CN1717531B

CN1717531B - 用于对含烃地层进行处理的方法

Info

Publication number: CN1717531B
Application number: CN200380104380.3A
Authority: CN
Inventors: H·J·维尼格; J·M·卡拉尼卡斯; K·S·汉森
Original assignee: Shell Internationale Research Maatschappij BV
Current assignee: Shell Internationale Research Maatschappij BV
Priority date: 2002-10-24
Filing date: 2003-10-24
Publication date: 2010-05-26
Anticipated expiration: 2023-10-24
Also published as: CN1717529A; CN1717529B; CN1717531A; CN1717532A; CN100359128C

Abstract

本发明公开了一种用于对含烃地层进行处理的方法。用于对含烃地层进行处理的这一方法包括操作：利用第一组加热器(158)对第一体积(162)的地层进行加热。可利用第二组加热器(158)对第二体积(164)的地层进行加热。利用一第三体积的地层将第一体积地层与第二体积地层分隔开。第一、第二、和/或第三体积地层的尺寸、形状、和/或位置被设计成能抑制地下设备的变形，该变形是由地层在加热过程中产生地质力学运动所致。

Description

用于对含烃地层进行处理的方法

技术领域

本发明总体上涉及一种用于从含烃地层中开采烃类物、氢气、和/或其它产物的方法和系统。本发明的某些实施方式涉及在对含烃地层进行就地处理过程(in situ treatment)中的分阶段和/或阵列式加热。

背景技术

从地下岩层(例如沉积岩)采得的碳氢化合物(烃类)通常被用作能源、原料、以及消费品。出于对几方面因素的考虑，人们提出了很多能更为有效地开采、处理和/或利用可获得的烃能源的方法，其中的考虑因素为：可获得的烃类能源日益枯竭，且所采得烃的总体质量水平在不断下降。就地处理方法可被用来从地下岩层中开采出烃类物质。地下岩层中的烃类物质的化学和/或物理性质可能需要进行改变，以使得烃类物质能更容易地从地下岩层中采出。化学和物理上的改变可包括就地反应，此就地反应可形成能被开采出的流体，并使地层中烃类物质的组分、溶解度、密度、相态、和/或粘度发生变化。流体可以是(但不限于)气体、液体、乳状液、流浆、和/或与液体流具有类似流动特性的固态颗粒流。

在授予Liungstrom的第2923535号美国专利和Van Meurs等人的第4886118号美国专利中描述了对油页岩地层进行加热的专利申请。可向油页岩地层加热来使油页岩地层中的干酪根热解。加热还可使地层产生裂缝，以便于增加地层的渗透率。渗透率的增加使得地层流体能流动到生产井中，流体在生产井中被从油页岩地层中提取出去。在由Ljungstrom公开的一些方法中，例如将含氧的气态介质引入可渗透的岩层中，优选地是，同时还利用一预热步骤提供热量，以引发燃烧。

US20020029882公开了一种用于对含烃地层进行就地热处理的方法，其中烃、氢气和/或其它地层流体的混合物可以从地层中生产。可以将热量施加到地层中以将一部分地层的问题提高到高温分解的温度。未裂解的部分可以保留在两个基本上裂解的部分之间以抑制地层的下沉。在此利用第一组加热器对第一体积的地层进行加热以及利用第二组加热器对第二体积的地层进行加热。

对含烃地层的干馏方法基本上可被分成两种主要的类型：地上(地面)干馏和地下(就地)干馏。对含烃地层的地上干馏法一般要涉及到采矿作业以及构建能耐受高温的金属容器。该干馏法生产出来的原油的质量通常较差，因而需要增加成本来提高原油的等级。由于要进行采掘、运输、处理、和/或处置被干馏材料，所以地上干馏法还会对环境和水源带来不利影响。许多美国专利都公开了涉及油页岩地上干馏法的技术方案。举例来讲，目前可行的地上干馏工艺包括直接、间接、和/或组合式加热方法。

就地干馏法通常包括这样的方案：在地下对含烃地层进行干馏，而无需利用采掘作业将含烃岩层从地下移出。经过改动的就地法一般需要进行一定的采掘作业，以便于在地下形成一些干馏室。就地干馏法的一种改型实例包括由Occidental Petroleum研制出的方法，该方法包括如下的操作：将地层中约20％的油页岩采掘出来，并用爆炸法破碎其余的油页岩，以便于填充被采挖开的区域，且利用重力稳定燃烧(gravity stable combustion)来燃烧油页岩，在重力稳定燃烧中，从干馏区的上部引发燃烧。就地干馏法的其它改型例包括由LawrenceLivermore实验室(“LLL”)开发出的“毛石就地开采”法(Rubble InSitu Extraction[RISE])和由伊利诺伊理工学院的研究院(“IITRI”)与LLL一起开发出的射频法，这两种方法要涉及到这样的操作：掘挖隧道并开掘水平巷，以便于在油页岩地层中安装射频天线阵列。

由于含烃地层可能基本上不具有渗透性，所以，使含烃地层(例如在注入井和生产井之间)具有渗透性将是困难的。很多方法致力于将注入井与生产井连接起来，这些方法包括：水力压裂法，此类方法例如是由Dow Chemical公司和Laramie Energy研究中心提出的方法；电力压裂法(例如由Laramie Energy研究中心提出的方法)；对石灰洞穴的酸浸法(例如由Dow Chemical公司研究出的方法)；向可渗透的苏打石区域注入蒸汽以使苏打石分解的方法(例如由壳牌石油公司和Equity石油公司提出的方法)；利用化学爆炸进行破碎的方法(例如由Talley Energy Systems开发的方法)；利用核爆炸进行破碎的方法(例如由Project Bronco开发的方法)；以及这些方法的组合方案。但是，这些方法中很多方案的运营成本较高，且缺乏足够的注入能力。

授予Dougan、且被转让于Equity石油公司的第3241611号美国专利介绍了就地干馏方法的一种实例。例如，Dougan披露了这样一种方法，其采用了这样的措施：利用天然气来向岩层输送分解干酪根的热量。加热后的天然气可被用作对干酪根进行热分解的溶剂。加热后的天然气通过透过油页岩中的孔隙而对油页岩进行溶剂-气提作用。作为载体的天然气流体与分解产物蒸气和气体一道向上流经开采井而进入到产品开采管线中，并进入和流经设置在该管线上的冷凝器，在该冷凝器中，分解物蒸气发生冷凝，只留下天然气载体流体流经一加热器，并流入到在油页岩中钻出的注入井中。

如上文概括的那样，人们已进行了大量的努力来经济地从含烃地层中开采烃、氢气、和/或其它产物的方法和系统。但是，目前仍然有很多含烃地层中的烃、氢气、和/或其它产物无法被经济地开采出来。因而，依然需要对开采方法和系统进行改进，以便于能从各种含烃地层中开采出烃类、氢气、和/或其它产物。

发明内容

在一种实施方式中，一种用于对含烃地层进行处理的方法可包括操作：利用第一组加热器对第一体积的地层进行加热。利用第二组加热器对第二体积的地层进行加热。利用一第三体积的地层将第一体积地层与第二体积地层分隔开。第一、第二、和/或第三体积地层的尺寸、形状、和/或位置被设计成能抑制地下设备的变形，该变形是由地层在加热过程中产生地质运动所致。

附图说明

在参照附图阅读了下文对优选实施方式的详细描述后，本领域技术人员能更加清楚地认识到本发明的优点，在附图中：

图1表示了对含烃地层进行加热的各个阶段；

图2中的示意图表示了一就地转化系统中一部分的实施方式，该系统用于对含烃地层进行处理；

图3表示了加热器的一种实施方式，该加热器位于一裸眼井眼(open wellbore)中，该井眼处于具有一富含层的含烃地层中；

图4表示了加热器的一种实施方式，该加热器位于一裸眼井眼中，该井眼处于具有一膨胀富含层的含烃地层中；

图5中的计算图表示了井眼半径变化与裸眼井眼加热时间之间的关系；

图6中的计算图表示了井眼半径变化与裸眼井眼加热时间之间的关系；

图7表示了加热器的一种实施方式，该加热器位于一含烃地层的裸眼井眼中，且膨大的井眼部分接近于一富含层；

图8表示了位于一裸眼井眼中的加热器的一种实施方式，其中，井眼中设置有一衬管；

图9表示了位于一裸眼井眼中的加热器的一种实施方式，其中，井眼中设置有一衬管，且地层膨胀而抵顶着衬管；

图10表示了最大应力和孔尺寸与丰度之间的关系，该关系用在对裸眼井眼进行加热的计算中；

图11中的俯视图表示了用于对含烃地层进行加热的加热器的阵列的一种实施方式；

图12中的俯视图表示了用于对含烃地层进行加热的加热器的阵列的一种实施方式；

图13表示了径向应力及衬管塌瘪强度与剩余井下直径以及衬管外径之间的关系；以及

图14表示了径向应力及导管塌瘪强度与一个比值之间的关系，该比值是导管外径与含烃地层初始井眼直径之比。

具体实施方式

尽管可对本发明作出多种改动和替换形式，但附图示例性地表示了本发明一些具体的实施方式，且在文中对其详细地进行了描述。附图可能是不合比例的。但是，应当理解：附图和详细的描述并不用来将本发明限定为所公开的特定形式，而是与此相反，本发明将覆盖所有的改型方案、等同方案、以及替代方案，只要其落入到本发明的设计思想和保护范围中既可，本发明的范围由后附的权利要求书限定。

