CN101466914B - 用于处理含有碳氢化合物的地层的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于处理含有碳氢化合物地层的方法，包括从位于地层的开口中的第一加热器为该地层中的第一碳氢化合物层提供热量持续第一时间量。该开口和第一加热器具有位于地层中的第一碳氢化合物层中的大体水平或倾斜部分和至少一个在该大体水平或倾斜部分和地面之间延伸的连接部分。该第一加热器的至少一个连接部分可从该开口移出。将隔离材料放在该开口中，以使得该隔离材料至少部分地隔离第一加热器的大体水平或倾斜部分所位于的层。在第二碳氢化合物层中形成另一个大体水平或倾斜的开口部分。该另一个部分从该开口的连接部分中的至少一个延伸。将第二加热器放在该另一个大体水平的开口部分中。从第二加热器向第二碳氢化合物层提供热量。

Description

用于处理含有碳氢化合物的地层的方法

政府利益

按照在美国能源部的主合同No.DE-ACO5-00OR22725下运行的UT Battelle，LLC和壳牌勘探和生产公司之间的协议No.ERD-05-2516，美国政府拥有本发明中的某些权益。

技术领域

本发明一般涉及用于从各种地下地层(比如含有碳氢化合物的地层)生产碳氢化合物、氢和/或其他产品的方法和系统。特别是，某些实施例涉及按照时序方法处理含有碳氢化合物的地层中的多个层。

背景技术

从地下地层获得的碳氢化合物常常用作能源、原料和消费品。由于对可利用的碳氢化合物资源的枯竭的担忧和对产出的碳氢化合物的总体质量下降的担忧，已经开发了用于更有效地回收、处理和/或使用可利用的碳氢化合物资源的方法。原地处理可用于从地下地层中移出碳氢化合物材料。地下地层中的碳氢化合物材料的化学和/或物理性质可能需要进行变化以便允许碳氢化合物材料更容易从地下地层中移出。该化学和物理变化可以包括生产可移出流体的原地反应、地层中的碳氢化合物材料的组分变化、溶解度变化、密度变化、相变和/或粘度改变。流体可能是，但不限于气体、液体、乳状液、泥浆、和/或具有类似于液体流的流动特性的固体颗粒流。

在北美洲、南美洲、非洲和亚洲发现了包含在比较可渗透的地层中(例如在沥青砂中)的重质碳氢化合物类(重油和/或焦油)的大矿床。焦油可以被露天生产并被改质为轻质碳氢化合物(比如原油、石脑油、煤油、和/或气油)。露天采矿过程可以进一步将沥青从沙中分离出来。分离出的沥青可以使用传统的精炼方法转变为轻质碳氢化合物。通常，生产和改质焦油砂基本上比从传统的油储层中生产轻质碳氢化合物更昂贵。

由焦油砂原地生产碳氢化合物可以通过加热和/或将气体注入地层中来实现。Ostapovich等人的美国专利5,211,230和Leaute的美国专利5,339,897描述了位于含油储层中的水平生产井。竖直管路可被用来将氧化剂气体注入该储层中以用于原地燃烧。

Ljungstrom的美国专利2,780,450描述了原地加热含沥青的地质层来将液态的焦油类物质转换或者裂解为油和气体。

Ware等人的美国专利4,597,441描述了在储层中同时接触油、热量和氢气。氢化作用可以提高油从储层的采收率。

Glandt的美国专利5,046,559和Glandt等人的美国专利5,060,726描述了对注入井和生产井之间的一部分焦油砂地层进行预加热。可从注入井将蒸汽注入到地层中，从而在生产井处生产出碳氢化合物。

如上所概述的，已进行大量努力来研发用于从含有碳氢化合物的地层经济地生产出碳氢化合物、氢气和/或其他产品的方法和系统。然而，目前仍有许多不能从其中经济地生产碳氢化合物、氢气和/或其他产品的含有碳氢化合物的地层。因此，仍需要用于从各种含有碳氢化合物的地层中生产碳氢化合物、氢气和/或其他产品的改进方法和系统。具体地说，需要一种或多种方法来处理带有被不渗透层分隔开的两个或多个碳氢化合物层的地层。按照时序方法对这些层进行生产可以提高处理这种地层的经济生存能力。

发明内容

在此描述的实施例一般涉及用于处理地下地层的系统、方法和加热器。在此描述的实施例一般还涉及具有其中的新颖部件的加热器。这种加热器可以通过使用在此描述的系统和方法而获得。

