期间，边界屏蔽层可抑制溶解矿物质和地层流体迁移出处理区。处理区可用热源加热。在初始加热期间，可使一部分待处理的地层升高至低于待采收矿物质解离温度的温度。温度可为增加矿物质在水中溶解速率的任意温度，但是也低于发生解离的温度(对于苏打石在大气压下高于95℃)。

可将第一流体注入加热部分。第一流体可包括水、盐水、蒸汽或其它与矿物苏打石形成溶液的流体。第一流体可为高温的，例如90℃、95℃或100℃。所述高温可与地层部分的温度相似。

在一些实施方案中，第一流体以高温注入一部分尚未被热源加热的地层中。所述高温可为低于第一流体沸点的温度，例如对于水为90℃。提供高温下的第一流体提高了一部分地层的温度。在一些实施方案中，可在注入第一流体期间和/或之后，从地层中的一个或多个热源提供附加的热量。

在一些实施方案中，第一流体是蒸汽或包括蒸汽。蒸汽可通过在之前加热过的地层部分中形成蒸汽(例如通过使水流经已用于加热地层的u-形井孔)、通过与从地层产生的流体换热和/或通过在标准蒸汽生产装置中产生蒸汽而生成。在一些实施方案中，第一流体可为直接加入热部分中的和从地层的热部分产生的流体。随后可将第一流体用作用于溶液采矿的第一流体。

在一些实施方案中，将源自之前处理过的热的地层部分的热量用于加热用于地层新部分溶液采矿的水、盐水和/或蒸汽。可将传热流体加入之前处理过的热的地层部分中。传热流体可为水、蒸汽、二氧化碳和/或其它流体。热量可从热地层传递至传热流体。传热流体是从地层通过生产井制得。将传热流体送入换热器。换热器可加热用作第一流体以溶液采矿地层新部分的水、盐水和/或蒸汽。可将传热流体再次加入加热过的地层部分以生产另外的热传热流体。在一些实施方案中，在从地层产生的传热流体被再次加入地层中之前，作为用于对加热过的地层部分的补救方法的一部分，对从地层产生的传热流体进行处理以移除烃或其它材料。

注入的用于溶液采矿的蒸汽的温度可低于地层中烃的热解温度。注入的蒸汽的温度可低于250℃、低于300℃或低于400℃。注入的蒸汽的温度可为至少150℃、至少135℃或至少125℃。注入在热解温度下的蒸汽可产生问题，例如烃发生热解和烃细粒与蒸汽混合。细粒和蒸汽的混合物可降低渗透性和/或引起生产井和地层的堵塞。因此，选定注入的蒸汽的温度以抑制地层和/或地层中井的堵塞。

溶液采矿法期间第一流体的温度可发生变化。随着溶液采矿的进行和被溶液采矿的矿物质离注入点越来越远，第一流体温度可升高使得到达待溶液采矿的矿物质的蒸汽和/或水的温度处于低于苏打石解离温度的高温。到达矿物质的蒸汽和/或水的温度也低于促进地层和/或地层中的井堵塞的温度(例如地层中烃的热解温度)。

在将第一流体注入地层之后，可从地层制得第二流体。第二流体可包括溶解于第一流体中的材料。例如，第二流体可包括矿物质溶解于第一流体中形成的碳酸或其它水合碳酸盐化合物。第二流体也可包括矿物质和/或金属。矿物质和/或金属可包括钠、铝、磷和其它元素。

原位热处理法之前溶液采矿地层允许通过来自溶液采矿期间所用的第一流体的传热提供对地层的初始加热。溶液采矿在原位热处理法之前通过吸热反应分解或解离的苏打石或其它矿物质，避免了提供能量以加热用于支撑这些吸热反应的地层。溶液采矿可产生具有商用价值的矿物质。原位热处理法之前移除苏打石或其它矿物质从地层中移除了物质。因此，地层中存在较少的需要加热至更高温度的物质，和可更快和/或更有效率地实现加热地层至更高温度。从地层移除物质也可增加地层的渗透性。增加渗透性可降低原位热处理法所需要的生产井的数目。在一些实施方案中，原位热处理法之前的溶液采矿使启动对地层的加热和生产烃之间的时间延迟减少两年或更多。

可以多种方式处理地层中的烃以生产多种不同的产物。在一些实施方案中，地层中的烃分阶段进行处理。图1描述了对加热含烃地层的阶段的说明。图1还描述了来自地层的地层流体以桶油当量/吨计的产率(“Y”)(y轴)对以℃计的加热地层的温度(“T”)(x轴)的实例。