下文的描述基本上针对的是用于对含烃地层进行处理的系统和方法。这些地层被处理成能产出质量较高的烃产物、氢气、以及其它产品。

“烃”基本上被定义为其分子主要是由碳原子和氢原子组成的物质。烃还可包括其它的元素，例如包括(但不限于)卤素、金属元素、氮、氧、和/或硫。烃可以是(但不限于)干酪根、沥青、焦沥青、原油、天然矿物腊、以及石沥青。烃可能位于或靠近大地中的矿物基质中。矿物基质可包括(但不限于)沉积岩、砂层、沉积石英岩、碳酸盐、硅藻土、以及其它多孔介质。“烃类流体”是指含有烃的流体。烃类流体中可包含、夹带或被夹带在某些非烃类流体(例如氢气“H₂”、氮气“N₂”、一氧化碳、二氧化碳、硫化氢、水及氨)中。

一个“地层”可包括一个或多个含烃层、一个或多个非含烃层、上覆岩层和/或下伏岩层。“上覆岩层”和/或“下伏岩层”包括一种或多种不同类型的非渗透性物质。例如，上覆岩层和/或下伏岩层可包括岩石、页岩、泥岩、或含水/致密碳酸盐(即不含烃的非渗透性碳酸盐)。在就地转化工艺的某些实施方式中，上覆岩层和/或下伏岩层包括一层或多层含烃层，这些含烃层的渗透性相对较差，且其在就地转化处理过程中不会受到温度的影响，从而，上覆岩层和/或下伏岩层中含烃层的特性不会发生显著的变化。例如，下伏岩层中可能会包含页岩和泥岩。在某些情况下，上覆岩层和/或下伏岩层可略微具有渗透性。

“干酪根”是指固态的、不能溶解的烃，其已被自然老化作用(例如岩化作用)所改变，其主要包含碳、氢、氮、氧及硫元素。含烃地层中可含有干酪根。“沥青”是一种非晶体的固体或粘性的烃类物质，其基本上可溶解到二硫化碳中。“原油”是指其中含有可凝结烃类混合物的流体。

术语“地层流体”和“开采流体”是指从含烃地层中采出的流体，其包括热解流体、合成气体、流动化处理后的烃类及水(蒸汽)。术语“流动化流体”是指地层中的一些流体，其由于对地层进行热处理而可以流动。地层流体包括烃类流体以及非烃类流体。

“碳原子数”是指分子式中碳原子的数目。烃类流体中可包括具有不同碳原子数的各种烃。可按照碳原子数的分布来描述烃类流体。可利用真沸点分布法和/或气液色谱法来确定出碳原子数和/或碳原子数的分布。

“热源”是指任何主要通过热传导和/或辐射传热向地层的至少一个部分输送热量的系统。例如，热源可包括电热器-例如被绝缘处理的导体、细长件、和/或设置在管道内的导体。热源还包括通过在地层外部或内部燃烧燃料来产生热量的热源，这样的热源例如是地表燃烧炉、井下气体燃烧器、无焰分布式燃烧器、以及自然分布式燃烧器。热源还包括这样的加热器：其向接近和/或环绕着加热地点的区域提供热量，例如为加热器井。

“加热器”是指任何能在井内或井眼附近区域产生热量的系统。加热器可以是但不限于电热器、燃烧炉、与地层中物质或产出物发生反应的燃烧器(例如自然分布式燃烧器)、和/或这些加热器的组合形式。“热源单元”是指一定数目的热源，它们构成了一个基元(template)，重复这些基元就可在地层中形成一热源阵列。

术语“井眼”是指通过向地层内钻进或将管道插入到地层中而在地层中形成的孔眼。井眼的横截面基本上为圆形，或者也可以是其它的形状(例如圆形、椭圆形、方形、矩形、三角形、狭槽形、或者其它规则或不规则的形状)。在本文的语境中，如果是指地层中的开孔，则术语“井”、“井孔”可与术语“井眼”互换使用。

“热解”是指由于施加热量而使化学键断裂的情况。例如，热解可包括操作：仅利用热量来将一种化合物改变为一种或多种其它物质。可对一定区域的地层加热来造成热解。

“热解流体”或“热解产品”是指主要是在对烃类进行热解过程中产生的流体。由热解反应产生的流体可能会与地层中的其它流体混合到一起。该混合物也可被看作是热解流体或热解产品。在本文的语境中，“热解区”是指被反应或起反应而形成热解流体的地层体积。

“热叠加”是指由两个或多个热源向地层的选定区域提供热量，以便于在各热源之间的至少一个位置处，地层的温度受到各个热源的影响。

“流体压力”是指地层中流体所产生的压力。“岩石静压力”(有时也被称为岩石静应力)是指地层内部由上方岩石重量产生的压力，其等于单位面积内岩石的重量。“静压力”是指地层中由水柱施加的压力。

“可冷凝烃”是指在一个绝对大气压力下在25℃时可冷凝的烃类。可冷凝烃可包括碳原子数大于4的烃混合物。“不可冷凝烃”是指在一个绝对大气压力下和25℃条件下不会冷凝的烃。不可冷凝烃类中可包含碳原子数小于5的烃类物。

“重烃”是指粘性的烃类流体。重烃可包括高粘度的烃类流体，例如重油、焦油、和/或沥青。重烃中可包含碳、氢以及小浓度的硫、氧及氮。重烃中还可包含其它的微量元素。可按照API重度来对重烃进行分类。重烃的API重度一般小于20°。例如，重油的API重度一般约为10-20°，而焦油的API重度一般小于10°。重烃在15℃上的粘度一般大于100厘泊。重烃还可包括芳烃或其它复杂的环烃。

可按照多种方式来处理地层中的烃类以产出许多种不同的产品。在某些实施方式中，可分阶段地对地层进行处理。图1表示了对含烃地层进行加热的几个阶段。图1还表示出了含烃地层的地层流体产量(y轴，油当量桶数/吨)与地层温度(x轴，单位℃)之间的一种示例性关系。

在第一阶段的加热过程中，脱除吸附的甲烷并使水蒸发。对地层的加热应使其尽可能快地经过阶段1。例如，在对含烃地层加热的初期，地层中的烃类将脱附掉所吸附的甲烷。脱附掉的甲烷可被从地层中开采出来。如果对含烃地层进一步加热，则含烃地层中的水会被蒸发。在某些含烃地层中，水在地层孔隙体积中所占的比例约在10％-50％之间。在其它的地层中，水在地层孔隙体积中所占的部分可更大或更小。在约6绝对巴到70绝对巴的压力条件下，通常约在160℃到285℃的范围内，地层中的水发生汽化。在某些实施方式中，汽化后的水可使地层的湿度发生变化和/或增大地层压力。湿度的改变和/或压力的增大可能会影响地层中的热解反应或其它反应。在某些实施方式中，汽化后的水可从地层中开采出来。在另外一些实施方式中，汽化水可被用来在地层中或地层外进行气提和/或蒸馏。将水从地层中清除出去、并增大地层的孔隙体积可增大孔隙中存储烃类的空间。

在阶段1加热之后，可对地层进一步地加热，以使得地层内的温度(至少)达到热解起始温度(例如图中阶段2所示温度范围的下限)。在阶段2的整个过程中，地层中的烃类都被进行热解。热解温度的范围可随地层中烃类型的不同而不同。热解温度范围可包括约250℃到900℃之间的温度。用于形成所需产品的热解温度范围只占总热解温度范围中的一个部分。在某些实施方式中，用于形成所需产品的热解温度范围包括约250℃到400℃之间的温度。如果地层中烃的温度缓慢上升而经过约250℃-400℃的温度区间，则当温度达到400℃时，热解产品的生产基本上是充分的。利用多个热源对含烃地层进行加热可在热源周围建立起热梯度，该热梯度可将地层中烃类的温度缓慢升高，以此来经过热解温度范围。

在某些就地转化法的实施方式中，要被进行热解的烃类的温度并非在约250℃到400℃的整个温度区间内缓慢地上升。可将地层中的烃类加热到一个理想的温度(例如约325℃)。还可选择其它的温度作为理想温度。多热源的热量叠加使地层中的温度能较快而有效地达到所需温度。可对从热源向地层输入的能量进行调节，以将地层中的温度基本保持在所需的温度上。可将烃类基本上保持在所需的温度上，直到热解反应衰退为止，由此可避免从地层中生产出所需地层流体的作业变得不经济。发生热解的地层部分可包括这样一些区域：其由于接收到只从一个热源传来的热量而被加热到热解温度。

包含热解流体的地层流体可从地层中开采出来。热解流体可包括(但不限于)：烃、氢气、二氧化碳、一氧化碳、硫化氢、氨、氮、水及这些物质的混合物。随着地层温度的升高，汇集到地层开采流体中的可冷凝烃趋于增多。在很高的温度上，从地层中生产出来的大部分产品是甲烷和/或氢气。如果含烃地层被加热到经过了整个热解范围，则在趋近热解范围上限的过程中，地层只能生产出少量的氢气。在所有能获得的氢气被采净之后，通常会出现从地层中产出少量流体的情况。