在某些实施例中，本发明提供一种或多种系统、方法和/或加热器。在某些实施例中，所述系统、方法和/或加热器用于处理地下地层。

在某些实施例中，本发明提供一种用于处理含有碳氢化合物的地层的方法，所述方法包括：从位于地层开口中的第一加热器向地层中的第一碳氢化合物层提供热量持续第一时间量，该开口和第一加热器具有位于地层中的第一碳氢化合物层中的大体水平或倾斜的部分和至少一个在该大体水平或倾斜部分和地面之间延伸的连接部分；从该开口移出第一加热器的至少一个连接部分；将隔离材料放在该开口中，从而使得该隔离材料至少部分地隔离第一加热器的大体水平或倾斜部分所位于的层；在第二碳氢化合物层中形成另一个大体水平或倾斜的开口部分，该另一个部分从该开口的连接部分中的至少一个延伸出；将第二加热器放在该另一个大体水平的开口部分中；以及从第二加热器向第二碳氢化合物层提供热量。

在另外的实施例中，来自特定实施例的特征可与来自其他实施例的特征相结合。例如，来自一个实施例的特征可与来自其他任一实施例的特征相结合。

在另外的实施例中，使用在此描述的任一方法、系统或加热器对地下地层进行处理。

在另外的实施例中，更多特征可以添加到在此描述的特定实施例中。

因此，根据本发明的一个方面，提供了一种用于处理含有碳氢化合物的地层的方法，包括：

从位于地层开口中的第一加热器向地层中的第一碳氢化合物层提供热量持续第一时间量，所述开口具有在所述地层的表面的第一位置处的第一端部和在所述地层的表面的第二位置处的第二端部，所述开口和第一加热器具有位于地层中第一碳氢化合物层中的大体水平部分和两个在所述大体水平部分和地面之间延伸的相对竖直的连接部分；

从所述开口移出第一加热器的连接部分；

将隔离材料放在所述开口的连接部分中，以便使所述隔离材料在该第一碳氢化合物层的上方至少部分地隔离所述开口；

在第二碳氢化合物层中形成另一个大体水平的开口部分，所述第二碳氢化合物层通过至少部分不渗透的层与所述第一碳氢化合物层分隔开，所述另一个大体水平的开口部分在所述第二碳氢化合物层中的所述开口的两个相对竖直的连接部分延伸；

将第二加热器放在该另一个大体水平的开口部分中；以及

从第二加热器向第二碳氢化合物层提供热量。

可选地，所述方法还包括从所述地层生产流体。

可选地，所述第一时间量是从第一碳氢化合物层生产出选定量的碳氢化合物所需的足够时间。

可选地，所述连接部分连接到大体水平部分的端部上。

可选地，所述方法还包括将所述第一加热器的连接部分与所述第一加热器的大体水平部分分开。

可选地，所述方法还包括通过将填料留在所述开口中的适当位置来在处理地层之后废弃所述第一碳氢化合物层。

可选地，所述方法还包括通过断开所述第一加热器上的一个或多个连接件将所述第一加热器的连接部分与所述第一加热器的大体水平部分分开。

可选地，所述断开是通过利用足够的力来拉动一个或多个连接部分而实现。

可选地，所述地层包括油页岩地层。

可选地，所述第一碳氢化合物层具有比所述第二碳氢化合物层更高的富集度。

可选地，所述第一碳氢化合物层处于比所述第二碳氢化合物层更深的深度。

可选地，不渗透材料在所述第一碳氢化合物层和所述第二碳氢化合物层之间提供不渗透层。

可选地，所述开口包括U形开口。

可选地，所述开口的大体水平部分在所述第一碳氢化合物层中的开口的两个相对竖直的连接部分之间延伸。

可选地，所述另一个大体水平的开口部分在所述第二碳氢化合物层中的开口的两个相对竖直的连接部分之间延伸。

可选地，在从所述开口移出所述第一加热器的连接部分之后，将所述第一加热器的大体水平部分留在所述开口的大体水平部分中。

附图说明

根据下列详细说明并参考附图，本发明的优点对本领域所属技术人员来说是显而易见的，其中：

图1描绘了加热含有碳氢化合物的地层的多个阶段的示例说明。

图2显示出用于处理含有碳氢化合物的地层的原地热处理系统的一部分的实施例的示意图。

图3A和3B描述了使用大体为U形的井眼来对含有碳氢化合物的地层中的两个层进行时序加热的实施例。

图4A和4B描述了用大体水平的井眼来对含有碳氢化合物的地层中的两个层进行时序加热的实施例。

虽然本发明容许有各种修改和替代的形式，但在附图中通过实例的方式显示了其特定实施例并在此进行了详细描述。

附图可以是不成比例的。然而，应该理解的是其附图和详细说明没有打算将本发明限制为所公开的特定方形，而是相反地，本发明意图覆盖落入如所附的权利要求所限定的本发明的精神和范围内的所有修改、等价物和替代方案。