在阶段1加热期间出现了甲烷的解吸和水的汽化。通过阶段1加热地层可以尽可能迅速地进行。例如当最初将含烃地层加热时，地层中的烃解吸所吸附的甲烷。可以从地层中生产解吸的甲烷。如果将含烃地层进一步加热，则含烃地层中的水汽化。在一些含烃地层中，水可以占据地层中的孔体积的10-50％。在其它地层中，水占据更大或更小部分的孔体积。水通常在地层中在160-285℃在600-7000kPa绝压的压力下汽化。在一些实施方案中，汽化的水导致地层中的润湿性变化和/或增加的地层压力。该润湿性变化和/或增加的压力可以影响地层中的热解反应或其它反应。在一些实施方案中，从地层中生产汽化的水。在其它实施方案中，汽化的水用于在地层中或地层外的蒸汽提取和/或蒸馏。将水从地层中移出和提高地层中的孔体积增加了孔体积中烃的储存空间。

在一些实施方案中，在阶段1加热之后将地层进一步加热，以使得地层中的温度达到(至少)最初的热解温度(例如在如阶段2所示的温度范围下端的温度)。地层中的烃可能在阶段2被热解。热解温度范围取决于地层中烃的种类而变化。热解温度范围可以包括250-900℃的温度。用于生产所希望的产物的热解温度范围可以延伸通过总热解温度范围的仅仅一部分。在一些实施方案中，用于生产所希望的产物的热解温度范围可以包括250-400℃的温度或者270-350℃的温度。如果地层中烃的温度缓慢升高通过250-400℃的温度，则当温度达到400℃时热解产物的生产可能基本完成。烃的平均温度可以在小于5℃/天、小于2℃/天、小于1℃/天或小于0.5℃/天的速率下升高通过用于生产所希望的产物的热解温度范围。用多个热源加热含烃地层可以在热源周围建立热梯度，以缓慢升高地层中烃的温度通过热解温度范围。

通过用于所希望的产物的热解温度范围的温度升高速率可能影响从含烃地层中生产的地层流体的质量和数量。将温度缓慢升高通过用于所希望的产物的热解温度范围可能抑制地层中长链分子的流动。将温度缓慢升高通过用于所希望的产物的热解温度范围可能限制在流动的烃之间产生不希望的产物的反应。将地层的温度缓慢升高通过用于所希望的产物的热解温度范围可以使得从地层中生产高质量、高API比重度的烃。将地层的温度缓慢升高通过用于所希望的产物的热解温度范围可以使得作为烃产物移出在地层中存在的大量的烃。

在一些原位热处理实施方案中，将一部分地层加热至所希望的温度而不是缓慢加热使温度通过温度范围。在一些实施方案中，所希望的温度为300℃、325℃或350℃。可以选择其它的温度作为所希望的温度。来自热源的热的叠加使得在地层中相对迅速和有效地建立所希望的温度。可以调节从热源到地层中的能量输入以将地层中的温度基本保持在所希望的温度下。将加热部分的地层基本保持在所希望的温度下直到热解减少使得从地层中生产所希望的地层流体变得不经济。经受热解的地层部分可以包括通过仅由一个热源传热而被带入热解温度范围内的区域。

在一些实施方案中，从地层中生产包括热解流体的地层流体。当地层温度增加时，生产的地层流体中可冷凝的烃的数量可能降低。在高温下，地层可能产出大部分甲烷和/或氢气。如果将含烃地层加热通过整个热解范围，则对于热解范围的上限，地层可能产出仅仅少量的氢气。在所有可获得的氢气枯竭之后，将通常出现来自地层的最小数量的流体产量。

在烃热解之后，大量碳和一些氢气可能仍然存在于地层中。保留在地层中的明显比例的碳可以以合成气的形式从地层中产出。在图1中描述的阶段3加热期间，可以出现合成气生成。阶段3可以包括将含烃地层加热至足以使得合成气生成的温度。例如可以在400-1200℃、500-1100℃或者550-1000℃的温度范围内生产合成气。当将产生合成气的流体加入地层时，地层的加热部分的温度决定了在地层中生产的合成气的组成。可以通过生产井从地层中移出所产生的合成气。