在对烃类进行热解之后，地层中会存在大量的碳和一定量的氢。地层中剩余碳元素的绝大部分以合成气体的形式从地层中开采出来。在图1中第三阶段的加热过程中，产生出合成气体。阶段3可包括操作：将含烃地层加热到足以产生合成气体的温度。例如，在约400℃到1200℃的温度范围内，可生产出合成气体。当可产生合成气体的流体被引入地层中时，地层温度就决定了地层中产生的合成气体的组分。如果可产生合成气体的流体被引入到其温度足以产生合成气体的地层中，则在该地层中就会产生合成气体。可利用一个或多个生产井将产出的合成气体从地层中清出。在产生合成气体的过程中，能产出大量的合成气体。

在热解和产生合成气体的整个过程中，从含烃地层中开采出的流体的总能量含量可能保持得较为恒定。在地层温度较低的热解过程中，产出流体的绝大部分是能量含量很高的可冷凝烃。然而，在较高的热解温度下，很少的地层流体可以包含可冷凝烃。从地层中开采出来的流体更多的是不可冷凝的地层流体。在产生主要的非冷凝性地层流体的过程中，单位体积的产出流体中的能量含量将略微降低。在产生合成气体的过程中，单位体积的产出合成气体中的能量含量相比于热解流体的能量含量已大幅地减小。但在很多实际情况下，生产出的合成气体的体积将有很大的增加，由此可补偿能量含量的下降。

地层中的每一含烃层可具有一潜在的地层流体产能或丰度。含烃层的丰度在同一含烃层中也存在变化，且地层中不同含烃层之间的丰度也是不同的。丰度取决于很多因素，这些因素包括：含烃层的形成条件；层中的烃类含量；和/或层中烃类的组分。可按照多种方式来估计含烃层的丰度。例如可以用费歇分析法来测量丰度。费歇分析法是一种标准的方法，其采取的措施是：将含烃层的样品在一个小时内加热到约500℃，收集从受热样品中产出的产物，并确定所产出产物的数量。可利用诸如取芯或任何其它取样方法来从含烃地层中取出含烃层的样品。

就地转化法可被用来处理其含烃层厚度约大于10m的地层。厚的地层能布置热源，从而能使不同热源发出的热量有效地叠加起来，以将地层加热到所需的温度。在含烃层厚度小于10m的地层中也能用就地转化法进行处理。在对薄含烃层的地层进行就地转化处理的某些实施方式中，热源沿含烃层的长度方向(例如利用水平或定向钻进措施)插入到含烃层中或其附近。一个或多个薄含烃层散失到上方层或下方层的热量可由地层所产出流体的数量和/或质量抵消。

图2示意性地表示了用于对含烃地层进行处理的就地转化系统中一部分的实施方式。可在含烃地层的至少一个部分中设置热源108。热源108例如可包括一些电热器(其例如是被绝缘开的导体)、设置在管道内的导体的加热器、地表燃烧炉、无焰分布式燃烧器、和/或自然分布式燃烧器。热源108还可包括其它类型的加热器。热源108向含烃地层的至少一个部分提供热量。可通过输送管线110向热源108供能。根据用于加热地层的一个或多个热源的不同类型，输送管线110可具有不同的结构。热源的输送管线110向电热器传送电能，向燃烧器则输送燃料，或者还可输送在地层中循环流动的热交换流体。

生产井112用来将地层流体从地层中清除出去。生产井112生产出的地层流体经汇流管114传送到处理设备116中。地层流体也能从热源108开采出来。例如，可由热源108产出流体，以控制热源附近地层的压力。从热源108采出的流体经一些管路或管道传送到汇流管114，或者，采出的流体也可经管路或管道直接传送给处理设备116。处理设备116可包括分离单元、反应单元、提纯单元、燃料电池、涡轮机、储存罐塔、以及用于对产出的地层流体进行处理的其它系统和单元。

用于对烃类进行处理的就地转化系统可包括屏障井118(barrierwell)。屏障井用来在处理区的周围形成一个屏障。该屏障可阻挡流体流入和/或流出处理区。屏障井可以是(但不限于)排水井(减压井)、俘集井(capture well)、注入井、灌浆井、或冷冻井。在某些实施方式中，屏障井118可以是排水井。排水井可将液态水去除、和/或阻止液态水进入到要被加热或正被加热的含烃地层的某一部分中。多个水井可设置在全部或部分被加热地层的周围。在图2所示的实施方式中，排水井被表示为仅沿热源108的一侧延伸，但通常排水井环围着所有被使用的或将被使用的、用于加热地层的热源108。

如图2所示，除了热源108之外，一般在含烃地层的这一部分中还设置了一个或多个生产井112。可从生产井112将地层流体开采出来。在某些实施方式中，生产井112中可包括一热源。热源可加热生产井处或靠近生产井的地层部分，并允许蒸气相从地层流体中排出。从而可降低或消除对生产井中的液体进行高温泵送的要求。避免或抑制对液体的高温泵送能显著降低生产成本。在生产井处加热或利用生产井加热将会带来如下的效果：(1)防止产出流体在靠近上覆岩层的生产井中流动时发生冷凝和/或回流；(2)增加地层的热量输入；和/或(3)增加生产井处地层或附近地层的渗透率。在就地转化法的某些实施方式中，输送给生产井的热量远少于供给加热地层的热源的热量。

就地转化法的某些实施方式可包括这样的措施：由一个或多个热源向含烃地层的第一部分输送热量。可从该第一部分开采出地层流体。通过将第二地层部分的温度保持在地层中烃类热解温度以下，使这部分地层保持未热解状态。在某些实施方式中，第二部分地层或其绝大部分保持着不受热的状态。

仍未热解的第二部分可邻近受到热解反应的第一部分地层。第二部分地层提供了地层的结构强度。第二部分地层可位于第一部分与第三部分之间。可从第三部分地层中开采出地层流体。被处理的地层可以具有一定的类似于条纹图案或棋盘图案的阵列样式，该图案具有交替布置的热解部分和非热解部分。在就地转化法的某些实施方式中，可在经过就地转化处理的地层中保留一些不受热解处理的条区。

在地层中受热解处理部分中的非热解地层部分可为地层提供结构强度。该结构强度可阻止地层的下陷。抑制地层的下陷可减少或解决沉陷问题，这些问题例如是：地表高度改变和/或由于地层变得致密而使流体在地层中的流动性和渗透性降低。

在就地转化法的某些实施方式中，可按照约0.1℃/天到50℃/天的加热速率对一部分含烃地层进行加热。作为备选方案，也可按照约0.1℃/天到10℃/天的加热速率对一部分含烃地层进行加热。例如，加热速度在约0.1℃/天到10℃/天的范围内，可从地层中开采出大部分烃类。此外，在热解温度范围的大部分区间内，可按照小于0.7℃/天的加热速率对含烃地层进行加热。此热解温度范围可包括上述实施方式中所述的温度区间。例如，按照该加热速率对被加热部分进行加热的时间可大于跨过该温度范围所需时间的50％、75％、或90％。

含烃地层中的地下压力可能会对应于地层中产出流体的压力。对含烃地层中的烃类进行加热可通过利用热解作用而产出流体。所产出的流体会在地层中汽化。汽化和热解反应可增大地层内的压力。有助于增大地层中压力的流体包括(但不限于)热解过程中所产出的流体和加热过程中被汽化的水。随着受热地层部分中选定区域的温度不断升高，由于流体的产出量和水的汽化量增大，选定区域内的压力也将增加。对将从地层中除去流体的速率进行控制就能对地层中的压力进行控制。

在某些实施方式中，含烃地层的受热部分的某一选定区域中的压力将基于一些因素发生改变，这些因素例如是深度、相距热源的距离、含烃地层中烃的丰度、和/或距离生产井的距离。可在数个不同的地点(例如在生产井处或靠近生产井处、热源处或接近热源处、或在监测井处)确定地层内的压力。

可以在使含烃地层达到很大的渗透率之前将含烃地层加热到热解温度范围。在初始时较差的渗透性将能阻止地层热解区域中产出的流体移动到生产井中。随着热量开始从热源向含烃地层传递，热源附近含烃地层中的流体压力将会增大。流体压力增大的原因可能在于：在对地层中至少部分烃类进行热解的过程中产生了流体。可借助于热源来释放、监测、改变、和/或控制增大的流体压力。例如，热源可带有一阀门，其允许将部分流体从地层中放出。在热源的某些实施方式中，热源可包括一裸眼井眼构造，其可防止压力对热源造成损坏。

在就地转化法的某些实施方式中，尽管地层中可能并不存在通向生产井或其它压差处的通路，但允许由地层中产出的热解流体或其它流体膨胀而产生的压力不断增加。流体压力可增加到岩石静压力。当流体压力接近于岩石静压力时，含烃地层中将会出现裂缝，例如可形成从热源到生产井的裂缝。受热部分中所产生的裂缝将缓解此地层部分中的部分压力。

在就地转化法的一种实施方式中，在进行热解过程中，一部分含烃地层中选定区域内的压力会增大到某一选定压力。该选定压力可在约2绝对巴到72绝对巴的范围内，或者在某些实施方式中，在2绝对巴到36绝对巴之间。作为备选方案，选定压力可以在约2绝对巴到18绝对巴的范围内。在就地转化法的某些实施方式中，其压力在约2绝对巴到18绝对巴范围内的地层可产出大部分的烃类流体。在热解过程中，压力可发生变化或变动。可通过改变压力来改变和/或控制所产出地层流体的组分、可冷凝流体相对于不可冷凝流体的百分比、和/或所产出流体的API重度。例如，降低压力将导致产出流体中可冷凝组分增多。可冷凝流体组分中可包含较多百分比的烯烃。