具体实施方式

下列描述基本上涉及用于处理地层中的碳氢化合物的系统和方法。这种地层可被处理以便生产碳氢化合物产品、氢及其他产品。

“地层”包括一个或多个含有碳氢化合物的层、一个或多个非碳氢化合物层、上覆岩层和/或下伏岩层。“碳氢化合物层”指的是含有碳氢化合物的地层中的层。碳氢化合物层可以包含非碳氢化合物材料和碳氢化合物材料。“上覆岩层”和/或“下伏岩层”包括一种或多种不同类型的不渗透材料。例如，上覆岩层和/或下伏岩层可以包括岩石、页岩、泥岩或者湿/致密(wet/tight)碳酸盐。在原地热处理过程的某些实施例中，上覆岩层和/或下伏岩层可能包括相对不渗透的并且在原地热处理过程期间不受温度影响的含有碳氢化合物的层(一个或多个层)，该原地热处理过程导致上覆岩层和/或下伏岩层的含有碳氢化合物的层发生显著性质变化。例如下伏岩层可能包含页岩或泥岩，但是在原地热处理过程期间不允许下伏岩层加热到热解温度。在某些情况下，上覆岩层和/或下伏岩层可以是稍微可渗透的。

“地层流体”指的是存在于地层中的流体并且可以包括热解流体、合成气体、流动的碳氢化合物和水(蒸汽)。地层流体可以包括碳氢化合物流体以及非碳氢化合物流体。术语“流动流体”指的是由于对地层进行热处理而能够流动的在含有碳氢化合物的地层中的流体。“产出流体”指的是从地层中移出的流体。

“热源”是大体上通过传导式和/或辐射式传热向至少一部分地层提供热量的任意系统。例如，热源可以包括电热器，例如被绝缘的导体、细长元件和/或放在导管中的导体。热源还可包括通过在地层外或地层中燃烧燃料而产生热量的系统。该系统可能是地面燃烧器、井下气体燃烧器、分布式无焰燃烧器(flameless distributed combustor)和分布式自然燃烧器(natural distributed combustor)。在某些实施例中，供到一个或多个热源的热量或在一个或多个热源中产生的热量可通过其他能源供应。其他能源可以直接加热地层，或者可以将能量施加到直接或间接加热地层的传递介质上。应该理解的是对地层施加热量的一个或多个热源可以使用不同的能源。因此，例如，对于给定的地层，某些热源可以供给来自电阻加热器的热量，某些热源可以提供来自燃烧的热量，而某些热源可以提供来自一个或多个其他能源(例如化学反应、太阳能、风能、生物燃料或其他可再生能)的热量。化学反应可以包括放热反应(例如氧化反应)。热源还可以包括加热器，该加热器向靠近和/或环绕加热位置(比如加热器井)的区域提供热量。

“加热器”是在井中或靠近井眼区域中产生热量的任意系统或热源。加热器可能是，但不限于电热器、燃烧器、与地层中的材料或从地层生产的材料发生反应的燃烧器和/或其组合。

“碳氢化合物”一般定义为主要由碳和氢原子形成的分子。碳氢化合物还可以包括其他元素，比如，但不限于卤素元素、金属元素、氮、氧和/或硫。碳氢化合物可能是，但不限于油母岩质、沥青、焦性沥青、油、天然的矿物蜡和沥青岩。碳氢化合物可能位于或靠近地表中的矿物基岩。基岩可能包括，但不限于沉积岩、砂岩、硅质生物岩、碳酸盐、硅藻土及其他多孔介质。“碳氢化合物流体”是那些包括碳氢化合物的流体。碳氢化合物流体可以包括非碳氢化合物流体、夹带非碳氢化合物流体或被夹带在非碳氢化合物流体中，例如氢、氮、一氧化碳、二氧化碳、硫化氢、水和氨。

“原地转化过程”指的是用热源加热含有碳氢化合物的地层从而将至少一部分地层的温度提高到高于热解温度以致在地层中生产热解流体的过程。

“原地热处理过程”指的是用热源加热含有碳氢化合物的地层从而将至少一部分地层的温度提高到高于使含有碳氢化合物材料产生流动流体、减粘裂化和/或热解的温度以致在地层中生产出流动流体、减粘裂化流体和/或热解流体的过程。

“U形井眼”指的是从地层中的第一开口延伸穿过至少一部分地层并且从地层中的第二开口穿出的井眼。在本文中，该井眼可仅仅粗略地为“v”或“u”形，可以理解成是对于视为“U形”的井眼来说，“u”形的“腿”不需要彼此平行或竖直于“u”形的底部。

术语“井眼”指的是通过将管道钻入或插入地层中而在地层中形成的孔。井眼可以具有大体圆形的横截面或另一种横截面形状。当这里使用时，术语“井”和“开口”用于指地层中的开口时，可与术语“井眼”互换使用。

地层中的碳氢化合物可用多种方式进行处理以生产出许多不同的产品。在某些实施例中，地层中的碳氢化合物可分阶段处理。图1描绘了对加热含有碳氢化合物的地层的多个阶段的说明。图1还描绘了与来自地层的每吨(y轴)地层流体等效的以桶为单位的油产量(“Y”)与以摄氏温度(x轴)为单位的被加热地层的温度(“T”)的关系的实例。

