CN105492095A - 气体输运复合物屏障 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种使来自构造化渗透性控制基层结构的蒸气传输最小化的方法(10)，所述方法可包括在所述构造化渗透性控制基层结构内形成(12)异质水合基质，所述构造化渗透性控制基层结构包括限定基本密闭空间的渗透性控制蓄积池。所述异质水合基质包括颗粒固相和连续液相，所述连续液相可由具有一定渗透速率的蒸气渗透。通过操纵(16)所述构造化渗透性控制基层结构的操作参数来操作(14)所述构造化渗透性控制基层结构以控制所述渗透速率。另外，所述蒸气在操作期间可被充分阻碍以将所述蒸气容纳在所述构造化渗透性控制基层结构内。

Description

气体输运复合物屏障

背景技术

含烃材料的加工可通常涉及加热原料材料以移除和/或制备烃。可使用各种各样的工艺，然而大多数工艺本身具有特定挑战，该挑战限制生产率和/或大规模使用。含烃材料(诸如焦油砂和油页岩)已使用地上处理和原位处理两者进行了加工。其他含烃材料(诸如煤)已使用广泛的技术(诸如煤气化和煤液化)进行了加工。具体地讲，焦油砂和油页岩加工技术的最新发展不断改善生产效率并且减小环境影响。然而，除了别的以外，就加工稳定性、环境影响和产率而言，各种挑战仍然存在。

发明内容

用于加工含烃材料的系统可包括构造化蓄积池，该构造化蓄积池被设计为在加工期间保留流体。一些蓄积池可由渗透性控制屏障形成，该渗透性控制屏障包括颗粒材料的基质。在加工含烃材料期间蒸气和液体穿过渗透性控制蓄积池的传输可不利地影响周围环境并且导致有价值产物的损失。因此，使来自构造化渗透性控制基层结构的蒸气传输最小化的方法可包括在构造化渗透性控制基层结构内形成异质水合基质。构造化渗透性控制基层结构包括限定基本密闭空间的渗透性控制蓄积池。异质水合基质由固相和基本上连续的液相形成，所述液相可通过在给定操作条件下具有一定渗透速率的蒸气经由扩散而渗透。可对构造化渗透性控制基层结构进行操作以回收烃。在操作期间，可通过操纵构造化渗透性控制基层结构的操作参数来控制渗透速率，使得蒸气在操作期间被充分阻碍以将蒸气容纳在构造化渗透性控制基层结构内。

另外，构造化渗透性控制基层结构可包括限定基本密闭空间的渗透性控制蓄积池。具体地讲，蓄积池可包括异质水合基质，该异质水合基质可由具有一定渗透速率的蒸气渗透，该渗透速率取决于蒸气和基质特性。密闭空间内的粉碎含烃材料形成含烃材料的可渗透主体。在操作期间，异质水合基质充分阻碍蒸气以将蒸气容纳在构造化渗透性控制基层结构内。

因此，已对本发明的更重要的特征进行了广义的概述，以更好地理解接下来的本发明的具体实施方式，并且更好地认识本发明对本领域的贡献。通过本发明的以下具体实施方式结合附图和权利要求，本发明的其他特征将变得更清晰，或者可通过本发明的实践了解到。

附图说明

图1为根据本发明的一个实施例的方法的流程图。

图2为根据本发明的一个实施例的渗透性控制蓄积池的侧剖面图。

图3A和图3B分别为根据本发明的一个实施例的多个渗透性控制蓄积池的俯视图和平面图。

图4为根据本发明的一个实施例的构造化渗透性控制基层结构的一部分的横截面和蒸气渗透的扩展视图。

应该指出的是，附图仅是本发明的若干实施例的示例，并且由此无意限制本发明的范围。另外，附图通常不按比例绘制，而是为了方便并清晰地示出本发明的各方面的目的而草拟的。

具体实施方式

虽然这些示例性实施例足够详细地描述以使本领域的技术人员能够实践本发明，但是应当理解，也可以实现其他实施例并且在不脱离本发明的精神和范围的前提下可对本发明作出各种改变。因此，如权利要求书所要求的，本发明的实施例的以下更详细的描述并不旨在限制本发明的范围，而是仅仅为了说明而非限制的目的而呈现以描述本发明的特征和特性，阐述本发明的最佳操作模式，并且充分地使本领域的技术人员能够实践本发明。因此，本发明的范围仅由所附的权利要求书来限定。

定义

在描述和要求保护本发明时，将使用下面的术语。除非上下文另外明确规定，否则单数形式“一个”、“一种”和“该”包括复数参考。因此，例如，提及“壁”包括提及一个或更多个此类结构，“可渗透主体”包括提及一种或更多种此类材料，并且“加热步骤”是指一个或更多个此类步骤。

如本文所用，“构造化基层结构”和“构造化渗透性控制基层结构”是指基本上完全人造的结构，与通过对现有的地层改性或填孔形成的冻结壁、硫壁或其他屏障相反。构造化渗透性控制基层结构可通常基本上不含原状地层，但该基层结构可与原状地层邻近或直接接触而形成。该基层结构可通常使用压实土制材料或压实颗粒材料而形成。因此，除下层土地基之外，基层结构壁通常不具有独立结构完整性。

如本文所用，“土制材料”是指仅用机械改性从土地回收的天然材料，诸如但不限于膨胀性粘土(例如，膨润土、蒙脱石、高岭石、伊利石、绿泥石、蛭石等)、砾石、岩石、压实填充物、泥土等。例如，砾石可与水泥结合以形成混凝土。通常，粘土改良泥土可与水结合以形成充当流体屏障的水合层。然而，废油页岩也可用于形成在基层结构壁中使用的土制材料的至少一部分。

如本文所用，“含烃材料”是指含烃的材料，可从该材料中提取或衍生烃产物。例如，烃可作为液体直接提取，经由溶剂提取、直接蒸发或以其他方式从材料中释放而移除。然而，许多含烃材料包含烃、油母岩和/或沥青，其通过加热和热解转变为包括油和气体产物的较高质量烃类产物。含烃材料可包括但不限于油页岩、焦油砂、煤、褐煤、沥青、泥煤、生物质和其他富含有机物岩石。

