EA024556B1 - Способ извлечения металлов из материалов, содержащих углеводороды - Google Patents

Abstract

Способ извлечения минералов из углеводородных материалов содержит образование сооруженной контролирующей проницаемость инфраструктуры (100), определяющий, по существу, замкнутый объем. Раздробленный углеводородный материал можно вводить в контролирующую инфраструктуру для образования проницаемого пласта (120) углеводородного материала. Проницаемый пласт (120) может вступать в контакт с агентом в достаточной степени для извлечения из него минералов. Данный агент, как правило, представляет собой раствор, содержащий растворитель, выщелачиватель, хелатообразующий агент и т.п., посредством которого можно извлекать ценные минералы, токсичные минералы, радиоактивный минералы и т.п.

Description

Мировой и внутренний спрос на ископаемое топливо продолжает расти, несмотря на рост цен и другие экономические и геополитические проблемы. Так как данный спрос продолжает расти, соответственно, увеличиваются исследования и разработки в поисках дополнительных экономически жизнеспособных источников ископаемого топлива. Огромные источники энергии заключены, например, в месторождениях горючих сланцев, угля и битуминозного песка. Однако данные источники по-прежнему представляют трудную задачу с точки зрения экономически конкурентоспособной добычи. Канадские битуминозные пески показали, что данные усилия могут быть плодотворными, хотя все еще сохраняются многие проблемы, в том числе, помимо прочих, воздействие на окружающую среду, качество продукции, издержки производства и длительность производственного цикла.

Оценки всемирных ресурсов горючих сланцев варьируются от двух до почти семи триллионов баррелей нефти, в зависимости от источника оценки. Тем не менее, данные ресурсы представляют огромный объем и остаются практически скрытыми ресурсами. Многочисленные предприятия и исследователи продолжают изучать и испытывать способы добычи нефти из указанных ресурсов. В отрасли горючих сланцев способы добычи включают подземные бутовые дымоходы, созданные взрывами, способы на месте добычи, в том числе процесс конверсии на месте добычи фирмы §Не11 Οίΐ, и нагревание в изготовленных из стали ретортах. Другие способы включают радиочастотные (микроволновые) способы на месте добычи и модифицированные процессы на месте добычи, в которых объединены горные работы, подрывные работы и перегонка в реторте для получения бута из пласта, чтобы обеспечить лучшую теплопередачу и извлечение продукта. Типичные способы переработки горючих сланцев сталкиваются с выбором компромиссных экономических решений и экологическими проблемами. Ни один действующий способ в одиночку не удовлетворяет экономическим, экологическим и техническим требованиям. Кроме того, проблемы глобального потепления приводят к дополнительным мерам в отношении выбросов диоксида углерода (СО₂), которые связаны с указанными способами. Требуются способы, которые обеспечивают экологическое управление, одновременно обеспечивая крупнотоннажное экономически эффективное производство нефти. Способы подземной добычи разработаны на основании способности производить большие объемы при одновременном сокращении расходов на горные работы. Хотя можно обеспечить сокращение расходов в результате исключения горных работ, способ подземной добычи требует нагревания пласта в течение более продолжительного периода времени вследствие крайне низкой теплопроводности и высокой теплоемкости сланцев, обусловленной их природой. Вероятно, наиболее значительная проблема любой переработки на месте добычи представляет собой неопределенность и долгосрочную опасность загрязнения воды, которое может возникать в подземных пластах, содержащих пресную воду. В случае способа конверсии на месте добычи фирмы §Не11, замораживающую стену используют в качестве барьера, чтобы обеспечить разделение между водоносными пластами и областью подземной обработки. Хотя это возможно, никакой долгосрочный анализ не смог на продолжительные периоды гарантировать предотвращение загрязнения. При отсутствии гарантий и с еще меньшими средствами устранения неисправностей, которые могут возникнуть в замораживающей стене, желательны другие способы управления указанными рисками для окружающей среды.

По этой и другим причинам сохраняется необходимость в способах и системах, которые могут обеспечить улучшенное извлечение углеводородов из соответствующих содержащих углеводороды материалов и которые имеют приемлемые экономические условия и избегают указанных выше недостатков.

Сущность изобретения

Было признано, что в любом процессе добычи, включающем переработку углеводородных материалов, могут существовать значительные количества минералов, присутствующих в содержащих углеводороды материалах, подлежащих переработке. Указанные минералы могут представлять собой различные металлы, помимо щелочных и щелочно-земельных металлов, в том числе благородные металлы, вплоть до радиоактивных металлов. В некоторых случаях указанные минералы имеют ценность, если их можно извлекать в соответствующих количествах. С другой стороны, указанные минералы могут быть токсичными, таким образом, их извлечение из углеводородных месторождений может также оказаться полезным для окружающей среды. Следовательно, нейтрализация и/или удаление токсичных и радиоактивных материалов также является привлекательной.