在阶段1加热过程中发生甲烷的解吸和水的汽化。尽可能快地进行阶段1的地层加热。例如，当含有碳氢化合物的地层最初被加热时，地层中的碳氢化合物使吸附的甲烷解吸。解吸的甲烷可能从地层生产出来。如果进一步加热含有碳氢化合物的地层，含有碳氢化合物地层中的水被汽化。水在某些含有碳氢化合物的地层中可占据地层中10％到50％之间的孔隙容积。在其他地层中，水占据更多或更少部分的孔隙容积。水通常在600千帕的绝对压力到7000千帕的绝对压力下、在160℃到285℃之间在地层中被汽化。在某些实施例中，汽化的水产生地层中的可湿性变化和/或增加的地层压力。可湿性变化和/或增加的压力可能影响地层中的热解反应或其他反应。在某些实施例中，从地层生产出汽化的水。在其他实施例中，汽化的水用于在地层中或地层外进行抽汽和/或蒸馏。从地层移走水和在地层中增加孔隙容积增加了孔隙容积中的碳氢化合物的存储空间。

在某些实施例中，在阶段1加热之后，对地层进一步加热，使得地层中的温度达到(至少)最初的热解温度(比如如阶段2所示的温度范围下端处的温度)。在阶段全程2中可以热解地层中的碳氢化合物。热解温度范围根据地层中的碳氢化合物的种类而发生变化。热解温度范围可包括250℃到900℃之间的温度。用于生产期望产品的热解温度可以仅仅是贯穿总热解温度范围的一部分。在某些实施例中，用于生产期望产品的热解温度范围可以包括250℃到400℃之间的温度或270℃到350℃之间的温度。如果地层中碳氢化合物的温度慢慢地经过从250℃到400℃的温度范围升高，当温度接近400℃时，可基本上完成热解产物的生产。碳氢化合物的平均温度可以按每天小于5℃、每天小于2℃、每天小于1℃或每天小于0.5℃的速度提高来经过生产期望产品的热解温度范围。利用多个热源来加热含有碳氢化合物地层可在热源周围建立热梯度，这些热源将地层中的碳氢化合物的温度慢慢地提高来经过该热解温度范围。

经过期望产品的热解温度范围的温度增加速度可能影响从含有碳氢化合物地层生产的地层流体的质量和数量。将温度慢慢地提高经过期望产品的热解温度范围可以阻止使地层中大链分子的流动。将温度慢慢地提高经过期望产品的热解温度范围可以限制产生不希望产品的流动的碳氢化合物之间的反应。将地层的温度慢慢地提高经过期望产品的热解温度范围可允许从地层生产出高品质、高API重度(APIgravity)的碳氢化合物。将地层的温度慢慢地提高经过期望产品的热解温度范围可允许移出作为碳氢化合物产品而存在于地层中的大量碳氢化合物。

在某些原地热处理的实施例中，将一部分地层加热到期望温度而不是将温度慢慢地加热来经过温度范围。在某些实施例中，期望温度是300℃、325℃或350℃。其他温度可被选为期望温度。来自热源的热量叠加允许在地层中比较快速且有效地建立期望温度。可以调节从热源输入到地层中的能量以使地层中的温度大体保持为期望温度。地层中的被加热部分大体保持在期望温度直到热解下降以使得从地层生产期望的地层流体变得不经济。经受热解的地层部分可包括仅从一个热源通过热传递而达到热解温度范围的区域。

在某些实施例中，包括热解流体的地层流体从地层生产出来。当地层的温度增加时，产出的地层流体中的可冷凝碳氢化合物的量可能减少。高温下，地层可以主要生产甲烷和/或氢。如果贯穿整个热解范围加热含有碳氢化合物的地层，则该地层可仅仅在接近热解范围的上限时生产少量的氢。在所有可用氢枯竭之后，通常出现从地层生产出极小量的流体。

在碳氢化合物热解之后，大量的碳和某些氢仍可能存在于地层中。保留在地层中的一大部分碳能以合成气的形式从地层生产出来。合成气的产生可以在图1所述的阶段3的加热期间发生。阶段3可包括将含有碳氢化合物的地层加热到足够的温度以允许产生合成气。例如，合成气可在从大约400℃到大约1200℃、大约500℃到大约1100℃或大约550℃到大约1000℃的温度范围内产生。当产生流体的合成气被引入到地层时，地层被加热部分的温度确定地层中产生的合成气的组分。产生的合成气可穿过生产井(一个或多个)从地层中移出。

由含有碳氢化合物地层生产的流体的总能量值可在热解和合成气产生的过程中保持相对恒定。在较低的地层温度下的热解过程中，产出流体的一大部分可以是具有高能量值的可冷凝碳氢化合物。然而，在较高的热解温度下，较少的地层流体可以包括可冷凝的碳氢化合物。较多的不可冷凝的地层流体可从地层生产出来。在主要为不可冷凝的地层流体的产生期间，产出流体的每一单位体积的能量值可能稍稍下降。在合成气产生期间，产出合成气的每一单位体积的能量值与热解流体的能量值相比明显下降。然而，产出合成气的体积在许多情况下会显著增加，由此补偿了减少的能量值。