在热解和合成气生成期间，从含烃地层中生产的流体的总能量含量可以保持相对恒定。在相对低的地层温度下的热解期间，明显比例的所生产的流体可以是具有高能量含量的可冷凝烃。然而在更高的热解温度下，较少的地层流体可以包括可冷凝的烃。更多的不可冷凝地层流体可以从地层中生产。在主要为不可冷凝地层流体的生成期间，每单位体积的所生产的流体的能量含量可能稍微降低。在合成气产生期间，与热解流体的能量含量相比，每单位体积的所生产的合成气的能量含量明显降低。然而，生产的合成气的体积在许多情况下将明显增加，由此补偿降低的能量含量。

图2描述了用于处理含烃地层的原位热处理系统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域周围形成屏蔽层。屏蔽层抑制流体流入和/或流出处理区域。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一部分地层内或者正在加热的地层内。

冷冻井可用于在全部或一部分处理区周围建立低温区。制冷剂循环通过冷冻井以在各冷冻井周围形成低温区。冷冻井放置于地层中使得低温区交迭和在处理区周围形成低温区。通过冷冻井建立的低温区保持在低于地层中含水流体的冷冻温度。进入低温区的含水流体冷冻和形成冻结屏蔽层。在图2中描述的实施方案中，所示出的屏蔽井200仅沿热源202的一侧延伸(但是屏蔽井通常围绕全部所用的或待用的热源202)以加热地层的处理区。

热源202置于至少一部分地层内。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、无火焰分布式燃烧器和/或自然分布式燃烧器。热源202也可包括其它类型的加热器。热源202提供热量到至少一部分地层以加热地层内的烃。可通过供应管线204供应能量到热源202。供应管线204在结构上可以不同，这取决于加热地层所使用的一种热源或多种热源的类型。用于热源的供应管线204可输送用于电加热器的电，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。在一些实施方案中，用于原位热处理法的电可通过核电站供应。使用核动力可减少或消除从原位热处理法排放的二氧化碳。

使用生产井206从地层中移出地层流体。在一些实施方案中，生产井206包括热源。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。在一些原位热处理法实施方案中，以每米生产井计，从生产井供应到地层内的热量小于以每米热源计从加热地层的热源施加到地层的热量。从生产井施加到地层的热量可通过汽化和移出邻近生产井的液相流体增加邻近生产井的地层渗透性，和/或通过地层的巨大和/或微小的裂缝增加邻近生产井的地层渗透性。

在一些实施方案中，生产井206中的热源允许从地层移出地层流体的气相。在生产井处或通过生产井提供热量可以：(1)当生产流体在上覆地层附近的生产井中移动时，抑制这些生产流体冷凝和/或回流，(2)增加输入到地层中的热量，(3)与没有热源的生产井相比，增加生产井的生产速率，(4)抑制生产井中高碳数化合物(C6和C6以上)的冷凝，和/或(5)增加生产井处或其附近地层的渗透性。

地层的地下压力可相当于地层中产生的流体的压力。当地层加热部分中的温度升高时，由于产生的流体和水的汽化增加，加热部分的压力也增大。控制从地层中移出流体的速率可以允许控制地层中的压力。在很多不同的位置可以确定地层的压力，例如靠近或在生产井处、靠近或在热源处或在监测井处。

在一些含烃地层中，直到地层中的至少一些烃已经热解，从地层中生产烃都是受抑制的。当地层流体具有选定的质量时，可以从地层中生产地层流体。在一些实施方案中，选定的质量包括API比重度至少为约20°、30°或40°。抑制生产直到至少一些烃热解可以提高重质烃到轻烃的转化率。抑制初期生产可以使从地层生产的重质烃最小化。大量重质烃的生产可能需要昂贵的设备和/或缩短生产设备的寿命。

在达到热解温度和允许从地层生产之后，可以改变地层压力以改变和/或控制生产的地层流体的组成，以控制地层流体中与不可冷凝流体相比可冷凝流体的百分比，和/或控制所生产的地层流体的API比重度。例如压力下降可能导致生产更多的可冷凝流体组分。可冷凝流体组分可以包含更大百分比的烯烃。

在一些原位热处理法的实施方案中，地层中的压力可以保持足够高，以促进API比重度大于20°的地层流体的生产。在地层中保持增大的压力可以抑制地层在原位热处理中下沉。保持增大的压力可以促进从地层中生产气相流体。生产气相可以允许用于输送从地层中产生的流体的收集管的尺寸降低。保持增大的压力可以减少或消除在地面将收集管内的流体输送到处理设施时压缩地层流体的需要。