如本文所用，“蓄积池”是指旨在保持或保留流体和/或固体可移动材料积聚的结构。蓄积池通常通过土地获得至少大部分基础和结构支撑。因此，除本发明的控制壁形成时抵靠的土地和/或天然地层之外，该控制壁并非总是具有独立的强度或结构完整性。另外，蓄积池通常使用土制材料以及形成为压实土制材料的护台的壁的至少一部分。

如本文所用，“可渗透主体”是指粉碎含烃材料的质块，该粉碎含烃材料具有相对较高的渗透性，该渗透性超过相同组成的固体原状地层的渗透性。适用于本发明中的可渗透主体可具有大于约10％的空隙空间，并且通常具有约20％至40％的空隙空间，但其他范围也可为合适的。允许高渗透性有利于以对流作为主要传热机制对该主体进行加热，同时也显著降低与压碎成非常小的尺寸(例如低于约2.5至约1cm)相关的成本。特定目标空隙空间可根据特定含烃材料而变化。

如本文所用，“异质水合基质”是指具有吸收或分散于其中的流体的固体颗粒，其中流体包括水。

如本文所用，“开采”是指将材料从初始的地层或地理位置移到或扰动到第二和不同位置。通常，可通过碎石化、粉碎、压裂、移位或以其他方式从天然地层移出材料来生产开采材料。

如本文所用，“基本上静止”是指材料的几乎静止的定位，其对于烃从含烃材料移除时的沉降和/或沉淀具有容许度。相比之下，例如流化床或旋转蒸馏罐中发现的含烃材料的任何循环和/或流动涉及含烃材料的大量移动和处理。

如本文所用，“约”是指基于对已识别的特定性能常见的实验误差的偏差度。如果提供范围，术语“约”将取决于具体语境和特定性能并且可易于被本领域的技术人员辨别。术语“约”并非旨在扩展或限制等效度，等效度可以另外被赋予特定值。另外，除非另外指明，否则术语“约”应明确地包括与下文有关范围和数值数据的论述一致的“精确地”。

如本文所用，“邻近”是指两个结构或元件接近。具体地讲，被识别为“邻近”的元件可邻接或连接。此类元件还可以彼此靠近或接近，而不一定彼此接触。在一些情况下，接近的精确度可以取决于具体情况。

本文可能以范围格式表示浓度、尺寸、数量和其他数值数据。应当理解，此类范围格式的使用仅仅出于方便和简洁目的，并且应灵活解读为不仅包括明确引用为范围限值的数值，还包括涵盖在该范围内的所有单个数值或子范围，如同明确引用每个数值和子范围。例如，约1至约200的范围应解读为不仅包括明确引用的限值1和约200，还包括诸如2、3、4的单个大小，以及诸如10至50、20至100的子范围等。

如本文所用，为方便起见，多个物品、结构元件、组成元件和/或材料可以在相同列表中表示。然而，这些列表应理解为列表的每个构件独立地识别为单独且唯一的构件。因此，在没有相反指示的情况下，不应单独地基于它们在相同组中的表现，将此类列表的任何单个构件理解为相同列表的任何其他构件的实际等同物。

任何方法或工艺权利要求中所引用的任何步骤可以按任何顺序执行并且不限于权利要求提供的顺序。装置加功能或步骤加功能的限制将仅仅用在特定的权利要求限制中，在这种限制中满足所有的下列条件：a)明确列举了“用于…的装置”或“用于…的步骤”；以及b)明确列举了相应的功能。在本文的说明中明确引用了支持装置加功能的结构、材料或行为。因此，本发明的范围应仅由所附权利要求及其合法等同条件确定，而非由本文给定的描述和例子确定。

控制蒸气传输

参见图1，使来自构造化渗透性控制基层结构的蒸气传输最小化的方法10可包括在构造化渗透性控制基层结构内形成12异质水合基质。构造化渗透性控制基层结构包括限定基本密闭空间的渗透性控制蓄积池，并且异质水合基质可由具有一定渗透速率的蒸气渗透。该方法还包括操作14构造化渗透性控制基层结构。通常，操作可包括充分加热含烃材料的可渗透主体以从该可渗透主体产生和/或释放烃，并且还可包括收集和移除烃。根据可渗透主体的具体组成和结构，条件可改变以便产生和/或释放烃。该方法还可包括通过操纵构造化渗透性控制基层结构的操作参数来控制16渗透速率。通常，本发明的方法在操作期间充分阻碍蒸气通过水合基质的渗透，使得蒸气被维持在构造化渗透性控制基层结构内。

在构造化渗透性控制基层结构的操作期间蒸气的控制可经由操纵各种操作参数和/或结构参数来实现。异质水合基质的组成、基层结构内的层的组成、含烃材料的组成，以及基层结构的尺寸是结构参数的非限制性例子。类似地，温度、压力和处理时间是操作参数的非限制性例子。通常，本发明方法包括使用构造化渗透性控制基层结构的至少一部分内的异质水合基质。最通常地，异质水合基质可被配置为基层结构的壁内的基本上连续的层。在一个实施例中，异质水合基质可在构造化渗透性控制基层结构的壁内。在一个方面，异质水合基质可在构造化渗透性控制基层结构的每个壁内。

异质水合基质可由颗粒固相和基本上连续的液相形成。异质水合基质的渗透因此可因此被限于通过液相扩散(例如，通常为水相)。一般来讲，连续液相的横向毛细尺寸和液体到固体界面的表面能量可使得在存在跨异质水合基质的预期压差的情况下有足够的毛细张力(即，基质吸力)以将液相保留在基质中。液相毛细厚度和液体到固体表面能量可防止压差从异质水合基质排出或驱出液相。通常，异质水合基质可通过水合土制材料而形成。土制材料可包括粘土、膨润土、压实填充物、耐火水泥、水泥、膨润土改良泥土、压实土、低质页岩，或它们的组合。土制材料可被粉碎成一定尺寸，当水合时该尺寸阻碍渗透速率。这样的尺寸可从约0.5μm至约4cm，或者在一方面，从10μm至1cm。异质水合基质可包括水合材料和非水合材料的混合物。水合材料可包括粘土(例如，膨润土或其他膨胀性粘土)等。非水合材料可包括填料材料，诸如泥土、岩石、废页岩、砂等。水合材料的比例可改变以便实现目标渗透时间，即，一个目标渗透时间小于设计处理时间。然而，作为一般性指导原则，水合材料可包括约4体积％至约100体积％的异质水合基质。在特定实施例中，基质可包括约5体积％至约20体积％的膨润土作为水合材料。在另一个实施例中，基质可包括至少10体积％的膨润土。此外，水合材料和非水合材料可具有基本上相似或不同的粒度分布。在一些情况下，可能期望使用水合材料粒度分布来配制异质水合基质，该水合材料粒度分布小于非水合材料粒度分布。