图2描绘了用于处理含有碳氢化合物地层的原地热处理系统的一部分的实施例的示意图。该原地热处理系统可以包括隔离井200。隔离井用来在处理区域周围形成隔离体。该隔离体阻止流体流入和/或流出处理区域。隔离井包括，但不限于脱水井、真空井、收集井、注入井、灌浆井、冷冻井或其组合。在某些实施例中，隔离井200是脱水井。脱水井可以移出液态水和/或阻止液态水进入要被加热的地层部分或正在被加热的地层。在图2所描绘的实施例中，该隔离井200显示为仅仅沿热源202的一侧延伸，但是该隔离井通常环绕所使用或将要使用来加热地层的处理区域的所有热源202。

热源202被放在至少一部分地层中。热源202可包括比如被绝缘的导体的加热器、导体嵌入管路的加热器、地面燃烧器、分布式无焰燃烧器、和/或分布式自然燃烧器。热源202还可以包括其它类型的加热器。热源202向至少一部分地层提供热量从而加热该地层中的碳氢化合物。能量可通过供给线204供给到热源202。供给线204根据用来加热地层的热源(一个或多个)的类型在结构上可以不同。热源的供给线204可以为电热器输送电，可以为燃烧器运输燃料，或者可以传送在地层中循环的热交换流体。在某些实施例中，可由核电厂(一个或多个)提供原地热处理过程的电力。核动力的使用可允许从原地热处理过程减少或消除二氧化碳的排放。

生产井206用来从地层中移出地层流体。在某些实施例中，生产井206包括热源。生产井中的热源可以在生产井处或附近加热地层的一个或多个部分。在某些原地热处理过程的实施例中，每米生产井的从生产井向地层供给的热量值小于每米热源的从用于加热地层的热源向地层施加的热量值。从生产井向地层施加的热量可以通过汽化和移出靠近生产井的液相流体和/或通过利用形成宏观和/或微观裂纹来增大靠近生产井的地层的渗透性而增加靠近生产井的地层渗透性。

在某些实施例中，生产井206中的热源允许从地层中以汽相移出地层流体。在生产井处或通过生产井提供的热量可以：(1)当这种生产流体在接近上覆岩层的生产井中运动时，阻止生产流体的冷凝和/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，增加了生产井的生产量，(4)阻止生产井中的高碳数化合物的冷凝(C6及以上)，和/或(5)增加生产井处或生产井附近的地层渗透性。

地层中的地下压力可与地层中产生的流体压力相对应。当地层的被加热部分中的温度增加时，由于流体生产的增加和水的汽化，地层的被加热部分中的压力可能增加。控制流体从地层中移出的速度可允许控制地层中的压力。地层中的压力可在许多不同的位置处进行确定，例如靠近生产井或处于生产井处、靠近热源或处于热源处，或监测井处。

在某些含有碳氢化合物的地层中，从地层生产碳氢化合物被阻止直到地层中的至少某些碳氢化合物已经被热解。当地层流体具有选定品质时，地层流体可从地层生产出来。在某些实施例中，选定品质包括至少大约20°、30°或40°的API重度。抑制生产直到至少某些碳氢化合物被热解，可以增加重碳氢化合物向轻碳氢化合物的转化。抑制初期产量可以使从地层生产的重质碳氢化合物类最小化。相当大量的重质碳氢化合物类的生产可能需要昂贵的设备和/或减少生产设备的使用寿命。

在达到热解温度和允许地层生产之后，地层中的压力可以被改变以便改变和/或控制所产出的地层流体的组分，控制地层流体中的可冷凝流体相对于不可冷凝流体的百分比，和/或控制正在生产的地层流体的API重度。例如，减少压力可以引起产出更大量的可冷凝流体组分。可冷凝流体组分可包含较大百分比的烯烃。

在某些原地热处理过程的实施例中，地层中的压力可以保持足够高以便促进具有大于20°的API重度的地层流体的生产。保持地层中增加的压力可以抑制原地热处理过程中的地层下沉。保持增加的压力可便于从地层生产汽相流体。汽相生产可允许减少用于传送从地层产出的流体的收集管道的尺寸。保持增加的压力可以减少或消除在地面上对地层流体进行压缩从而将收集管道中的流体传送到处理设备的需要。

保持地层加热部分中的增加压力可以意想不到地允许生产出具有提高的质量和较低分子量的大量碳氢化合物。可以保持压力以使得生产的地层流体具有最小量的高于选定碳数的化合物。选定碳数可最多是25、最多是20、最多是12或者最多是8。某些高碳数化合物可被夹带在地层的蒸汽中并且可随着蒸汽从该地层中移出。保持地层中的增加压力可以抑制蒸汽中的高碳数化合物和/或多环碳氢化合物的夹带。高碳数化合物和/或多环碳氢化合物可以以液相、以长的时间周期保持在地层中。这种长的时间周期可以为化合物提供足够的时间进行热解来形成低碳数化合物。