По существу, минералы можно выделять до, во время или после извлечения углеводородов из указанных месторождений. Указанное извлечение часто осуществляют после добычи извлекаемых количеств углеводородов.

Основной способ извлечения углеводородов из углеводородных материалов может включать образование сооруженной контролирующей проницаемость инфраструктуры. Данная сооруженная инфраструктура определяет, по существу, замкнутый объем. Добываемый углеводородный материал можно вводить в контролирующую инфраструктуру для образования проницаемого пласта углеводородного материала. Проницаемый пласт можно нагревать в достаточной степени для извлечения из него углеводородов. Во время нагревания углеводородный материал может оставаться, по существу, неподвижным. Извлеченные углеводороды можно собирать для дальнейшей переработки, использовать в процессе в

- 1 024556 качестве дополнительного топлива или добавок и/или непосредственно использовать без дальнейшей обработки. Основной способ и устройство для их использования описаны в патентной заявке США № 12/028569 настоящего заявителя, поданной 08 февраля 2008 г. и включенной в настоящий документ посредством ссылки. Дополнительные отличительные признаки и преимущества настоящего изобретения станут очевидными из приведенного ниже подробного описания, которое иллюстрирует посредством примера отличительные признаки настоящего изобретения.

Краткое описание чертежей

Фиг. 1 представляет схематический боковой вид с частичным разрезом сооруженной контролирующей проницаемость инфраструктуры в соответствии с одним вариантом осуществления.

Фиг. 2А и 2В представляют виды сверху и в плане множества контролирующих проницаемость накопительного резервуара в соответствии с одним вариантом осуществления.

Фиг. 3 представляет боковой вид в разрезе контролирующего проницаемость накопительного резервуара в соответствии с одним вариантом осуществления.

Фиг. 4 схематически изображает часть сооруженной инфраструктуры в соответствии с вариантом осуществления.

Фиг. 5 схематически иллюстрирует теплопередачу между двумя контролирующими проницаемость накопительными резервуарами в соответствии с другим вариантом осуществления.

Следует отметить, что данные чертежи представляют собой просто примеры нескольких вариантов осуществления, которые можно также использовать в настоящем изобретении, и они не предусматривают никакие ограничения объема настоящего изобретения. Кроме того, данные чертежи, как правило, не выполнены в правильном масштабе, но составлены в целях удобства и ясности в иллюстрации различных аспектов настоящего изобретения.

Подробное описание

Ниже приведены примерные варианты осуществления, и для их описания в настоящем документе будет использована особая терминология. Тем не менее, будет понятно, что никакое ограничение объема настоящего изобретения не предусмотрено. Изменения и дополнительные модификации отличительных признаков изобретения, описанных в настоящем документе, и дополнительные применения принципов настоящего изобретения, которые описаны в настоящем документе и которые будут выполнены специалистом в соответствующей области техники, получившим настоящее описание, следует считать входящими в объем настоящего изобретения. Кроме того, следует понимать, что настоящее изобретение не ограничено определенным способом и материалами, описанными в настоящем документе, так как они могут изменяться в некоторой степени. Следует также понимать, что терминология, используемая в настоящем документе, применяется только в целях описания определенных вариантов осуществления и не предназначена в качестве ограничительной, так как объем настоящего изобретения будет определен только в прилагаемой формуле изобретения и их эквивалентами.

Определения

В описании и формуле настоящего изобретения будет использована следующая терминология.

Формы единственного числа включают формы множественного числа, если иные условия четко не определены контекстом. Таким образом, например, ссылка на термин стенка включает ссылку на одну или более указанных структур, проницаемый пласт включает ссылку на один или более указанных материалов и стадия нагревания означает одну или более указанных стадий.

Использованный в настоящем документе термин существующий уровень или аналогичный термин означает уровень или плоскость, параллельную местной топографии поверхности участка, содержащего инфраструктуру, которая описана в настоящем документе, причем данная инфраструктура может находиться выше или ниже существующего уровня.

Использованный в настоящем документе термин трубопроводы означает любой канал, имеющий определенную длину, который можно использовать для транспорта материалов и/или тепла из одной точки в другую точку. Хотя трубопроводы могут обычно представлять собой круглые трубы, могут также оказаться полезными другие некруглые трубопроводы. Трубопроводы можно преимущественно использовать для введения текучих сред в проницаемый пласт или выведения текучих сред из проницаемого пласта, осуществления теплопередачи и/или транспорта радиочастотных устройств, механизмов топливных элементов, резистивных нагревателей или других устройств.

Использованный в настоящем документе термин сооруженная инфраструктура означает структуру, которая является, по существу, полностью искусственной, в отличие от замораживающих стен, серных стен или других барьеров, которые образуются путем изменения или заполнения пор существующего геологического пласта.