尽管水合基质的组成和配置可影响渗透速率，可是一旦基质形成并且处于适当位置，渗透速率的控制便可仍然经由操作条件动态调节。因此，蒸气的渗透速率的控制可包括维持异质水合基质的水合以及维持连续液相。在一个实施例中，维持水合和连续液相可通过控制操作期间的操作参数来实现。在另一个实施例中，维持水合和连续液相可包括在构造化渗透性控制基层结构的操作之前、期间或之后将额外流体递送到水合基质。

就操作参数而言，蒸气的渗透速率的控制可包括操纵温度、压力、处理时间等。在一个实施例中，控制可包括在操作期间维持渗透性控制蓄积池内的目标温度。在另一个实施例中，控制可包括在操作期间维持异质水合基质内的目标温度。作为一个例子，异质水合基质内的温度可被维持在水或异质水合基质中的其他液体的沸点以下。在又一个实施例中，控制包括在操作期间维持渗透性控制蓄积池内的目标压力。应当理解，本发明的温度和压力操纵可单独使用或结合使用。

构造化渗透性控制基层结构的操作参数可被调节以维持异质水合基质内的充分的饱和水力传导率，以将蒸气容纳在渗透性控制基层结构内。饱和水力传导率(K_sat)是液体可移动穿过饱和多孔材料的容易度的量度。饱和水力传导率可被维持在10^-6cm/s以下，并且优选地在10^-7cm/s以下。Kozeny-Carman方程可用于使饱和水力传导率与异质水合基质的其他参数相关：

$K_{sat}=\frac{1}{C_S{S}_S^2{T}^2}\frac{{\mathrm{\γ}}_w}{\mathrm{\η}}\frac{e^3}{1+e}$

其中C_S为形状因数，S_S为比表面积，T为流动通道的弯曲度，γ_w为水的单位重量，η为粘度，并且e为空隙比。这些参数可被调节以控制饱和水力传导率。例如，异质水合基质可由具有高形状因数或高表面积的材料形成，或者所述异质水合基质提供高度弯曲的路径以用于使水流动穿过基质。在一个例子中，粘度可通过将添加剂加入到基质中来修改。作为一般规则，增加流体粘度减少沿着路径的扩散性，有助于维持连续液相(降低水力传导率)，并且因此有助于维持对气体输运的屏障。根据特定条件和操作参数，蒸气通过连续相的扩散性将通常小于约1E-5cm²/sec，并且更通常地小于1E-6cm²/sec。

除了操作参数之外，本发明的构造化渗透性控制基层结构可被结构化以在操作期间和之后提供蒸气屏障。如本文所述，通常，本发明所公开的异质水合基质可提供这样的屏障。另外，可作出结构修改以进一步阻碍蒸气迁移出密闭空间。例如，异质水合基质可包括到连续液相的添加剂，该添加剂阻碍蒸气的渗透速率。此类添加剂可包括pH缓冲剂、粘度调节剂等。另外，此类材料可包括各种比率的土制材料和/或还可包括pH调节添加剂。例如，可添加碱性材料，诸如碱液，或者可添加酸性材料，诸如酸性泥土。更进一步，异质水合基质可用这样的材料制造，该材料维持或增加在水合期间使用的流体的表面张力。通常，水合包括使用水并且可包括其他流体和添加剂。此类材料和添加剂可影响水合基质的总表面张力。

异质水合基质中的固体材料可具有分布在整个基质中的空隙空间，该空隙空间由连续液相填充。空隙空间在基质中的总百分比和该空隙空间的分布两者均可影响蒸气到基质中的渗透速率。通常，当空隙空间在整个水合基质中更均匀地分布时，渗透速率可较低，与当空隙空间集中在大凹槽中时相反。例如，具有适当空隙空间分布的基质可为非多孔的，意味着基质不具有比基质中的固体颗粒大得多的空隙空间的凹槽。空隙空间的此类凹槽，或者可以说“孔洞”趋于增加基质的水力传导率并且减小弯曲度。

固体颗粒的形状和粒度分布也可影响渗透速率。例如，具有较宽粒度分布的不规则形状的颗粒可导致高度弯曲的流动路径以便使蒸气或液体移动穿过异质水合基质。蒸气分子通过基质的液相的扩散可通过增加流动路径的长度而被阻碍，分子通过所述流动路径扩散。增加基质中的流动路径的弯曲度可因此降低渗透速率。在一些情况下，所产生的蒸气通过水合基质的扩散性可低于蒸气在纯水中的扩散性。

可阻碍蒸气的渗透速率的额外结构参数包括异质水合基质的厚度和基层结构内的任选附加层。例如，水合基质的厚度可增加，从而提供更长的路径以用于使蒸气穿过构造化渗透性控制基层结构。异质水合基质的此类尺寸可被调控以使操作材料和/或含碳材料被处理。例如，对于需要高温度/压力的含碳材料，异质水合基质的宽度可比需要相对较低温度/压力的材料高得多。作为一般性指导原则，异质水合基质的厚度可从约0.3至约2米，并且通常从约0.6至约1.2米，但是实际厚度在很大程度上可取决于结构的尺寸、设计的操作时间、异质水合基质的组成，以及其他因素。应当理解，本领域的技术人员将能够基于特定系统的操作需要使用本文所概述的原理来修改此类参数。另外，异质水合基质的宽度无需是均匀的。

构造化渗透性控制基层结构通常包括限定基本密闭空间的渗透性控制蓄积池。蓄积池包括异质水合基质，其中异质水合基质可由具有一定渗透速率的蒸气渗透。粉碎含烃材料可在密闭空间内取向，从而形成含烃材料的可渗透主体。在操作期间，异质水合基质充分阻碍蒸气以将蒸气容纳在构造化渗透性控制基层结构内。