由生产井206生产的地层流体可通过收集管208传送到处理设备210。地层流体还可从热源202生产出。例如，流体可从热源202生产出以便控制靠近该热源的地层中的压力。由热源202生产的流体可通过导管或管子传送到收集管208或者生产流体可通过导管或管子直接传送到处理设备210。处理设备210可包括分离装置、反应装置、改质装置、燃料单元、涡轮机、存储容器和/或用于处理产出的地层流体的其它系统和装置。该处理设备可由至少一部分从地层生产的碳氢化合物来形成运输燃料。在某些实施例中，运输燃料可能是喷射燃料，例如JP-8。

图3A和3B描绘了使用大体为U形的井眼来对含有碳氢化合物的地层中的两个层进行时序加热的实施例。在图3A和3B所述的实施例中显示了单个加热器。然而，应该理解的是通常有几个加热器位于碳氢化合物层中，为简单起见在附图中仅显示一个加热器。在图3A中，开口212A形成于在开口212之间延伸的碳氢化合物层214A中。在某些实施例中，开口212A是碳氢化合物层214A中的大体水平的开口。在某些实施例中，开口212A是碳氢化合物层214A中的倾斜开口(例如，该层可以是成角度的层并且该开口与该层中的大体水平线成角度)。开口212是从地面延伸到碳氢化合物层214A的开口(例如相对竖直的开口)。碳氢化合物层214A可通过不可渗透区域216与碳氢化合物层214B分隔开。在某些实施例中，碳氢化合物层214B是上层或比碳氢化合物层214A深度更小的层。在某些实施例中，碳氢化合物层214B是下层或比碳氢化合物层214A更深的层。在某些实施例中，不可渗透区域216提供基本上不可渗透的密封，该密封阻止碳氢化合物层214A和碳氢化合物层214B之间的流体流动。在某些实施例中(例如，在油页岩地层中)，碳氢化合物层214A具有比碳氢化合物层214B高的富集度。

如图3A所示，加热元件218A位于碳氢化合物层214A中的开口212A中。上覆岩层套管220沿碳氢化合物层214B中的开口212的相对竖直壁放置。当通过加热元件218A将热量提供到碳氢化合物层214A时，上覆岩层套管220抑制热量传到碳氢化合物层214B。加热元件218A用来向碳氢化合物层214A提供热量。在通过加热元件218A加热该层期间和/或之后，可从碳氢化合物层214A生产出地层流体(比如流动的碳氢化合物、热解的碳氢化合物和/或水)。

可通过加热元件218A以选定的时间量(例如第一时间量)将热量提供到碳氢化合物层214A。所选时间量可以基于多个因素，包括但不限于，地层特性或性质、当前或将来的经济因素或投资费用。例如，对于油页岩地层，碳氢化合物层214A可具有大约0.12升/公斤(30.5加仑/吨)的富集度并且该层可被加热大约25年。可以从碳氢化合物层214A连续生产地层流体直到生产减速为不经济的速度。

在碳氢化合物层214A被加热了选定时间量之后，加热元件218A被关闭和/或断开。在加热元件218A断开之后，加热元件可被稳固地向上拉动(例如猛拉)从而使加热元件在连接件222处断开。地面上的加热元件218A的两端可以被同时拉动以使连接件222几乎同时断裂。连接件222可以是设计为在对该连接件施加选定的或足够的拉力时而被拉断的弱连接件。例如，连接件222可以是加热元件的部分之间的易断的机械连接。然后，将加热元件218A的上部从地层中拉出而将加热元件218A的大体上水平的部分留在开口212A中，如图3B所示。

在某些实施例中，只有一个连接件222可以断裂以使位于一个连接件上方的上部可被移出而加热器的其余部分通过在加热器的相对端牵拉而被移出。因此，加热元件218A的整个长度可从该地层移出。

在将加热元件218A的上部从开口212移出之后，插塞224可在位于碳氢化合物层214B中的选定位置处放于开口212中，如图3B所示。在某些实施例中，插塞224可在不可渗透区域216处或其附近处放于开口中。插塞224可包括隔离材料，例如基本上不可渗透的材料或阻止在开口212中发生地层中碳氢化合物层之间的流体流动(例如，插塞可以隔离碳氢化合物层214A)的其他材料。在某些实施例中，填料226在插塞224上方被放入开口212中。在某些实施例中，填料226放在开口中没有插塞的开口212中。填料226可包括基本上不可渗透的材料或阻止流体流动的其它材料。