在就地转化法的某些实施方式中，在地层的受热部分中，由于产出流体而增大的压力可获得保持。保持地层中增大的压力可阻止地层在就地转化过程中发生下陷。在热解过程中，地层压力的增大可促进高品质产物的生成。地层压力的增大将有助于地层中产出蒸气相流体。蒸气相的生产将允许缩小用于将产出流体从地层输送出去的汇流管的尺寸。地层压力的增大将减轻或消除如下的需求：在地面上对地层流体进行压缩，以便于将汇流管中的流体运送给处理设备。

保持地层中增大的压力还可生产出更多的地层流体和/或改善的地层流体。在就地转化法的某些实施方式中，从地层中产出的很大一部分(例如主要部分)烃类流体是非冷凝性的烃。可选择性地增大和/或保持地层中的压力以促进地层中产生出短链的烃类。在地层中产生出短链烃将使地层产出更多的非冷凝烃类。在较高压力下从地层中产出的可冷凝烃类的品质要比在低压下产出的可冷凝烃类的品质要好(例如API重度更高)。

可保持含烃地层受热部分中的高压以阻止产出高碳原子数(例如大于25)的地层流体。在地层中，某些高碳原子数的化合物可被夹带在蒸气中，并可被从地层中随蒸气清除出去。地层中的高压将抑制蒸气中夹带高碳原子数化合物和/或多环烃化合物。提高含烃地层中的压力可增大该部分中流体的沸点。从而在很长的时间内，高碳数化合物和/或多环烃化合物都可留在地层中的液相中。该很长的时间可为化合物的热解过程提供足够长的时间，以便于形成低碳原子数的化合物。

令人惊奇的是，保持地层受热部分中的高压能产出大量品质提高的烃类。较高的压力能阻止大分子量的烃发生汽化。阻止大分子量的烃类汽化将导致大分子量的烃留在地层中。在地层中，大分子量的烃类会与小分子量的烃类发生反应而使小分子量的烃类汽化。汽化后的烃类将更易于穿透地层而被输送出去。

产出小分子量烃类(对应于蒸气相的输送量增大)的原因被认为部分是由于在含烃地层内自发地产生了氢气、且氢气发生反应所致。例如，保持着增大的压力将迫使热解过程中产生的氢气变为液相(例如通过溶解作用)。将该部分加热到热解温度范围内的某一温度就会使烃类在地层中热解，从而产生出液相的热解流体。所产出的组分可包括双键物和/或化学基团。处于液相的H₂会减少所产出热解流体中的双键数，由此降低了由所产出的热解流体聚合成或形成长链化合物的可能性。此外，氢气还会将所产出的热解流体中的基团中和。因而，处于液相态的H₂将阻止热解生成的流体相互反应和/或与地层中的其它化合物反应。短链的烃将变为蒸气相，并可被从地层中开采出来。

在压力增高条件下进行就地转化法将能从地层中开采出蒸气相的地层流体产物。蒸气相的生产将会提高对轻质(品质较高)热解流体的采收率。生产蒸气相将导致地层流体在被热解反应开采出来之后、只有很少的地层流体被留在地层中。生产蒸气相将使得地层中的生产井数目小于采用液相或液/蒸气相形式生产时的生产井数。更少的生产井数能显著降低与就地转化法有关的设备成本。

在一实施方式中，对一部分含烃地层进行加热，以便于提高H₂的分压。在某些实施方式中，H₂分压的提高将包括这样的情况：H₂的分压在约0.5绝对巴到7绝对巴的范围内。作为备选方案，H₂分压范围的提高将包括这样的情况：H₂分压在约5绝对巴到7绝对巴之间的范围内。举例来讲，如果H₂的分压在约5绝对巴到7绝对巴的范围内，则能开采出大部分烃类流体。在热解H₂的分压范围内，H₂的分压例如将根据地层受热部分的温度和压力而发生变化。

将地层中H₂的分压保持为大于大气压力将会提高所产出的可冷凝烃类流体的API值。保持增大了的H₂分压能将所产出的可冷凝烃类流体的API值提高到大于约25°，或者在某些实例中可大于30°。保持着含烃地层受热部分中增大了的H₂分压将提高H₂在受热部分中的浓度。H₂能与烃类中的热解组分发生反应。H₂与烃类中热解组分的反应将降低烯烃聚合成为焦油或其它交联的、难于提高等级产品的可能性。因而，可防止生产出低API重度值的烃类流体。

控制含烃地层中的压力和温度将使所产出地层流体的性质得到控制。例如，可通过改变受热地层部分选定区域内的平均压力和/或平均温度，来改变从地层中生产出的地层流体的组分和质量。可基于产出流体的特性来评价流体的质量，其中的特性例如是(但不限于)API重度、所产出地层流体中烯烃的百分比、乙烯对乙烷的比值、氢原子与碳原子的比值、所产出地层流体中碳原子数大于25的烃类的百分比、总当量产量(气体和液体)、液体的总产量、和/或表示为费歇分析百分数的液体产量。

在就地转化法的一种实施方式中，在就地将含烃地层的一个部分加热到低于热解温度上限的温度上，由此可增大受热部分的渗透率。渗透率的增大是由于在受热部分中形成了热裂纹所致。可利用地层的热膨胀和/或利用局部压力增加来产生热裂缝，其中，局部压力的增加是由于地层中的液体(例如水和/或烃类)发生汽化所致。随着受热部分温度的升高，地层中的水被汽化。被汽化的水可从地层中散逸出去和/或被从地层中清除。将水清除出去也能提高受热部分的渗透率。此外，受热部分渗透率的增加还是地层质量损失的结果，地层的质量损失是由于地层中产生了热解流体。可利用生产井将热解流体从地层中清除出。

利用布置在地层中的热源对地层进行加热可以使含烃地层受热部分的渗透率基本上变得一致。基本一致的渗透率能阻止地层流体在地层中出现窜流现象，并使受热地层基本上所有部分都在进行生产。对渗透率基本上一致的地层的任意选定部分估算(例如计算出或估计出)出一个渗透率，该渗透率与选定区域的平均估计渗透率相比的变化不大于系数10。

如果含烃地层受热部分中某一选定区域由传导方式进行加热，则该选定区域的渗透率就会迅速地增加。在某些实施方式中，在含烃地层至少一个部分处进行的热解可增加受热部分选定区域中的渗透率，将其提高到大于10毫达西、100毫达西、1达西、10达西、20达西或50达西。受热部分选定区域渗透率可增加到约100、1000、10000、100000或以上倍。

在就地转化法的某些实施方式中，一个或多个热源发出热量的叠加(例如作用重叠)可使对含烃地层某一部分的加热基本上达到均匀。在加热过程中，由于地层的温度分布通常具有一定的梯度，所以，“基本均匀”的加热就意味着：被处理的选定区域(体积)中大部分区域的温度相对于选定区域大部分区域的估算平均温度的变化不超过100℃，其中，在温度的梯度分布中，靠近热源处的温度最高，且随着距离热源的距离增大，温度逐渐降低。

在一实施方式中，直到地层中的至少某些烃类被热解时为止，才停止从地层中开采烃。在产出混合物具有选定品质(例如API重度、氢气浓度、芳族含量等)的情况下，从地层中生产出混合物。在某些实施方式中，选定的品质包括：API重度至少应当约20°、30°、或40°。直到至少某些烃类被热解为止时停止开采的设计能增加将重烃类转化为轻烃类的量。禁止在起始时进行生产可减少从地层中开采出的重烃类。产出大量的重烃类将需要价格昂贵的设备和/或降低生产设备的工作寿命。

如果停止从地层中开采出烃类，则地层中的压力就趋于随温度而增大，其原因在于地层中的重烃类和其它流体(例如水)会发生热膨胀和/或相变。可能必须要将地层中的压力保持在一个选定的压力以下，以防止出现不希望的生产、上覆岩层或下伏岩层的断裂、和/或地层中的烃被焦化。选定压力可以是岩层静压力或地层的静液压力。例如，选定压力可以约为150绝对巴，或者在某些实施方式中，选定压力约为35绝对巴。可通过控制地层中生产井的产量来控制地层中的压力。在其它一些实施方式中，通过利用地层中的一个或多个减压井来释放压力来对地层压力进行控制。减压井可以是热源或插入到地层中的隔离井。经减压井从地层中排出的地层流体可被输送给处理设施。从地层中开采出至少一些烃类能防止地层压力升高到选定压力之上。

在某些含烃地层(例如Green River油页岩)中，存在一个或多个含烃层，它们的特征在于其丰度显著高于地层中的其它层。这些富含层相对较薄(通常约0.2m到0.5m厚)，并在整个地层中相互间隔开。富含层的丰度一般约0.150L/kg或更大。这些富含层的丰度可大于约0.170L/kg、约0.190L/kg、或0.210L/kg。地层中其它层(即含烃相对较贫的层)的丰度约为0.100L/kg或更少，且它们的厚度通常要厚于富含层。例如可借助于取芯操作以及随后对岩芯进行费歇分析法、密度测井或中子测井法、或其它测井方法来确定出各层的丰度和位置。

图3表示了加热器的一种实施方式，该加热器位于一裸眼井眼中，该井眼处于具有一富含层的含烃地层中。井孔120可位于含烃层122中。含烃层122可包括一个或多个富含层124。含烃层122中相对较贫乏层126的丰度小于富含层124的丰度。加热器128可被布置在井孔120中。在某些实施方式中，井孔120可以是裸眼或无套管的井眼。