通常，本发明实施例可为用以从构造化渗透性控制基层结构内的富含有机物的含烃材料回收烃的有效方法。通常，含烃材料在加热期间基本上是静止的，除了由于从可渗透主体移除材料而造成的沉淀和沉降之外。

就构造化渗透性控制基层结构的一般元件而言，构造化基层结构可限定基本密闭空间，该基本密闭空间中，粉碎含烃材料(包括开采或获取的含烃材料)可被引入到控制基层结构中以形成可渗透主体。控制基层结构可至少部分地由土制材料形成以由蓄积池形成不受控流体逸出的屏障。可充分加热可渗透主体以从其移除烃。在加热期间，粉碎含烃材料为基本上静止的，因为构造化基层结构是固定结构。可收集移除的烃以用于进一步加工，在加工中使用，和/或在回收时使用。如上所述，构造化渗透性控制基层结构通常包括结构内的异质水合基质以提供蒸气屏障。

本发明的这些方面中的每个在下文中进一步详细地描述。可以通过使用现有坡面作为该构造化基层结构的底部支撑和/或作为侧壁支撑，来形成构造化渗透性控制基层结构。例如，控制基层结构可以被形成为独立式结构，即仅使用现有坡面作为底部，其中侧壁和顶部是人造的。作为另外一种选择，控制基层结构可以在挖掘的凹坑内形成。无论如何，本发明的控制基层结构在坡面之上形成，包括挖掘的坡面。

构造化渗透性控制基层结构可包括限定基本密闭空间的渗透性控制蓄积池。渗透性控制蓄积池也可以基本不含原状地质地层。具体地讲，蓄积池的渗透性控制方面可以被完全构造化并人造为单独的隔绝机构，以便防止材料不受控制地迁移到密闭空间内或移出密闭空间。在一个实施例中，构造化渗透性控制基层结构可包括粉碎含烃材料的可渗透主体、砾石细粒层、膨润土改良泥土的流体屏障层(BAS层)、异质水合材料、和相邻天然地层。在另一个实施例中，控制基层结构至少部分地包括压实土制材料。在一个方面，土制材料可包括粘土(例如，膨润土或其他膨胀性粘土)、压实填充物、耐火水泥、水泥、膨润土改良泥土、压实土、低质页岩，或它们的组合。在一个方面，控制基层结构可包括膨润土改良泥土。

控制基层结构可通常形成为独立式护台，该独立式护台具有下层土地作为用于基层结构底部的结构基础和支撑。在一个方面，护台可包括压实土制材料。在一个实施例中，渗透性控制蓄积池或控制基层结构可沿着挖掘含烃材料矿床的壁形成。在一个可选的方面，至少一种额外的挖掘含烃材料矿床可被形成为使得多个蓄积池可被操作。另外，这样的配置可有利于减小开采材料的运输距离。具体地讲，任何特定密闭空间的开采含烃材料均可从邻近的挖掘含烃材料矿床开采。这样，可以建造构造化结构的网格，使得开采材料可立即且直接地填充到邻近的蓄积池中。

蓄积池可由合适材料形成，包括使用异质水合基质，所述合适材料提供对材料穿过蓄积池壁传递的隔绝。这样，在控制基层结构操作期间，壁的完整性被保持为足以基本防止流体和蒸气不受控制地迁移到控制基层结构的外面。用于形成构造化渗透性控制基层结构的蓄积池的合适材料的非限制性例子可包括粘土、膨润土(例如，包含至少一部分膨润土的粘土，该粘土包括蒙脱石)、压实填充物、耐火水泥、水泥、合成的土工格栅、玻璃纤维、钢筋、烃添加剂、填充的土工布袋、聚合物树脂、PVC衬里，或它们的组合。对于大规模操作，至少部分地由土制材料形成蓄积池可提供有效的屏障。经改造的水泥质复合物(ECC)材料、纤维增强复合物等可以是特别坚固的并且可被容易地改造，以满足给定设施的渗透性和温度容限要求。

作为一般性指导原则，对于蓄积池而言，可使用在基层结构的操作温度下具有低渗透性和高机械完整性的材料。例如，熔点高于基层结构的最大操作温度的基质材料对于在加热和回收期间以及之后维持防漏(containment)可能是有用的。作为另外一种选择，此类基质材料可包括固体或流体，其中流体自始至终具有连续相。然而，如果缓冲区作为隔热层维持在壁与可渗透主体的加热部分之间，那么也可以使用较低温度的材料。此类缓冲区可通常在从15cm到6m的范围内，这取决于用于蓄积池的特定材料和可渗透主体的组成。

蓄积池壁可以基本连续，使得蓄积池充分限定密闭空间以防止流体出入除所定义的入口和出口以外的蓄积池(例如，经由本文中讨论的导管等)的实质移动。这样，蓄积池可容易地满足管理流体迁移规则。作为另外一种选择，或与制造的屏障结合，蓄积池壁的部分可以是原状地质地层和/或压实土。在此类情况下，构造化渗透性控制基层结构是可渗透壁和不可渗透壁的结合，如在下文中更详细地描述。

在一个详细方面，经前处理或后处理的含烃材料的一部分可用作水泥加固和/或水泥基底，其然后在合适位置被倾注以形成控制基层结构的壁的部分或全部。这些材料可形成于适当位置，或者可被预形成然后在现场被组装以形成整体蓄积池结构。例如，蓄积池可通过在合适位置铸造形成为单一主体、挤压件、预形成件或预制件的堆叠、通过水泥浆(水泥、ECC或其他合适材料)连结的混凝土板材、膨胀形式等来构造。该形式可抵靠地层建造或者可以是独立结构。形式可由合适的材料构造，诸如但不限于钢、木材、玻璃纤维、聚合物等。可以添加任选的粘结剂来增强渗透性控制壁的致密性。控制基层结构可任选地包含或主要由密封剂、水泥浆、钢筋、合成粘土、膨润土、膨胀性粘土衬层、耐火水泥、高温土工膜，或它们的组合构成。