在地层的加热部分保持增大的压力可以惊人地允许生产大量质量提高和分子量相对低的烃。可以保持压力，以使生产的地层流体具有最小量的选定碳数以上的化合物。选定碳数可以是最多25、最多20、最多12或最多8。一些高碳数化合物可以夹带在地层中的蒸气中，和可以与蒸气一起从地层中移出。在地层中保持增大的压力可以抑制蒸气中夹带高碳数化合物和/或多环烃化合物。高碳数化合物和/或多环烃化合物可以在相当长的时期内在地层中保持液相。所述相当长的时期可以为化合物提供足够的时间以热解形成较低碳数的化合物。

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线或管道输送到收集管线208中，或者所生产的流体可通过管线或管道直接输送到处理设施210中。处理设施210可包括处理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。在一些实施方案中，运输燃料可以是喷气燃料例如JP-8。

可使用多种原位法生产地层中的烃或其它所需产物。一些可用于生产烃或所需产物的原位法是原位转化法、蒸汽驱动、火驱动、蒸汽辅助重力泄油和溶液采矿。在一些原位法期间，可能需要或要求屏蔽层。屏蔽层可抑制流体例如地层水进入处理区。屏蔽层也可抑制源自处理区流体的不希望的排出。抑制源自处理区流体的不希望的排出可最小化或消除原位法对邻近处理区的区域的影响。

在一些实施方案中，所形成的屏蔽层与用于加热或另外处理处理区的井之间有明显距离。所形成的屏蔽层与用于加热或另外处理处理区的井之间可为10m、30m、50m、100m或更大的距离。

原位热处理法和溶液采矿法可加热处理区，从处理区移出物质和大大增加处理区的渗透性。在一些实施方案中，被处理过的处理区的渗透性可为至少0.1达西。在一些实施方案中，被处理过的处理区的渗透性为至少1达西、至少10达西或至少100达西。增加的渗透性允许流体在地层中蔓延入地层中的裂缝、微小裂缝和/或孔隙中。在处理区之外，渗透性可保持为地层的初始渗透性。增加的渗透性允许加入的流体在地层内易于流动。

在一些实施方案中，可在溶液采矿法和/或原位热处理法之后，通过将流体加入地层中在地层中形成屏蔽层。在溶液采矿和/或原位热处理法结束之后，屏蔽层可抑制地层流体进入处理区。通过将流体加入地层中形成的屏蔽层可允许用于隔离处理区。

加入地层中以形成屏蔽层的流体可包括蜡、沥青、重油、硫、聚合物、凝胶、饱和盐水溶液和/或一种或多种在地层中反应形成沉淀物、固体或高粘性流体的反应物。在一些实施方案中，沥青、重油、反应物和/或用于形成屏蔽层的硫从与原位热处理法联合的处理设施获得。例如，硫可从用于处理所产生的气体以去除硫化氢和其它硫化合物的克劳斯法获得。

流体可以以液体、蒸气或混合相流体的形式加入地层中。可将流体加入高温下的一部分地层。在一些实施方案中，将流体通过位于处理区的边界附近的井加入地层中。流体可从处理区导出。地层的高温保持或允许流体具有低的粘度使得流体从井中流出。一部分流体可从地层中向外蔓延流向地层较冷的部分。地层相对高的渗透性允许从一个井孔加入的流体蔓延和与从另外的井孔加入的流体混合。在地层较冷的部分中，流体的粘度增加，一部分流体沉淀和/或流体固化或增稠使得流体形成用于地层流体流入或流出处理区的屏蔽层。

在一些实施方案中，由冷冻井形成的低温屏蔽层围绕全部或一部分处理区。随着加入地层中的流体接近低温屏蔽层，地层的温度变得更冷。所述更冷的温度增加了流体的粘度、促进了沉淀和/或固化流体以形成用于使地层流体流入或流出地层的屏蔽层。在低温屏蔽层消散后流体可作为高粘性流体或者固体保留在地层中。

在一些实施方案中，将饱和盐水溶液加入地层中。当饱和盐水溶液达到更低的温度时，溶液中的组分可从溶液中沉淀出来。固化颗粒可形成用于使地层流体流入或流出地层的屏蔽层。固化组分可基本不溶于地层流体中。