在插塞224和/或填料226在开口212中放置到位之后，可在碳氢化合物层214B中形成大体水平的开口212B。开口212B可通过在开口212的壁上通过套管220穿孔(例如钻孔)而形成。在某些实施例中，开口212B是碳氢化合物层214B中大体水平的开口。在某些实施例中，开口212B是碳氢化合物层214B中的倾斜开口(例如，该层可以是成角度的层并且该开口与该层中的大体水平线成角度)。然后将加热元件218b放入开口212B中。加热元件218B可用来向碳氢化合物层214B提供热量。地层流体(比如热解碳氢化合物和/或流动碳氢化合物)在通过加热元件218B加热该层期间和/或之后可从碳氢化合物层214B生产出。

在某些实施例中，开口212是碳氢化合物层214A中的单端水平开口(例如开口仅在地层表面一端敞开)。图4A和4B描绘了使用单端水平井眼来对含有碳氢化合物的地层中的两个层进行时序加热的实施例。图4A和4B所描绘的实施例中显示了单个加热器，然而，应该理解的是通常有几个加热器位于碳氢化合物层中，为简单起见在附图中仅显示一个加热器。

在图4A中，开口212A形成在碳氢化合物层214A中，从开口212延伸。在某些实施例中，开口212A是碳氢化合物层214A中大体水平的开口，该开口终结于该层。在某些实施例中，开口212A是碳氢化合物层214A中的倾斜开口(例如，该层可以是成角度的层并且该开口与该层中的大体水平线成角度)。开口212是从地面延伸到碳氢化合物层214A的开口(例如，相对竖直的开口)。碳氢化合物层214A可通过不可渗透区域216与碳氢化合物层214B分隔开。在某些实施例中，碳氢化合物层214B是上层或比碳氢化合物层214A深度更小的层。在其它实施例中，碳氢化合物层214B是下层或比碳氢化合物层214A更深的层。在某些实施例中，不可渗透区域216提供基本上不可渗透的密封，该密封阻止碳氢化合物层214A和碳氢化合物层214B之间的流体流动。在某些实施例中(例如，在油页岩地层中)，碳氢化合物层214A具有比碳氢化合物层214B更高的富集度。

如图4A所示，加热元件218A位于碳氢化合物层214A中的开口212A中。上覆岩层套管220沿碳氢化合物层214B中的开口212的相对竖直壁安放。当通过加热元件218A向碳氢化合物层214A提供热量时，上覆岩层套管220抑制热量传到碳氢化合物层214B。加热元件218A用来向碳氢化合物层214A提供热量。地层流体(例如流动碳氢化合物，热解碳氢化合物和/或水)可在通过加热元件218A加热层期间和/或之后从碳氢化合物层214A生产出。

可通过加热元件218A在选定时间量期间向碳氢化合物层214A提供热量。选定时间量可以基于多个因素，包括但不限于，地层特性或性质、当前或将来的经济因素或投资费用。例如，对于油页岩地层，碳氢化合物层214A具有大约0.12升/公斤(30.5加仑/吨)的富集度并且该层可加热大约25年。可从碳氢化合物层214A持续生产地层流体直到生产减速为不经济的速度。

在将碳氢化合物层214A加热选定时间量之后，将加热元件218A关闭和/或断开。在加热元件218A被关闭和/或断开之后，加热元件可从开口212A移出。在某些实施例中，加热元件218A的一个或多个部分被留在开口212A中。例如，碳氢化合物层214A的部分可夹在或挤压在加热元件218A上，使得该加热元件不能完全从开口212A移出。在这种情况下，加热元件218A可能在连接件222处断裂并且将加热元件218A的上部从地层中拉出而将加热元件的大体水平部分留在开口212A中。

在将加热元件218A从开口212移出之后，插塞224可在碳氢化合物层214B中的选定位置处放于开口212中，如图4B所示。在某些实施例中，将插塞224在不可渗透区域216处或其附近放于开口212中。插塞224可包括隔离材料，例如基本上不可渗透的材料或阻止在开口212中发生地层中碳氢化合物层之间的流体流动(例如插塞可以隔离碳氢化合物层214A)的其他材料。在某些实施例中，填料226在插塞224上方被放入开口212中。在某些实施例中，填料226被放在开口中没有插塞的开口212中。填料226包括基本上不可渗透的材料或阻止流体流动的其它材料。

在插塞224和/或填料226在开口212中放置到位之后，可在碳氢化合物层214B中形成大体水平的开口212B。开口212B可从开口212水平延伸。在某些实施例中，开口212B是碳氢化合物层214B中大体水平的开口，该开口终结于该层。在某些实施例中，开口212B是碳氢化合物层214B中的倾斜开口(例如，该层可以是成角度的层并且该开口与该层中的大体水平线成角度)。开口212B可通过在开口212的壁上通过套管220穿孔(例如钻孔)而形成。然后，将加热元件218B放入开口212B中。加热元件218B可用来向碳氢化合物层214B提供热量。地层流体(比如热解碳氢化合物和/或流动碳氢化合物)在通过加热元件218B加热该层期间和/或之后可由碳氢化合物层214B生产出。