在一个实施例中，蓄积池壁和底部的构造可包括固有的或受控的低质页岩与砂、水泥、纤维、植物纤维、纳米碳、碎玻璃、增强钢、改造的碳增强栅格、钙矿物质等的任何组合的多个压实层。除此类复合物壁和异质水合基质之外，可以采用通过额外抗渗性工程来抑制长期的流体和气体迁移的设计，该设计包括但不限于衬里、土工膜、压实泥土、输入砂、砂砾或岩石和重力排水外形，以使流体和气体远离不透水层移动到出口。由于采矿过程的情况可以规定遵循最优矿石品级采矿，因此蓄积池底部和壁构造可以但不需要包括上阶或下阶的斜坡或台阶。在任何这样的上阶或下阶的应用中，底部取平和防漏壁构造通常可以向一侧或特定的中央储集区排出或倾斜，以便通过重力排水帮助来移除流体。

任选地，密闭容器(capsule)壁和底部构造可包括隔热体，该隔热体充分防止热量传递到异质水合基质以维持水合基质的完整性。隔热体可以包含制造材料、水泥或各种其他材料，其比周围物体(即，可渗透主体、地层、邻近基层结构等)的导热性小。隔热屏障也可以在可渗透主体内、沿着蓄积池壁、顶部和/或底部形成。蓄积池可形成为单次使用系统，使得隔热体、管道和/或其他组件可具有相对较短的使用寿命(例如小于1-2年)。这样，在完成回收和关闭系统之后，导管、屏障和隔热材料可连同废原料材料留在原处。这可以降低设备成本，以及减小长期环境影响。

本文中提出的结构和方法可在几乎任何规模下应用。较大的密闭空间和数量增加的蓄积池可易于产生烃类产物和相当于或超出较小构造基层结构的性能。作为举例说明，在顶部平面表面积中，单个蓄积池的尺寸可在数十米至数十英亩的范围内。类似地，蓄积池深度可从数米变化到最高至约100米，将约50米提供为一个示例性深度。最佳蓄积池尺寸可以根据含烃材料和操作参数变化，然而，预期每个蓄积池单元的合适面积范围可为顶部平面表面积中从大约二分之一英亩到十五英亩。蓄积池单元的阵列可彼此相邻布置以形成多个单独可控单元，所述单独可控单元可至少部分地独立于相邻单元进行操作。操作参数的识别和调整也可考虑来自相邻单元的热传递。

所述方法和基层结构可用于从多种含烃材料中回收烃。一个具体优点是在控制引入到密闭空间中的可渗透主体的粒度、条件和组成方面的宽自由度。可以处理的开采的含烃材料的非限制性例子包括油页岩、焦油砂、煤、褐煤、沥青、泥煤，或它们的组合。另外，可处理的高有机物含量材料包括泥煤、煤、生物质、焦油砂，或它们的组合。可渗透主体可包括这些材料的混合物，使得等级、油含量、氢含量、渗透性等可被调节，以实现所需的结果。另外，多种含烃材料可以隔离层或以混合形式设置，诸如组合煤、油页岩、焦油砂、生物质和/或泥煤。

如本文所述，通常，粉碎含烃材料具有实现产物提取的孔隙度。在一个实施例中，在加热之前和加热期间，可渗透主体可具有可渗透主体总体积的约10％至约80％的孔隙度(即，空隙空间)。在一个方面，在加热之前和加热期间，可渗透主体可将孔隙度维持在可渗透主体总体积的约40％至约70％。

在一个实施例中，出于最优化的原因，含烃材料可以被分类到主要构造化基层结构内的各种内部密闭容器或单元中。例如，在开采进行时，被开采的油页岩地层的层数和深度可能在某些深度的产区中更富集。一旦爆炸、开采、铲起和拖拉到密闭容器内部以用于放置，则更富集的含油矿石可以按照富集度分类或混合，以实现最优产率、更快回收，或实现在每个蓄积池内的最优平均。选择性地控制可渗透主体的特性和组成的能力在最优化油产率和质量方面增加显著的自由度。此外，释放的气体和液体产物可充当原位产生的溶剂，其补充油母岩移除和/或从含烃材料中额外的烃移除。

任选地，可渗透主体还可包含添加剂或生物质。添加剂可以包括用于增加移除的烃的质量的组合物，例如增加API、减小粘度、改善流动特性、降低剩余页岩的润湿度、减少硫、减少氢化剂等。合适的添加剂的非限制性例子可包括沥青、油母岩、丙烷、天然气、天然气冷凝物、原油、精炼底部物质、沥青烯、常用溶剂、其他稀释剂，以及这些材料的组合。在一个特定实施例中，添加剂可以包括流动改善剂和/或氢供体剂。另外，人造材料也可用作添加剂，诸如但不限于轮胎、聚合物废品或其他含烃材料。

贯穿可渗透主体的粒度可有相当大的变化，这取决于材料类型、所需加热速率、和其他因素。作为一般性指导原则，可渗透主体可包括平均约0.3cm至约2m的粉碎含烃颗粒，而在一些情况下小于30cm，并且在其他情况下平均小于约16cm。然而，就实际问题而言，平均约5cm至约60cm的粒度，或在一方面平均约16cm至约60cm的粒度可提供良好的结果，其中约30cm平均直径对油页岩尤其有用。约15％至约40％以及在一些情况下约30％的空隙空间通常提供渗透性与可用体积的有效利用之间的良好平衡。

可将粉碎含烃材料填充到控制基层结构中以通过合适的方式形成可渗透主体。通常，可通过倾倒、传送带或其他合适的方法将粉碎的含烃材料运送到控制基层结构。如上所述，可渗透主体可具有仔细定制的高空隙体积。因此，可通过将含烃材料低压实运送到基层结构中来形成可渗透主体。这样，在不需要进一步粉碎或压实的情况下，含烃材料可保持显著的粒子间空隙体积，尽管存在一些较小的压实度，这通常是在形成可渗透主体时由岩石静压力造成。

一旦控制基层结构中形成所需的可渗透主体，可引入足以开始例如经由热解移出烃的热。合适的热源可与可渗透主体热相关。可渗透主体中的最佳工作温度可根据组成和所需产品而不同。然而，作为一般性指导原则，用于油页岩操作温度的范围可从约93℃至约400℃。整个密闭空间的温度变化可以改变，并且在一些区域中可达到高达480℃或更高。在一个实施例中，操作温度可以是相对较低的温度，以促进液体产物产生，诸如从约93℃至约340℃。该加热步骤可以是导致对可渗透主体的压碎矿石进行选矿的烘烤操作。通常，产物可包括液体产物和气体产物两者。