在一些实施方案中，将盐水作为反应物加入地层中。可将第二反应物例如二氧化碳加入地层中以与盐水反应。反应可产生在地层中生长的矿物配合物。矿物配合物可基本不溶于地层流体中。在一个实施方案中，盐水溶液包括钠和铝溶液。加入地层中的第二反应物是二氧化碳。二氧化碳与盐水溶液反应生成片钠铝石。矿物质可固化和形成用于使地层流体流入或流出地层的屏蔽层。

在一些实施方案中，可用硫在处理区周围形成屏蔽层。有利地，元素硫不溶于水中。地层中的液体和/或固体硫可形成用于使地层流体流入或流出处理区的屏蔽层。

可在原位热处理法加热处理区的初始加热期间或之前在地层中建立硫屏蔽层。在一些实施方案中，可将硫加入位于处理区和第一屏蔽层(例如通过冷冻井建立的低温屏蔽层)之间的地层中的井孔中。邻近加入硫的井孔的地层可为脱水的。在一些实施方案中，对邻近加入硫的井孔的地层进行加热以促进水的移除和预先形成用于加入硫的井孔和相邻地层。邻近井孔的地层可加热至低于地层中烃的热解温度的温度。可加热地层使得位于两个相邻加热器之间的地层部分的温度被两个加热器影响。在一些实施方案中，加热可增加地层的渗透性从而第一井孔与相邻井孔流体连通。

在邻近井孔的地层加热后，将温度低于地层中烃的热解温度的熔融态硫加入地层中。在一定的温度范围内，熔融态硫的粘度随温度升高而增加。加入地层中的熔融态硫可接近硫的熔点(115℃)，使得硫具有相对低的粘度(4-10cp)。井孔中的加热器可为居里温度接近硫的熔点的限温加热器，使得熔融态硫的温度保持相对稳定和低于导致形成粘性熔融态硫的温度。在一些实施方案中，邻近井孔的区域可加热至高于硫的熔点但低于地层中烃的热解温度的温度。可关闭加热器和可监控井孔中的温度(例如使用光纤温度监控系统)。当井孔中的温度冷却至接近硫的熔点的温度时，可将熔融态硫加入地层中。

加入地层中的硫允许从井孔流动和扩散至地层中。随着硫进入低于熔点的地层部分，硫固化和形成用于流体在地层中流动的屏蔽层。可加入硫直至地层无法容纳另外的硫。可停止加热，和可使地层自然冷却使得地层中的硫固化。在加入硫之后，可使用脉冲测试和/或示踪剂测试对所形成的屏蔽层的整体性进行测试。

原位热处理法之后可在处理区周围形成屏蔽层。硫可在地层中形成基本永久的屏蔽层。在一些实施方案中，通过冷冻井形成的低温屏蔽层围绕处理区。可将硫加入低温屏蔽层的一侧或两侧以在地层中形成屏蔽层。硫可以以蒸气或液体形式加入地层中。随着硫接近低温屏蔽层，硫可在地层中冷凝和/或固化以形成屏蔽层。

在一些实施方案中，可将硫加入加热部分中。硫可通过位于处理区的边界附近的井加入地层中。地层的温度可比硫的气化温度(445℃)高。硫可以以液体、蒸气或混合相流体形式加入。如果一部分加入的硫在液相中，则地层的热量可使硫气化。硫可从引入井向外朝向地层更冷的部分流动。硫可在地层中冷凝和/或固化以形成屏蔽层。

在一些实施方案中，在原位热处理法之后可使用克劳斯反应以在地层中形成硫。克劳斯反应是气相平衡反应。克劳斯反应是：

4H₂S+2SO₂→3S₂+4H₂O

硫化氢可通过从正在进行的原位热处理法所产生的流体分离硫化氢获得。可燃烧一部分硫化氢以形成所需的二氧化硫。硫化氢可通过地层中的多个井加入地层中。二氧化硫可通过其它井加入地层中。在处理区的原位热处理法期间，用于注入二氧化硫或硫化氢的井可为生产井、加热器井、监测井或其它类型的井。用于注入二氧化硫或硫化氢的井可接近处理区的边界。井的数目可以足够多使得邻近注射井的地层未冷却至在其中二氧化硫和硫化氢可形成硫和冷凝而不是停留在气相中的温度。在一些实施方案中，硫化氢和二氧化硫可通过相同的井加入地层中(例如通过位于相同井孔中的两条管道)。硫化氢和二氧化硫可在地层中反应以形成硫和水。硫可在地层中向外流动和冷凝和/或固化以在地层中形成屏蔽层。