如上所述的以时序方式加热碳氢化合物层214A、214B比仅从一个层进行生产或使用竖直加热器同时向多层提供热量更经济。使用相对竖直的开口212在不同时间接近两个碳氢化合物层可以节省与在地层中形成开口和提供地面设施来为该加热元件供电有关的投资费用。在加热碳氢化合物层214B之前首先加热碳氢化合物层214A可以提高处理地层的经济性(例如，处理地层项目的净现值)。另外，不可渗透区域216和填料226可以为碳氢化合物层214A在对该层加热和从该层生产之后提供密封。该密封可用于在处理碳氢化合物层之后废弃碳氢化合物层。

在某些实施例，热量可从碳氢化合物层214A中提取并用来向碳氢化合物层214B提供热量。例如，热传递流体可通过开口212A循环，从而由碳氢化合物层214A回收热量。稍后，该热传递流体可用来直接或间接(例如，使用热交换器来向另一种加热流体传送热量)地向碳氢化合物层214B提供热量。在某些实施例中，从碳氢化合物层214A回收的热量用来向其他加热器(例如，用在碳氢化合物层214B中的加热元件218B)提供动力(例如，电力)。

在某些实施例中，在碳氢化合物层214B中开始加热之前可以在碳氢化合物层214A中进行合成气生产或其它后处理过程。例如，在插塞或密封该层之前可将二氧化碳或其它材料封在碳氢化合物层214A中。

鉴于该说明书，对本发明的各个方面的进一步修改和替代的实施例对本领域普通技术人员来说是显而易见的。因此，将该说明书看作仅仅是示例性的并且其目的是教导本领域技术人员实现本发明的一般方式。应该理解的是在此所示和描述的本发明的形式被看作当前的优选实施例。其它元件和材料可以代替在此图示和描述的元件和材料，部件和过程是可逆的，本发明的某些特征可以独立使用，在具有本发明说明的有益效果之后，所有这些对本领域的技术人员来说是显而易见的。在不脱离随后的权利要求中所述的本发明的精神和范围的情况下，可改变在此描述的元件。另外，可以理解的是在某些实施例中，在此单独描述的特征可以进行结合。

Claims (15)

1.一种用于处理含有碳氢化合物的地层的方法，包括：

从位于地层开口中的第一加热器向地层中的第一碳氢化合物层提供热量持续第一时间量，所述开口具有在所述地层的表面的第一位置处的第一端部和在所述地层的表面的第二位置处的第二端部，所述开口和第一加热器具有位于地层中第一碳氢化合物层中的大体水平部分和两个在所述大体水平部分和地面之间延伸的相对竖直的连接部分；

从所述开口移出第一加热器的连接部分；

将隔离材料放在所述开口的连接部分中，以便使所述隔离材料在该第一碳氢化合物层的上方至少部分地隔离所述开口；

在第二碳氢化合物层中形成另一个大体水平的开口部分，所述第二碳氢化合物层通过至少部分不渗透的层与所述第一碳氢化合物层分隔开，所述另一个大体水平的开口部分在所述第二碳氢化合物层中的所述开口的两个相对竖直的连接部分延伸；

将第二加热器放在该另一个大体水平的开口部分中；以及

从第二加热器向第二碳氢化合物层提供热量。

2.如权利要求1所述的方法，还包括从所述地层生产流体。

3.如权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述第一时间量是从第一碳氢化合物层生产出选定量的碳氢化合物所需的足够时间。

4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述连接部分连接到大体水平部分的端部上。

5.如权利要求1所述的方法，还包括将所述第一加热器的连接部分与所述第一加热器的大体水平部分分开。

6.如权利要求1所述的方法，还包括通过将填料留在所述开口中的适当位置来在处理地层之后废弃所述第一碳氢化合物层。

7.如权利要求1所述的方法，还包括通过断开所述第一加热器上的一个或多个连接件将所述第一加热器的连接部分与所述第一加热器的大体水平部分分开。

8.如权利要求7所述的方法，其特征在于，所述断开是通过利用足够的力来拉动一个或多个连接部分而实现。

9.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述地层包括油页岩地层。

10.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述第一碳氢化合物层具有比所述第二碳氢化合物层更高的富集度。

11.如权利要求10所述的方法，其特征在于，所述第一碳氢化合物层处于比所述第二碳氢化合物层更深的深度。

12.如权利要求1所述的方法，其特征在于，不渗透材料在所述第一碳氢化合物层和所述第二碳氢化合物层之间提供不渗透层。

13.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述开口包括U形开口。

14.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述开口的大体水平部分在所述第一碳氢化合物层中的开口的两个相对竖直的连接部分之间延伸。

15.如权利要求1所述的方法，其特征在于，在从所述开口移出所述第一加热器的连接部分之后，将所述第一加热器的大体水平部分留在所述开口的大体水平部分中。