富含层124在初始时的导热率小于地层中其它层的导热率。一般情况下，富含层124的导热率低于贫乏层126导热率的1.5到3倍。例如，富含层的导热率约为1.5×10^-3cal/cm·sec·℃，而地层中贫乏层的导热率约为3.5×10^-3cal/cm·sec·℃。此外，富含层124的热膨胀系数大于地层中贫乏层的热膨胀系数。例如，油页岩中含量为57加仑/吨(0.24L/kg)的富含层的热膨胀系数约为2.2×10^-2％/℃，而油页岩中含量约为13加仑/吨(0.05L/kg)的贫乏层的热膨胀系数约为0.63×10^-2％/℃。

由于富含层124的导热率低，所以，在对井孔120周围的地层进行加热的过程中，富含层可在加热器上造成“热点”。这些“热点”的产生是由于：富含层的导热率较低，井孔120中加热器所产生的热量无法经富含层124而容易地传递到含烃层122中。因而，在早期加热阶段期间，热量趋于留在井孔120的井壁或其附近。

从富含层124膨胀到井眼中的物质所受到的应力小于地层物质所受到的应力。热膨胀和热解可使膨胀到井眼中的烃类物质发生另外断裂和剥落。因而，在对膨胀到井眼中的物质进行热解之后，膨胀物质的导热率将低于地层中热解物质的导热率。在低应力条件下，热解可使物质进一步地断裂和/或剥落，因而造成导热率的下降。由于膨胀到井眼中的热解后物质所受应力很低，造成物质的导热率很低(也就是说，与仍然留在地层中的热解后物质不同，膨胀到井眼中的热解后物质将不再受到那么大的应力)。应力的释放趋于降低膨胀和热解后物质的导热率。

在富含层124形成“热点”之后，由于井壁处的热量增加以及富含层的热膨胀系数更高，富含层中的烃类将趋于按照比地层中其它层更快的膨胀率进行膨胀。地层膨胀到井眼中的情况将减少向地层的辐射热传递。辐射热传递的降低是由于几方面的原因，这些原因包括(但不限于)：物质与加热器相接触，从而停止了辐射传热；以及减小了井眼的半径，这将限制辐射热进行传递的表面积。辐射传热的减小将导致辐射传热性能下降区附近具有更高的加热器温度。

由于富含层的导热率很低和/或其热膨胀系数很高，富含层124的膨胀速率远快于贫乏层的膨胀速率。如果井眼密合地贴接着加热器，则物质的膨胀将向加热器施加很大的压力。井眼密合或基本上密合地贴接着加热器还会阻止流体在地层的不同层之间流动。在某些实施方式中，由于井眼密合或基本上密合地贴接着加热器，所以流体被封在井眼内。

图4表示了加热器128的一种实施方式，其位于一带有膨胀的富含层124的井孔120中。如图4所示，在某些实施方式中，井孔120可由于富含层124的膨胀而被封隔(即加热器与井壁之间的环形空间将被膨胀后的物质封闭)。将井孔的环形空间封闭会将井孔中的流体圈闭在膨胀后的富含层之间。流体的圈闭能使井眼中的压力增加到理想限度之上。在某些条件下，增大的压力会造成地层的断裂，或者造成加热器井的破裂，这将使流体出人意料地与地层中的井孔相通。在某些情况下，增大的压力将超过加热器的变形压力。抵接着加热器的富含层中的物质膨胀也会造成加热器的变形。圈闭在膨胀后的物质与加热器之间分界面处的气体所形成的压力也会造成变形。由于进行加热、断裂、和/或热解，圈闭气体的压力将会增大。加热器的变形可能造成加热器停止工作或失效。因而，需要减小富含层中物质的膨胀、和/或阻止井眼中加热器的变形，以使加热器能正常地工作。

在早期加热过程中(例如通常首先以820瓦/米的热量注入率进行15天或30天的加热)，富含层会产生很大的膨胀量。一般情况下，大部分膨胀发生在井眼区域附近约200℃以下的条件下。例如，在达到约200℃的情况下，丰度为0.189L/kg的含烃层将膨胀约5cm，这具体取决于几方面因素，这些因素例如是(但不限于)加热速率、地层应力、以及井眼直径。在就地处理法的早期阶段，对地层中富含层的膨胀进行补偿的方法是一个焦点。在开始对地层进行加热之前，估计或确定出在对地层进行加热过程中或过程后出现的膨胀量。因而，可留出一定的余量，以补偿地层中富含层和/或贫乏层的热膨胀。可基于几方面因素估计出由对地层进行加热而产生的膨胀量，这些因素例如是(但不限于)：对地层中各层丰度的测量值或估计值；地层中各层的导热率；地层中各层的热膨胀系数(例如线性热膨胀系数)；地层应力、以及地层中各层的预期温度。

图5表示了一些模拟结果(利用一油藏模拟器[STARS]和一机械模拟器[ABAQUES]获得)，该图表示的是在一裸眼井眼中、对20加仑/吨(0.084L/kg)的油页岩进行加热时井眼半径随时间的变化关系，其中，曲线130表示的是发热量为820瓦/米时的情况，曲线132表示的是发热量为1150瓦/米时的情况。如图5所示，当发热量从820瓦特/米增加到1150瓦特/米时，20加仑/吨的油页岩的最大膨胀从约0.38cm增加到0.48cm。图6表示了井眼半径与加热时间之间关系的计算结果，其中，在一裸眼井眼中对丰度为50加仑/吨(0.21L/kg)的油页岩进行加热，曲线134表示了是发热量为820瓦/米时的情况，曲线136表示的是发热量为1150瓦/米时的情况。如图6所示，当发热量从820瓦特/米增加到1150瓦特/米时，丰度为50加仑/吨的油页岩的最大膨胀从约8.2cm增加到10cm。因而，地层的膨胀取决于地层的丰度、地层中的各个层、以及向地层的发热量。

在一实施方式中，井孔120具有更大的直径，以防止富含层124膨胀后将环形空间封隔开。普通井孔的直径约为16.5cm。在某些实施方式中，加热器128的直径约为7.3cm。因而，富含层124膨胀约4.6cm就能封堵住环形空间。如果井孔120的直径被增加到约30cm，则要将环形空间封堵住就需要约11.3cm的膨胀量。井孔120的直径可被选择为能允许富含层124具有一定的膨胀量。在某些实施方式中，井孔120的直径可大于约20cm、30cm、或40cm。较大的井眼或井孔还能增大通过辐射从加热器传递给地层的热量。辐射传热方式在将井孔中的热量传出方面更为有效。可根据各层的丰度估计出富含层124的预期膨胀量。井孔120的直径可被选择为这样：在膨胀之后，富含层的的最大膨胀量也能使加热器与地层之间保留最小的间隙。保持加热器与地层之间的最小间隙将能防止由于材料膨胀到井孔中而造成加热器的变形。在一实施方式中，加热器与地层之间在膨胀之后的最小理想间隙至少约为0.25cm、0.5cm、或1cm。在某些实施方式中，最小间隙可至少约为1.25cm或至少约1.5cm，还可达到约3cm、4cm、或5cm。

在某些实施方式中，如图7所示，井孔120可出现扩张而接近于富含层124，从而在富含层膨胀之后，加热器与地层之间可保持最小的间隙。可通过对井孔120进行少量扩孔以使其扩张而接近于富含层。例如，可使用偏心钻头、扩孔钻头、或带有磨料颗粒的高压水柱来将井孔扩张到富含层的附近。井孔120可被扩张成超出富含层124的边界，因而也会从贫乏层126中去掉一些材料。井孔120重叠到贫乏层126的扩张将进一步允许富含层出现膨胀和/或其深度或尺寸出现任何可能的不确定。

如图7所示，在另一实施方式中，加热器128可具有一些区段138，其接近富含层124，其所提供的发热量小于对贫乏层126加热的区段140的热量输出。区段138向富含层124提供的热量较少，从而使富含层的受热速率小于贫乏层126的速率。向富含层124输送较少的热量将会降低富含层附近的井眼温度，因而会降低富含层总的膨胀量。在一实施方式中，区段138的发热量约为区段140发热量的一半。在某些实施方式中，区段138的发热量小于区段140发热量的约0.75、0.5、或者1/3。通常情况下，可将对富含层124的加热速率降低到一定的发热量上，该发热量能限制富含层124的膨胀，从而在膨胀后能使加热器128与富含层124在井孔120中保持最小的间隙。可对加热器128的发热量进行控制，以便于向富含层附近提供较少的发热量。在某些实施方式中，可将加热器128设计或改造为向富含层的附近提供较少的发热量。此类加热器的实例包括具备温度限制特性的加热器，例如居里温度加热器、富含层附近区段电阻较小的特制加热器等。

在某些实施方式中，在富含层124膨胀之后(例如在以820瓦/米加热15到30天之后)，可将井孔120重新打开。如图4所示，在利用加热器128对地层进行加热的过程中，允许富含层124的物质膨胀到井孔120中。如图3所示，在物质膨胀到井孔120中之后，可将井孔中的环形空间重新打开。重新打开井孔120环形空间的作业可包括：在膨胀之后，利用钻头或任何其它方法将膨胀到井孔中的物质清除，以此来对井眼进行冲刷(over washing)。