硫屏蔽层可在通过热处理法产生的地层流体中的烃于地层中冷凝的区域之外的地层中形成。靠近处理区边界的区域的温度可低于处理区的温度。在这些较低温度的区域中，硫可从气相冷凝和/或固化。附加的硫化氢和/或二氧化硫可扩散至这些较低温度的区域。附加的硫可通过克劳斯反应形成以保持气相中硫的平衡浓度。最终，硫屏蔽层可围绕处理区形成。处理区中的气相可仍然是硫、硫化氢、二氧化硫和水蒸气的平衡混合物。气相也可包括其它存在于地层中或从地层中产生的蒸气产物。

在较低的温度下有利于生成硫的转化，因此硫化氢和二氧化硫转化成硫可在离将反应物加入地层中的井有一定距离处发生。克劳斯反应可在温度更低的地层处形成硫(例如地层的温度为约180℃至约240℃)。

基于本说明书，本发明多个方面的其它改进和替代实施方案对于本领域技术人员将是显而易见的。因此，本说明书应仅用于说明和用于教导本领域技术人员实施本发明的常规方式的目的。本文所示和描述的本发明的形式应理解为当前优选的实施方案。在受益于本发明说明书之后，要素和材料可替换本文说明和描述的那些，部件和工艺可以反转，可独立使用本发明的一些特征，所有这些对本领域技术人员来说都是显而易见的。在不偏离本发明所附权利要求描述的精神和范围的情况下，可变换本文描述的元素。此外，应理解在一些实施方案中可以将本文描述的特征独立地进行组合。

Claims (20)

1.一种用于在地下地层中在至少一部分处理区周围形成屏蔽层的方法，该方法包括：

将硫加入一个或多个位于地层中的处理区边界内的井孔中，其中处理区的渗透性至少为0.1达西；和

允许至少一些硫朝向比硫的熔点低的地层部分流动以在地层中固化硫从而形成屏蔽层。

2.权利要求1的方法，其中处理区的渗透性至少为1达西。

3.权利要求1的方法，其中处理区的渗透性至少为10达西。

4.权利要求1的方法，其中处理区的渗透性至少为100达西。

5.权利要求1-4任一项的方法，其中已经通过溶液采矿法提高了处理区的渗透性。

6.权利要求1-5任一项的方法，其中已经通过原位热处理法提高了处理区的渗透性。

7.权利要求1-6任一项的方法，其中将至少一部分硫加入一个或多个井孔中包括将硫化氢和二氧化硫供入井孔中，和其中硫化氢和二氧化硫在地层中反应以产生硫。

8.权利要求1-7任一项的方法，其中至少一部分加入井孔中的硫是液体状态。

9.权利要求8的方法，其中邻近井孔的地层热量使液体硫气化。

10.权利要求1-9任一项的方法，其中至少一部分加入井孔中的硫是在气相中。

11.权利要求1-10任一项的方法，其中引导硫朝向处理区的边界流动。

12.权利要求1-11任一项的方法，其中硫加入地层中所通过的井孔位置靠近处理区的边界。

13.权利要求1-12任一项的方法，其中至少部分围绕处理区的低温屏蔽层强化硫的固化以形成屏蔽层。

14.一种在地层中形成屏蔽层的方法，该方法包括：

加热一部分邻近多个井孔的地层以将邻近井孔的地层的温度升高至硫的熔点以上和低于地层中烃的热解温度；

将硫从至少一些井孔加入地层中；和

使硫从井孔向外朝向比硫的熔点低的地层部分流动，使得硫在地层中固化以形成屏蔽层。

15.权利要求14的方法，其中将硫加入地层中包括向地层供应硫化氢和二氧化硫使得至少一些硫化氢和二氧化硫在地层中反应以产生硫。

16.权利要求14或15的方法，其中用于加热邻近井孔的地层部分的至少一个加热器包括限温加热器。

17.权利要求14-16任一项的方法，进一步包括在屏蔽层内溶液采矿处理区。

18.权利要求14-17任一项的方法，进一步包括在屏蔽层内对处理区使用原位热处理法。

19.权利要求14-18任一项的方法，进一步包括在第一屏蔽层和用于从地层生成地层流体的处理区之间形成屏蔽层。

20.权利要求14-19任一项的方法，其中将硫加入地层中包括将熔融态硫通过至少一些井孔注入地层中。

Images