热量可主要经由对流转移到并且贯穿可渗透主体。加热的气体可被注入到控制基层结构中，使得加热的气体经过整个可渗透主体。可通过燃烧天然气、烃产物或任何其他合适来源来制备加热气体。加热气体可以从外部来源输入，或从本发明的加工回收。加热气体可经由嵌入的加热导管被引导穿过可渗透主体。这样，加热气体可在封闭系统中提供以防止混合加热气体与可渗透主体。作为另外一种选择，加热气体可经由对流直接在可渗透主体内循环。

多条导管可以容易地以多种配置取向，无论是基本水平的、垂直的、倾斜的、分支的还是其他形式。配置可被调控以在整个可渗透主体内提供所需的对流热流图案，并且避免温度的大幅变化(即，冷点和/或热点)。通常希望尽可能均匀地提供热分布。在将导管嵌入可渗透主体之前，导管的至少一部分可沿着预定的路径取向。预定路径可被设计用于改善热传递、气液固接触，最大化流体输送或从密闭空间内的具体区域移出等。另外，导管的至少一部分可有助于加热可渗透主体。可任选地对这些加热导管选择性地打孔，以允许加热气体或其他流体在整个可渗透主体中对流加热和混合。或者，加热导管可形成闭环，使得加热气体或流体与可渗透主体隔离。因此，“闭环”不一定需要再循环，而是使加热流体与可渗透主体隔离。这样，可主要或基本上仅通过横跨导管壁从加热流体到可渗透主体中的热传导完成加热。可渗透主体内的热传递然后主要经由对流加热进行。这样的闭环系统提供对可渗透主体中的气氛的控制，该可渗透主体基本上不含氧气。

在可渗透主体的加热或烘烤期间，超过母岩分解温度(经常高于约480℃)的局部化加热区可降低产率并形成二氧化碳以及不期望的污染化合物，该污染化合物可能产生含有重金属、可溶性有机物等的浸析液。加热导管可以允许基本消除此类局部化热点，同时使大多数可渗透主体维持在所需温度范围内。温度的均匀程度可以是成本(例如，额外加热导管的成本)对产率的平衡。

尽管产物可以根据起始原料而显著变化，但高质量液体和气体产物是可能的。例如，在没有额外处理的情况下，压碎的油页岩材料可直接从油页岩产生具有约30至约45的API比重的液体产物，其中约33至约38是当前典型的。有趣的是，已经发现，对于回收的烃的质量，压力似乎是比温度和加热时间影响小得多的因素。尽管加热时间可以根据空隙空间、可渗透主体组成、质量等显著变化，但作为一般性指导原则，时间可以在从数天(即，3-4天)最多至约一年的范围内。在一个具体例子中，加热时间可以在约2周至约4个月的范围内。

另外，构造化基层结构的壁可以被构造为使热损失最小化。在一个方面，该壁可以被构建为具有基本均匀的厚度，该厚度被优化以提供足够的机械强度同时也使导管穿过的壁材料的体积最小化。具体地讲，过厚的壁可能减少通过由传导吸热而转移到可渗透主体中的热量。相反，该壁也可充当热屏障，从而在操作期间一定程度上隔离可渗透主体并保留其中的热量。

另外，在一个实施例中，本发明构造化渗透性控制基层结构可在特定温度分布下被加热和/或冷却以基本上消除不需要的积累烃材料的形成或使其最小化。通常，本发明基层结构可被操作为将可渗透主体的至少一部分充分加热到高于生产温度的整体温度以从其移除烃，其中非生产区中的条件保持在生产温度以下。在一个方面，基层结构的生产温度可在至少93℃至480℃的范围内。在另一方面，基层结构的整体温度可在超过93℃至480℃的范围内。在一个详细的方面，整体温度可介于200℃和480℃之间。

为了降低或消除液体保留在非生产区中的液体的量，可维持若干条件。如上所述，在系统操作期间，对于相应的含烃材料，低于液体收集系统的温度可维持在生产温度以下。因此，非生产区中的材料不产生烃。另外，因为蓄积池阻挡层的流体屏障特性可经由异质水合基质维持。例如，当使用膨润土改良泥土(BAS)时，只要BAS层被水合，流体屏障特性便得以维持。在操作期间，可通过将整个BAS层的温度保持在约100℃以下，或更典型地约93℃以下来维持水合，以便避免BAS的热点和局部脱水。

考虑以上所述，图2示出构造化渗透性控制基层结构200的横截面透视图，该构造化渗透性控制基层结构200包括异质水合基质212，该异质水合基质212具有邻近天然地层204或其他结构(例如，相邻蓄积池)而形成的任选阻挡层202。砾石细粒层206也邻近异质水合基质层作为主要隔热层和/或冷凝层提供。砾石细粒层具有在可渗透主体208上的基本减小的空隙空间，使得该空隙空间不被设计为烃生产区。相反，砾石细粒层可充当隔热层以允许可渗透主体内的流体的冷却，以便在流体与异质水合基质接触之前降低温度。这可减小脱水和通过水合基质的渗透的速率。虽然具体厚度可改变，但砾石细粒层可在约15cm至约6米的范围内。

在一些情况下，侧壁可不含独立式护台，在这种情况下，基层结构的外层暴露。砾石细粒层内包封的是粉碎油页岩210的可渗透主体208(其部分被环绕)，从而形成具有适于生产烃的平均粒度的生产空间。通常，砾石细粒层可包括压碎的油页岩，该压碎油页岩的平均粒度基本上小于可渗透主体的主要生产空间内的平均粒度。虽然细粒层的平均粒度可改变，但通常平均粒度可在约0.25至约10cm的范围内。具有连续液相的异质水合基质212可被放置在控制基层结构的壁内，以充当主要蒸气屏障。虽然异质水合基质示于砾石细粒层206和任选阻挡层202之间，但这样的布置并不是限制性的。