在某些实施方式中，可在不同的深度上将压力管(例如毛细压力管)联接到加热器上，以判断地层中的物质是否和/或何时已膨胀、并将环形空间密封。在某些实施方式中，利用对不同深度上的压力进行对比来确定出何时应当对井孔进行重新打开。在某些实施方式中，采用一光学传感器(例如纤维光缆)，其能检测膨胀挤压着加热器或管道的地层材料中的应力。这些光学传感器同时可利用布里渊散射法测量出应力曲线图和温度曲线图。可利用这些测量结果来控制加热器的温度(例如降低高应力位置处或附近的加热器的温度)，以防止加热器或管道受膨胀后地层物质的应力作用而发生变形。

在某些实施方式中，可在富含层124和/或贫乏层126上射孔。对富含层124和/或贫乏层126射孔将允许这些层中的物质发生膨胀，从而防止或减弱了物质向井孔120中的膨胀。可利用射孔设备(例如射孔弹或喷射式射孔器)在富含层124和/或贫乏层126中形成一些孔眼。在下套管的井眼和裸眼的井眼中都可形成这些孔眼。这些孔眼的直径约小于1cm、2cm、或3cm。在某些实施方式中，也可形成较大的孔眼。这些孔眼被设计成提供或留出地层进行膨胀的空间。孔眼还可削弱地层的岩石基质，从而如果地层不发生膨胀，其将施加较小的作用力。在某些实施方式中，不是使用射孔枪，而是将地层压裂。

在某些实施方式中，可在裸眼的井眼中设置一衬管或套管，以阻止在对地层进行加热过程中井眼发生坍塌。图8表示了加热器的一种实施方式，其位于一裸眼的井眼中，井孔中设置有一衬管。衬管142可被放置到含烃层122中的井孔120内。衬管142可包括第一区段144和第二区段146。第一区段144所处位置靠近贫乏层126。第二区段146的位置靠近富含层124。第二区段146的厚度大于第一区段144的厚度。另外，可使用比第一区段144的材料更坚固的材料来制造第二区段146。

在一实施方式中，第一区段144是用约2cm厚的碳钢制成的，而第二区段146是用约4cm厚的

(可从Haynes国际公司[Kokomo公司]购得)制成的。第一区段144和第二区段146的厚度可在约0.5cm到10cm之间变化。可根据几方面的因素选择第一区段144和第二区段146的厚度，这些因素包括(但不限于)井孔120的直径、加热器128向含烃层122的理想传热率、和/或阻止衬管142塌瘪所需的机械强度。还可使用其它材料来制造第一区段144和第二区段146。例如，第一区段144可包括(但不限于)碳钢、不锈钢、铝等材料。第二区段146可包括(但不限于)304H不锈钢、316H不锈钢、347H不锈钢、合金800H或合金800HT(都可从Special Metals公司[New Hartford，NY]公司购得)、625等。

图9表示了加热器的一种实施方式，其位于一裸眼井眼中，在井孔中设置有一衬管，且地层发生膨胀而抵接着衬管。在对地层进行加热的过程中，第二区段146可防止富含层124中的材料封堵了井孔120中的环形空间(位于衬管142与加热器128之间)。第二区段146的强度足以阻止或减慢富含层124中物质的膨胀。可在衬管142上设置一个或多个孔眼148，以允许流体从位于衬管142与井孔120壁之间的环形空间流到衬管与加热器128之间的环形空间内。因而，在富含层124的膨胀过程中，衬管142可在其与加热器128之间保留一个开通的环形空间，从而使流体能继续流经环形空间。保持井孔120中流路的畅通可防止井眼中压力升高。第二区段146还能防止将衬管142与加热器128之间的环形空间封堵住，从而防止形成热点，由此使加热器能正常地工作。

如图8和图9所示，在某些实施方式中，可在井孔120中设置导管150。导管150可具有一个或多个孔眼，以便于向井孔120输送流体。在一实施方式中，可向井孔120输送蒸汽。蒸汽可防止沿衬管142长度方向布置的孔眼148中发生结焦，从而使孔眼不会堵塞，使流体能继续流经这些孔眼。还可通过导管输送空气，以周期性地对被堵塞的孔眼进行脱焦。在某些实施方式中，导管150还可被设置在衬管142的内部。在其他实施方式中，导管150可被设置在衬管142的外部。导管150还可被永久性地布置在井孔120中，或者被临时性地设置在井孔中(例如导管可被缠绕在井孔中，或从井孔中退绕出)。导管150可被缠绕在井孔中、或从井孔中退绕出，从而可将导管用在地层中的多个井孔中。

图10表示了300天后最大径向应力152、最大周向应力154、以及孔眼尺寸156与丰度之间的关系，此关系用于对裸眼井眼中的加热进行计算。在如下的条件下：井眼直径为16.5cm、井眼中设置了14.0cm的衬管、且加热器的发热量为820瓦/米，利用一油藏模拟器[STARS]和一机械模拟器[ABAQUES]进行计算。如图10所示，最大径向应力和最大周向应力随丰度而降低。丰度超过约22.5加仑/吨(0.95L/kg)的层将膨胀而与衬管接触。随着丰度超过约32加仑/吨(0.13L/kg)，最大应力开始在约270绝对巴或更低的数值上略微平定下来。衬管的强度足以抑制丰度约高于32加仑/吨条件下的应力变形。在约22.5加仑/吨到32加仑/吨的丰度范围内，应力足以使衬管发生变形。因而，必须要对井眼的直径、衬管的直径、衬管的壁厚和强度、发热量等指标进行调节，以防止衬管发生变形，并保证对于地层的所有丰度都能保留井眼中的环形空间。

在对含烃地层进行加热的早期阶段，地层易于出现地质力学运动。地层的地质运动会造成地层中的井眼发生变形。如果地层中的井眼出现了显著的变形，则井眼中的设备(例如加热器、导管等)就会变形和/或损坏。

产生地质力学运动的原因一般在于：设置在一定体积地层内的一个或多个加热器发出了热量，这将导致地层体积产生热膨胀。地层体积的热膨胀可由下面的公式限定：

(1)Δr＝r×ΔT×α；

式中r是指体积的半径(即在图11和图12所示连续加热体积的占用区中最长直线的长度)，ΔT是温度的变化量，α是线性热膨胀系数。

通常情况下，随着输入到地层中热量的增加，地质运动量也会增加。在某一特定时间，随受到加热的地层体积的增大，地层中的地质力学运动和井眼的变形趋于增大。因而，如果在某一特定时间的受热体积被保持在选定的尺寸限度内，则就能将地质力学运动和井眼的变形保持在可接受的程度以下。此外，通过对位于第一处理区域相对两侧的第二处理区域和第三处理区域进行加热，可限制第一处理区域的地质力学运动。第二处理区域由于受热而产生的地质力学运动可被第三处理区域受热产生的地质运动抵消。

图11中的俯视图表示了用于对含烃地层进行加热的加热器阵列的一种实施方式。热源158可被布置在地层160中。如图11所示，可按照三角形的格局布置热源158，或按照所需的任何其它阵列布置热源。地层160可包括一个或多个要进行加热的体积162、164。如图11所示，体积162、164可以是地层160中相互间隔的体积。在某些实施方式中，体积162、164中的热源158可基本上同时被开启或开始加热(即每个热源都在几天内、或某些情况下在一两个月内工作)。但是，开启体积162、164中的所有热源158将会使地层160产生很大的地质力学运动。该地质运动会使地层中一个或多个热源158的井眼和/或其它井眼发生变形。地层160中最外面的井眼最易发生变形。这些井眼更易于变形的原因在于地质运动的效果是累加的，从受热体积的中心部位向其周边区域，地质运动的效果是逐渐增大的。

图12中的俯视图表示了用于对含烃地层进行加热的加热器阵列的另一实施方式。如图12所示，体积162、164可以同心环形状的体积。热源158在体积162、164中可被布置成所需的阵列。在同心环形式的体积162、164中，由于随着环形体积向外移动其周长逐渐增大，所以可减小外环体积的地质运动。

在其它的实施方式中，体积162、164可以是其它的占地形状和/或被布置成其它造型的阵列。例如，体积162、164的占地形状可以是直线形、曲线形、或不规则的条形。在某些实施方式中，体积164可将体积162分隔开，因而被用来阻止体积162中的地质运动(即体积164起到了屏障体[例如挡壁]的作用，以便于减小一个体积162的地质力学运动对另一体积162的作用)。

如图11和12所示，在某些实施方式中，体积162、164中的热源158可在不同的时间开启，以便于防止一次就将地层的大量体积都已加热和/或减弱地质运动的效果。在一实施方式中，体积162中的热源158可被基本上同时开启或开始加热(即都在1或2个月内工作)。体积164中的热源158可被关闭，同时体积162被加热。在体积162中的热源158被开启或开始加热了选定的时间之后，体积164中的热源158被开启或开始加热。仅在选定的时间内向体积162输送热量的设计能减轻选定时间段内地层中地质力学运动的效果。在选定的时间段内，体积162中可发生一定的地质力学运动。体积162的尺寸、形状及位置可被选择为能将这些体积中地层的地质膨胀保持在一个最大值以下。地层地质膨胀的最大值可以是一个选定的数值，用于防止一个或多个井眼的变形超过变形的临界值(即在这一临界点上，井眼被损坏，或井眼中的设备不再可用)。