任选的主要液体收集系统214可在砾石细粒层206内的压碎油页岩的较低部分内取向。虽然主要液体收集系统在可渗透主体208和任选阻挡层202的中间位置中示于砾石层中，但这样的位置是用于说明目的，并不旨在进行限制。因此，主要液体收集系统可大致位于中间，在砾石层的上部部分中，或者在砾石层的下部部分中。液体收集系统可被构造为在可渗透主体的整个横截面上收集流体。收集系统可为单个连续层，或者可由多个离散的收集托盘形成。在一个例子中，液体收集系统可为排水盘，该排水盘穿过砾石细粒层延伸到周围异质水合基质层212。虽然液体的移除可经由泵送来完成，但通常重力排水可提供足够的移除流速。在一个方面，排水盘可覆盖基层结构的整个底部。

多个加热导管216可嵌入在可渗透主体内，以便充分加热含烃材料以引发热解和烃的产生。通常不需要任选的阻挡层，然而，这样的层可被提供为二级屏障，诸如膜、衬里或其他合适的屏障。

在操作期间，对应于烃从相应含烃材料的释放和/或产生，含烃材料的可渗透主体被加热到预定生产温度。然而，整个系统表现出始终变化的温度梯度。例如，对于油页岩加工，可渗透主体可具有大约400℃的峰整体温度，其中下降温度梯度接近周围地层，该下降温度梯度通常为大约16℃。为了减少或消除保留在非生产区内的液体的量，可创建和维持若干条件。在系统操作期间，对于相应的含烃材料，低于液体收集系统的温度可维持在生产温度以下。因此，非生产区中的材料不产生烃。

另外，只要水合被维持，异质水合基质的流体屏障特性便可维持。在脱水之后，通过连续液相的损失，基质内的水合材料恢复到颗粒状态，从而允许流体通过。在操作期间，可通过将整个异质水合基质的温度保持在93℃以下来维持水合。另外，基层结构可任选地进一步包括水合机构以向异质水合基质供应水。此类水合机构可沿着基质定位，使得水合材料的充分水合实现以便在操作期间保持基本的流体不可渗透性。

在主要液体收集系统和水合基质处的温度可通过如下方式来控制：从整体加热导管调节加热速率，改变可渗透主体内的空隙空间，改变砾石细粒层的厚度，以及经由排水系统调节流体移除速率。可提供任选的补充冷却回路来从主要液体收集系统和/或水合基质附近移除热量。

从可渗透主体回收的烃产物可被进一步加工(例如，精炼)或在制备时使用。可冷凝气体产物可以通过冷却和收集来冷凝，而不可冷凝气体可以被收集、作为燃料燃烧、再注入或另外利用或处置。任选地，移动设备可以用来收集气体。这些单元可以被容易地取向为紧邻控制基层结构，并且气体产物经由合适导管从控制基层结构的上面区域引导到这些单元上。

在又一个可供选择的实施例中，可渗透主体内的热量可以在从其初次回收烃材料之后被回收。例如，大量的热量保留在可渗透主体中。在一个任选的实施例中，可渗透主体可以充满传热流体(诸如水)以形成加热的流体，例如加热的水和/或蒸汽。

可通过工序操纵气体产生的各个阶段，该工序提高或降低密闭空间内的操作温度，并调整进入蓄积池中的其他输入以产生气体，该气体可以包括但不限于氢气、硫化氢、烃、氨、水、氮气，或它们的各种组合。从构造化基层结构回收的烃产物最通常可通过例如提高品级、精炼等来进一步处理。

图3A示出蓄积池的集合，该蓄积池包括未覆盖的或打开盖的密闭蓄积池300，该密闭蓄积池300容纳有在采矿场304内的分段密闭蓄积池302，该采矿场304具有各种高度的台阶采矿。任选的纬纱306和传送带308可用于将材料沉积到每个蓄积池302中。仅仅为了清楚起见，图3B示出具有上表面310的单个蓄积池302，该蓄积池没有相关联的导管和其他方面。该蓄积池可类似于图2所示的蓄积池或者可使用另一种配置。

图4示出构造化渗透性控制基层结构的一部分的横截面面积，该构造化渗透性控制基层结构包括粉碎油页岩210、砾石细粒层206、异质水合基质212、任选的阻挡层202、以及天然地层204或其他结构(例如，相邻蓄积池)，其中扩展视图示出作用于水合层的流体218上的蒸气(由箭头指示)。在构造化渗透性控制基层结构的操作期间产生的蒸气可穿透基层结构(例如，砾石细粒层)，但是可使用水合层阻碍。水合层不必完全不能渗透蒸气，但是可充分充当对蒸气的穿透和渗透速率的阻抗以在操作期间和/或操作之后将蒸气维持在构造化渗透性控制基层结构内。更具体地讲，异质水合基质包括具有在固相之间的液相填充空隙的填充颗粒材料的固相。液相包括贯穿异质水合基质的液体的基本连续网。这样，蒸气和气体从生产层(例如，油页岩或其他含烃材料)的迁移被通过液相的此类蒸气和气体的扩散所限制。相反，打开屏障内的气体路径允许渗透速率由压差控制。在异质水合基质中，扩散速率由分压和浓度梯度控制而不是仅仅由压差控制。如本文所述，抗蒸气渗透可取决于许多因素，所述因素包括流体的pH、流体的表面张力、流体的温度、流体的压力、基质的孔隙度等。这些因素可由用于制备水合层以及周围结构的材料来修改。例如，由于流体穿透水合基质层，所以流体可接触水合材料和非水合材料。水合基质的每种组分可对基质层的渗透抑制特性作出不同贡献。渗透速率可进一步由本文所述的操作参数和结构参数来控制。

实例

页岩的样品被选择和筛选成小于3/8英寸。向该样品，添加16重量％的膨润土。向该干燥混合物，添加17.7重量％的水。将该样本完全混合并且以3”直径和6”长度到108.6lb/ft³密度的圆柱形形式压实。将压实样本插入到专门的气体渗透仪中并且与合成膜分离。使样本经受20psig的各向同性侧限应力，同时使周围的水和样本进一步巩固6天。

将0.5psig(在实验室条件下为13psia)He压力的量施加到底部表面，并且将0psig(12.5psia)的N₂压力施加到顶部表面。将新鲜的He以0.5psig扫过底部表面。通过关闭出口阀来阻断到顶部表面的出口(顶部表面空间的静态体积为12.53cm³)。经过3天的时间，在顶部表面处的压力上升到1.306psig(13.806psia)，因为He比N₂扩散到底部开放空间更快地扩散到顶部封闭空间。这是气体跨过样本的长度的输运由分子扩散控制的直接证据，因为封闭空间中的绝对压力上升到比在入口处施加的绝对压力更高的水平。

接下来打开出口并且通过经过25天时间以0.2506cm³/天的水置换来测量He从入口到出口的净流量。这对应于2.4239E-12g-mol/sec-cm²的通量和1.0480E-6cm²/sec的扩散性。纯水中的H₂(He的良好替代物)的扩散性的文献值为4.50E-5cm²/sec。因此，由基质施加的渗透速率限制和扩散路径的弯曲度将渗透速率减慢到2.33E-2，其为水中的理想渗透，这是本发明的实践的证据。上述具体实施方式参照具体示例性实施例描述了本发明。然而，应当理解，在不脱离如所附权利要求中所述的本发明的范围的情况下，可进行各种修改和变化。具体实施方式和附图应视为仅仅是示例性的，而非限制性的，并且所有此类修改或更改(如果有的话)旨在属于如本文所述和示出的本发明的范围内。

Claims (23)

1.一种使来自构造化渗透性控制基层结构的蒸气传输最小化的方法，所述方法包括：

在所述构造化渗透性控制基层结构的壁内形成异质水合基质，所述构造化渗透性控制基层结构包括限定基本密闭空间的渗透性控制蓄积池，所述异质水合基质具有颗粒固相和连续液相，所述连续液相可由具有一定渗透速率的蒸气渗透；

操作所述构造化渗透性控制基层结构；以及

通过操纵所述构造化渗透性控制基层结构的操作参数来控制所述渗透速率；

其中所述蒸气在操作期间被充分阻碍以将所述蒸气容纳在所述构造化渗透性控制基层结构内。

2.根据权利要求1所述的方法，所述方法还包括通过水合土制材料来形成所述异质水合基质，所述土制材料选自膨胀性粘土、压实填充物、耐火水泥、水泥、粘土改良泥土、压实土、低质页岩，或它们的组合。

3.根据权利要求2所述的方法，所述方法还包括将所述土制材料粉碎到一定尺寸，当水合时所述尺寸阻碍所述渗透速率。

4.根据权利要求1所述的方法，其中控制包括维持所述连续液相和所述异质水合基质的水合。

5.根据权利要求1所述的方法，其中所述异质水合基质包括添加剂，所述添加剂阻碍所述渗透速率。

6.根据权利要求1所述的方法，其中控制包括在操作期间维持所述异质水合基质内的目标pH、所述异质水合基质内的液体的目标表面张力、所述异质水合基质内的目标温度、所述渗透性控制蓄积池内的目标温度、所述渗透性控制蓄积池内的目标压力中的至少一者，以及所述异质水合基质的饱和水力传导率。

7.根据权利要求6所述的方法，其中所述饱和水力传导率小于10^-6cm/s。

8.根据权利要求1所述的方法，其中所述控制基层结构至少部分地包括选自粘土、膨胀性粘土、压实填充物、耐火水泥、水泥、粘土改良泥土、压实土、低质页岩，和它们的组合的压实土制材料。

9.根据权利要求1所述的方法，其中所述构造化渗透性控制基层结构包括膨胀性粘土。

10.根据权利要求1所述的方法，其中所述基层结构具有在结构上由下层土地支撑的底部，任选地为独立式的，具有护台作为侧壁。

11.根据权利要求1所述的方法，其中所述渗透性控制蓄积池包含粉碎含烃材料，所述粉碎含烃材料包括油页岩、焦油砂、煤、褐煤、沥青、泥煤，生物质或它们的组合。

12.根据权利要求1所述的方法，其中所述控制基层结构基本上不含原状地质地层。

13.根据权利要求1所述的方法，其中所述可渗透主体还包括嵌入在所述可渗透主体内的多个加热导管，所述多个加热导管适于加热所述可渗透主体。

14.一种构造化渗透性控制基层结构，所述构造化渗透性控制基层结构包括：

渗透性控制蓄积池，所述渗透性控制蓄积池限定基本密闭空间，所述蓄积池包括所述基层结构的壁内的异质水合基质并且包括颗粒固相和连续液相，其中蒸气通过所述连续液相扩散，所述异质水合基质可由具有一定渗透速率的所述蒸气渗透；以及

所述密闭空间内的粉碎含烃材料，所述粉碎含烃材料形成含烃材料的可渗透主体；

其中所述异质水合基质在操作期间充分阻碍所述蒸气以将所述蒸气容纳在所述构造化渗透性控制基层结构内。

15.根据权利要求14所述的基层结构，其中所述异质水合基质包括水合土制材料，所述土制材料选自粘土、膨胀性粘土、压实填充物、耐火水泥、水泥、粘土改良泥土、压实土、低质页岩，或它们的组合。

16.根据权利要求14所述的基层结构，其中所述异质水合基质含有5体积％至20体积％的膨胀性粘土。

17.根据权利要求14所述的基层结构，其中所述异质水合基质的所述连续液相包括添加剂，所述添加剂阻碍所述渗透速率。

18.根据权利要求14所述的基层结构，其中所述渗透性控制蓄积池基本上不含原状地质地层。

19.根据权利要求14所述的基层结构，其中所述控制基层结构至少部分地包括选自粘土、膨润土、压实填充物、耐火水泥、水泥、膨润土改良泥土、压实土、低质页岩，或它们的组合的土制材料。

20.根据权利要求19所述的基层结构，其中所述构造化渗透性控制基层结构包括膨胀性粘土。

21.根据权利要求14所述的基层结构，其中所述基层结构具有在结构上由下层土地支撑的底部，并且任选地为独立式的，具有护台作为侧壁。

22.根据权利要求14所述的基层结构，其中所述粉碎含烃材料包括油页岩、焦油砂、煤、褐煤、沥青、泥煤，或它们的组合。

23.根据权利要求14所述的基层结构，其中所述可渗透主体还包括嵌入在所述可渗透主体内的多个加热导管。