可利用模拟、计算或其它合适的方法来确定出体积162的尺寸大小、形状、和/或位置，以便于估计出在对地层加热过程中地质运动的程度。在一实施方式中，可利用模拟法来确定出在将一定体积的地层加热到一预定温度上时所发生的地质力学运动。在模拟过程中，改变被加热到预定温度的地层体积的尺寸大小，直到发现某一尺寸大小的体积能将井眼的变形保持在临界值以下为止。

体积162、164的大小由其在体积表面上的占地面积及体积中所含地层部分的深度来表征。通过改变体积162、164的占地面积，就能改变体积的尺寸大小。在一实施方式中，体积162、164的占地面积可小于约10000平方米、6000平方米、4000平方米、或3000平方米。

地层中的膨胀可以是按具体的区域或层发生的。在某些地层中，地层的各个层或区域具有不同的导热性和/或不同的热膨胀系数。例如，含烃地层中可具有这样一些薄层(即丰度高于约0.15L/kg的层)：其导热率低于地层中的相邻层，但热膨胀系数高于相邻层。导热率较低、但热膨胀系数较高的薄层可位于地层的不同水平面内。在确定要被加热的地层体积的尺寸大小时，必须要考虑到薄层在膨胀性方面的差异。一般来讲，最大的膨胀可能出现在导热率很低和/或热膨胀系数很高的区域或层中。在某些实施方式中，可将体积162、164的尺寸、形状、和/或位置确定为能适应低导热率和/或热膨胀大的层的膨胀特性。

在某些实施方式中，可将体积164的尺寸、形状、和/或位置选定为能防止地质力学运动的效果在地层中发生累积。在某些实施方式中，体积164的大小足以阻止地质力学运动对被间隔开的其它体积162施加累积的作用。在一实施方式中，体积164的占地区与体积162的占地区基本上类似。使体积162、164具有基本上类似的尺寸可在地层中建立起均匀的加热剖面。

在某些实施方式中，在体积162中的热源158被开启了选定的时间之后，将体积164中的热源158开启。从体积162中的热源158开始加热时起的约6个月(或在约1年或2年内)内，体积164中的热源158可开启或开始加热。可在体积162中出现了选定量的膨胀之后再开启体积164中的热源158。在一实施方式中，在体积162的地质膨胀已经接近或达到其最大可能膨胀量时，开启体积164中的热源158。例如，在体积162的地质膨胀已大于其最大估计膨胀量的约70％、约80％、或90％时，开启体积164中的热源158。可利用模拟或其它合适的方法来确定出体积可能达到的膨胀量的估计值，能进行估算的原因在于：当体积被加热到某一选定的平均温度时，体积中将会出现膨胀。进行模拟时还要考虑到岩石基质的有效强度特征。通常达到约200℃时，地层中会发生强烈的膨胀。在从约200℃到350℃的范围内，地层的膨胀通常要慢很多。在高于干馏温度的温度上，地层的膨胀很小或不发生膨胀。在某些地层中，当温度高于干馏温度时，地层可能会出现收缩。用于确定膨胀估计值的平均温度例如可以是在对地层进行就地处理过程中对地层体积的最高加热温度(例如约325℃、350℃等)。在体积162出现显著的膨胀之后再对体积164进行加热的设计能减弱、阻止、和/或调节地层中地质运动的累加效应。

在某些实施方式中，在体积162中的热源158工作了选定的时间后开启体积164中的热源158，以使地层保持较为恒定的生产率。使地层保持较恒定的生产率能降低某些生产成本，这些成本与用来开采流体和/或对从地层中产出的流体进行处理的设备有关(例如购买设备、操作设备、购买原材料等的成本)。在某些实施方式中，在体积162中的热源158工作了选定的时间后开启体积164中的热源158，以提高地层的生产率。可采用模拟法或其它合适的方法确定出体积162中热源158与体积164中热源158的相对开启时间，以便于保持或提高地层的生产率。

加热器的某些实施形式可具有开关(例如保险丝和/或恒温器)，当加热器中达到一定的条件时，其可切断加热器或其一部分的能量供应。在某些实施方式中，可使用“限温型加热器”对含烃地层进行加热。限温型加热器一般是指这样的加热器：无需采用外部控制-例如使用温度控制器或功率调节器等装置，就能在高于特定温度时对发热量进行调节(例如降低发热量)。限温型加热器可以是AC(交流)电阻加热器。

限温型加热器比其它加热器要更为可靠。限温型加热器由于地层中存在热点而被损坏或失效的可能性很低。在某些实施方式中，限温型加热器能实现对地层基本上均匀的加热。在某些实施方式中，限温型加热器通过使其整个长度都具有较高的平均工作温度而能更加有效地对地层进行加热。限温型加热器能在整体长度的范围内以较高平均温度进行操作的原因在于：如果加热器上任何点的温度超过或即将超过其最大工作温度时，无需减小整个加热器的能量供应(例如沿加热器整个长度的能量供应)，而对于普通的加热器，则情况就是这样。限温型加热器中其温度接近于居里温度的部分能自动地降低发热量。发热量的自动减小是由于改变了限温型加热器中这些部分的电气特性(例如电阻)所致。因而，在加热过程的较长期间内，可向限温型加热器提供更多的能量。

在介绍发热量减小的加热系统、设备、和方法时，词语“自动地”意味着：无需采用外部控制措施(例如采用外部控制器一例如带有温度传感器和反馈闭环的控制器)，这些系统、设备和方法就能以某种方式运行。例如，在限温型加热器由交流电供能的情况下，包括限温型加热器的系统在起始时可具有第一发热量，然后，在加热器某一电阻部分的温度接近于、处于或高于居里温度时，可降低加热器的发热量。

限温型加热器可被设计成使加热器在一定的温度上具有自动限温特性的结构和/或包括这种材料。例如，在限温型加热器中可使用铁磁材料。在向铁磁材料施加交流电的情况下，铁磁材料在达到或接近其居里温度时对温度具有自动限制作用，从而在达到或接近居里温度时降低了发热量。在某些实施方式中，可将铁磁材料与其它材料(例如非铁磁材料和/或高传导材料)相结合，以实现各种电学特性和/或机械特性。限温型加热器中某些部件的电阻低于其它部件的电阻(原因在于具有不同的几何形状和/或使用了不同的铁磁性和/或非铁磁性材料)。使限温型加热器的各个部件具有不同材料和/或尺寸的设计能实现这样的效果：可将加热器各个部分的发热量调整为理想的数值。相比于在限温型加热器中使用开关的设计，使用铁磁材料的成本更低、可靠性更高。

居里温度是指这样的温度：在该温度上，磁性材料(例如铁磁性材料)丧失其磁性。除了在居里温度上丧失其磁性之外，如果流经铁磁性材料的电流增大，铁磁性材料也会丧失其磁性。

加热器可包括一种导体，当向该导体施加交流电时，其工作方式类似于集肤效应加热器。集肤效应限制了电流穿透到导体内部的深度。对于铁磁性材料，集肤效应由导体的导磁性决定。铁磁性材料的导磁性一般大于10，也可大于50、100、500，甚至大于1000。随着铁磁性材料的温度上升到居里温度之上和/或随着所施加电流的增大，铁磁性材料的导磁性会显著降低，透入深度会快速扩展(例如导磁性的平方根的倒数)。导磁性的降低会使导体上接近、处于或超过居里温度和/或所施加电流增大处的交流电阻降低。当加热器由基本为恒定电流的电源供电时，加热器上接近、达到、或超过居里温度的部分的热散逸就会降低。加热器上并未处于或接近居里温度的区段由集肤效应主导，此效应使加热器具有很高的热散逸。

在某些实施方式中，可用顺磁性材料制成限温型加热器(例如居里温度加热器)。顺磁性材料的导磁性通常是相对而言的，其数值大于1但小于10。由顺磁性材料制成的限温型加热器的限温特性明显不如用铁磁性材料制成的限温型加热器的限温特性。

采用限温型加热器对含烃地层进行加热的一个优点在于：可选择其居里温度在理想的工作温度范围内的导体。理想的工作范围能向地层中注入大量的热量，同时还能将加热器和其它设备的温度保持在设计温度之下(即低于会对某些性质带来负面影响的温度，例如导致腐蚀、蠕变、和/或变形)。加热器的限温特性可防止地层中导热性差的“热点”附近的加热器出现过热或烧坏。在某些实施方式中，限温型加热器能耐受的温度高于约250℃、500℃、700℃、800℃、900℃或更高的温度，具体的温度取决于加热器中使用的材料。

相比于定瓦特数的加热器，限温型加热器能将更多的热量注入到地层中，其中的原因在于输入到限温型加热器中的能量不会受到限制而容纳在加热器附近低导热性区域。例如，在Green River油页岩中，丰度最低(约小于0.04L/kg)的含烃层与丰度最高的含烃层(约大于0.20L/kg)在导热性方面的差异至少为50％。如果对这样的地层进行加热，使用限温型加热器情况下输入到地层中的热量要比使用受限于低导热性层的加热器的情况高得多，而其中的低导热性层仅为约0.3m厚。由于对含烃地层进行加热的加热器一般具有很大的长度(例如大于10m、100m、或300m)，所以，尽管加热器上仅有很少的部分的温度达到或接近居里温度，但加热器大部分长度的工作温度在居里温度之下。

限温型加热器的直径可足够地小，以便于防止由于地层坍塌而使加热器变形。在某些实施方式中，限温型加热器的外径约小于5cm。在某些实施方式中，限温型加热器的外径可小于约4cm、3cm、或在2cm到5cm之间。

在文中所述的加热器实施方式(包括但不限于限温型加热器、绝缘导体型加热器、导管内导体型加热器、以及细长构件加热器)中，可对加热器的最大横截面尺寸进行选择，以使最大横截面尺寸与井眼直径(例如初始时的井眼直径)之间具有所需的比值。最大的横截面尺寸是指在与井眼直径同轴线的加热器最大尺寸(例如是圆柱型加热器的直径或立式加热器的宽度)。在某些实施方式中，可将最大横截面尺寸与井眼直径的比值选定为约小于1∶2、1∶3、或1∶4。可对加热器直径与井眼直径之间的比值选择以防止在加热过程中加热器与地层接触和/或受地层作用而变形(即防止加热器在井眼中封死)。在某些实施方式中，井眼的直径是由用于形成井眼的钻头的直径决定的。

在一实施方式中，在对地层进行加热的过程中，井眼的直径可从起始时的约16.5cm缩小到约6.4cm(例如对于丰度大于约0.12L/kg的含烃层中的井眼)。在某些情况下，由于烃类、干酪根或富含层发生了热膨胀，加热过程中膨胀到井眼中的地层材料会导致井眼的环向应力与压缩强度之间达到平衡。在这一点上，地层不再具有使加热器或衬管变形或塌瘪的强度。例如，对于直径约为16.5cm的井眼，地层材料所施加的径向应力可约为12000psi(82.7Mpa)，而在膨胀之后，直径约6.4cm的井眼上的应力约为3000psi(20.7Mpa)。可将加热器的直径选择为小于约3.8″，以防止地层与加热器出现接触。限温型加热器的优势在于：对于小直径的加热器(例如小于约5.1″)，相比于定瓦特数的加热器，其能向井眼的大部分提供很大的发热量(例如向含烃地层中的热解烃类提供足够热量所需的发热量)。

在某些实施方式中，可将加热器放置在抗变形的容器内。抗变形容器可对加热器提供进一步的保护，以防止其出现变形。抗变形容器的蠕变断裂强度大于加热器的强度。在一实施方式中，在约650℃的温度上，抗变形容器的100000小时蠕变断裂强度至少约为3000psi(20.7Mpa)。在某些实施方式中，在约650℃的温度上，抗变形容器的100000小时蠕变断裂强度至少约为4000psi(27.7Mpa)或5000psi(34.5Mpa)。在一实施方式中，抗变形容器包括一种或多种提供机械强度的合金。例如，抗变形容器可包括铁、镍、铬、锰、碳、钽的合金和/或它们的混合物。

图13表示了径向应力及导管(例如衬管)塌瘪强度与含烃地层中井眼剩余直径及导管外径之间的关系。对径向应力的计算是在52加仑/吨的Green River油页岩前提下进行的。加热率约为820瓦/米。图线166表示了油页岩最大径向应力与井眼剩余直径之间的关系，其中，该井眼的起始直径为6.5英寸。图线168表示了在650℃条件下衬管塌瘪强度与外径之间的关系，其中衬管是Schedule 80 347H型不锈钢管。图线170表示在650℃条件下衬管塌瘪强度与外径之间的关系，其中，衬管是Schedule160 347H型不锈钢管。图线172表示的是在650℃条件下ScheduleXXH 347H型不锈钢导管的衬管塌瘪强度与外径之间的关系。从图线168、170、172可看出，衬管厚度的增加能提高塌瘪强度，且Schedule XXH 347H型不锈钢衬管的塌瘪强度足以在650℃条件下承受油页岩的最大径向应力。导管的塌瘪强度应当大于最大径向应力，以防止导管出现变形。

图14表示了径向应力及导管塌瘪强度与导管外径/含烃地层中井眼初始直径比值之间的关系。图线174表示了油页岩径向应力与导管外径/井眼初始直径比值之间的关系。从图线174可看出，随着比值从1下降到约0.85，油页岩的径向应力急剧下降。当比值在0.8以下时，径向应力的下降变得缓慢。图线176表示了对于ScheduleXXH 347H型不锈钢导管、导管塌瘪强度与导管外径/井眼初始直径比值之间的关系。图线178表示了对于Schedule160 347H型不锈钢导管、导管塌瘪强度与导管外径/井眼初始直径比值之间的关系。图线180表示了对于Schedule80 347H型不锈钢导管、导管塌瘪强度与导管外径/井眼初始直径比值之间的关系。图线182表示了对于Schedule40 347H型不锈钢导管、导管塌瘪强度与导管外径/井眼初始直径比值之间的关系。图线184表示了对于Schedule10 347H型不锈钢导管、导管塌瘪强度与导管外径/井眼初始直径比值之间的关系。从图14中的各条图线可看出，在导管外径/井眼初始直径的比值在0.75以下时，ScheduleXXH347H不锈钢导管的塌瘪强度足以承受油页岩的径向应力。图14和其它类似的图线可被用来设计井眼的初始直径和导管的材料及外径，从而可阻止导管的变形。

本领域技术人员在阅读了本文的描述之后，能清楚地意识到本发明在各个方面存在其它的改型和备选实施方式。因而，本文的描述应当仅被看作是例示性的，其是为了教导本领域技术人员有关实施本发明的一般形式。可以理解：文中介绍的本发明实施方式可被看作是目前优选的实施方式。本领域技术人员在领会了本文的描述之后，应当能清楚地认识到：可替换文中表示和描述的各个元件及材料；逆反各个部件和处理过程；并能单独地应用本发明的某些特征。在不悖离由后附权利要求书限定的本发明设计思想和保护范围的前提下，可改变文中所述的各个元件。此外，应当理解，在某些实施方式中，文中单独描述的一些特征可组合起来使用。

Claims

1.一种用于对含烃地层(160)进行处理的方法，其包括步骤：

利用第一组加热器(158)对第一体积(162)的地层进行加热；以及

利用第二组加热器(158)对第二体积(162)的地层进行加热，其特征在于：利用一第三体积(164)的地层将第一体积地层与第二体积地层分隔开，且第一(162)、第二(162)、和第三体积(164)地层的尺寸、形状、和/或位置被设计成能抑制地下设备的变形，该变形是由地层(160)在加热过程中产生地质力学运动所致。

2.根据权利要求1所述的方法，其还包括：允许热量从第一、第二体积(162)的地层向地层的至少一个部分传递。

3.根据权利要求1所述的方法，其还包括：至少在部分上基于地层(160)至少一个部分的计算的地质力学运动对第一(162)、第二(162)、和/或第三体积(164)占地区域的尺寸、形状、和/或位置进行设计。

4.根据权利要求1所述的方法，其还包括：计算第一体积或第二体积(162)占地区域内的地质力学运动，并利用计算出的地质力学运动对第一(162)、第二(162)、和/或第三体积(164)的尺寸、形状、和/或位置进行设计。

5.根据权利要求3所述的方法，其中：第一、第二、和/或第三体积(162、164)的尺寸被设计成能抑制一个或多个选定井眼和/或在所述井眼内的地下设备的变形，该变形是由地层(160)在加热过程中产生的地质力学运动所致。

6.根据权利要求1所述的方法，其中：第三体积(164)包围着第一体积(162)的全部或一部分，且第二体积(162)包围着第三体积(164)的全部或一部分。

7.根据权利要求1所述的方法，其中：第三体积(164)的占地区域是直线形的、曲线形的、或不规则的条带形。

8.根据权利要求1所述的方法，其中：第一、第二、和/或第三体积(162、164)包括矩形或圆形的占地区域。

9.根据权利要求1所述的方法，其中：第一、第二、和/或第三体积(162、164)包括同心环状的占地区域。

10.根据权利要求1所述的方法，其中：至少在部分上基于模拟方法对地层第一、第二、和/或第三体积(162、164)的尺寸、形状、或位置进行设计。

11.根据权利要求1所述的方法，其中：第一、第二、和/或第三体积(162、164)的占地面积小于400平方米。

12.根据权利要求1所述的方法，其还包括：在第一或第二体积(162)中出现了选定量的地质力学运动之后，利用第三组加热器进行加热。

13.根据权利要求1所述的方法，其还包括：利用第三组加热器进行加热，以保持或提高从地层中采出混合物的产量。

14.根据权利要求1所述的方法，其还包括：在第一组或第二组加热器开始进行加热至少6个月后，利用第三组加热器进行加热。

15.根据权利要求1到14之一所述的方法，其还包括：将地层至少一个部分中的温度保持在一热解温度范围内，该温度范围的下限250℃，上限400℃。

16.根据权利要求1到14之一所述的方法，其还包括：对地层中的至少一部分烃类进行热解。

17.根据权利要求1到14之一所述的方法，其还包括：对地层至少一个部分中的压力和温度进行控制，其中，将压力作为温度的函数进行控制，或将温度作为压力的函数进行控制。

18.根据权利要求2所述的方法，其还包括：从地层中开采出混合物。

19.根据权利要求18所述的方法，其中：所产出的混合物包括API重度至少25°的可冷凝烃。

20.根据权利要求18所述的方法，其还包括：对地层条件进行控制，以使得所产出混合物中H₂的分压大于0.5绝对巴。

21.根据权利要求1到14之一所述的方法，其还包括：对地层至少一部分中的压力进行控制，其中，受控压力至少2.0绝对巴。

22.根据权利要求1到14之一所述的方法，其中：所述地层包括油页岩地层或煤炭地层。

23.根据权利要求8所述的方法，其中：所述矩形的占地区域是方形的。