Сооруженная контролирующая проницаемость инфраструктура часто является, по существу, не содержащей ненарушенных геологических пластов, хотя инфраструктура может быть образована рядом или в непосредственном контакте с ненарушенным пластом. Такая контролирующая инфраструктура может быть свободной или прикрепленной к ненарушенному пласту механическими средствами, химическими средствами или комбинацией указанных средств, например, привинченной к пласту с помощью якорей, стяжек или другого соответствующего оборудования.

- 2 024556

Использованный в настоящем документе термин раздробленный означает разбиение пласта или большей массы на части. Раздробленная масса может быть разрушена или иным образом разбита на фрагменты.

Использованный в настоящем документе термин углеводородный материал означает любой содержащий углеводороды материал, из которого можно выделять или производить углеводородные продукты. Например, углеводороды можно выделять непосредственно в виде жидкости, выделять посредством экстракции растворителем, непосредственно испарять или иным способом выделять из материала. Однако многие углеводородные материалы содержат кероген или битум, которые конвертируют в углеводороды посредством нагревания и пиролиза. Углеводородные материалы могут включать, но не ограничиваются этим, горючие сланцы, битуминозные пески, уголь, лигнит, битум, торф и другие органические материалы.

Использованный в настоящем документе термин отработанный углеводородный материал означает материалы, из которого были извлечены углеводороды, но которые можно далее перерабатывать способами, описанными в настоящем документе.

Использованный в настоящем документе термин накопительный резервуар означает структуру, предназначенную для хранения или удержания запаса текучей среды и/или твердых сыпучих материалов. Резервуар обычно составляет, по меньшей мере, существенную часть земляного полотна и структурной опоры от земляных материалов. Таким образом, контролирующие стенки не всегда имеют независимую прочность или структурную целостность, не говоря о земляном материале и/или пласте, в контакте с которым они образованы.

Использованный в настоящем документе термин проницаемый пласт означает любую массу раздробленного углеводородного или отработанного углеводородного материала, имеющего относительно высокую проницаемость, которая превышает проницаемость твердого ненарушенного пласта того же самого состава. Соответствующие проницаемые пласты могут иметь более чем приблизительно 10% порового пространства и типично имеют поровое пространство от приблизительно 30 до 45%, хотя и другие интервалы могут быть пригодными. Создание высокой проницаемости упрощается, например, через внедрение крупных частиц неправильной формы, нагревание пласта посредством конвекции в качестве основной теплопередачи, одновременно также существенно снижая затраты, связанные с раздроблением до очень малых размеров, например, приблизительно от 0,5 до 1 дюйма (12,7-25,4 мм).

Использованный в настоящем документе термин стенка означает любую сооруженную конструкцию, участвующую в контроле проницаемости для ограничения материала в замкнутом объеме, определенного, по меньшей мере, частично контролирующими стенками. Стенки могут быть ориентированы любым образом, в том числе вертикально, хотя потолки, полы и другие контуры, определяющие замкнутый объем, могут также представлять собой стенки при использовании в настоящем документе.

Использованный в настоящем документе термин добываемый означает материал, который был извлечен или перенесен из исходного стратографического или геологического положения во второе и другое положение или возвращен в то же самое положение. Как правило, добываемый материал можно производить дроблением, разрушением, взрывным детонированием или извлечением материала другим способом из геологического пласта.

Использованный в настоящем документе термин минерал, как правило, означает любое вещество, которое не имеет животного или растительного происхождения. Однако один аспект представляет собой извлечение или нейтрализацию металлов, кроме щелочных или щелочно-земельных металлов. Можно извлекать переходные металлы любой группы. Однако металлы, подлежащие извлечению и представляющие особый интерес, означают металлы, которые имеют коммерческое значение или извлечение которых может оказаться полезным для окружающей среды вследствие их токсичности, радиоактивности или других свойств. Без намерения самоограничения представительные ценные металлы можно выбирать из группы, включающей Си, Ад, Аи, Ρΐ, Μο, Νί и Ρά. Металлы, которые могут быть токсичными или радиоактивными, могут включать Нд, РЬ и и. Металлы иногда классифицируют как следовые металлы, тяжелые металлы, благородные металлы и т.д. Однако металлы, которые можно обрабатывать, ограничены только функциональностью.

Использованный в настоящем документе термин по существу неподвижный означает приблизительно стационарное расположение материалов со степенью допуска на оседание, расширение и/или усадки, так как углеводороды выделяются из углеводородного материала в замкнутом объеме, оставляя после себя обедненный материал. Напротив, любые циркуляции и/или потоки углеводородного материала, в том числе обнаруженные в псевдоожиженных слоях или вращающихся ретортах, включают весьма существенное движение и обращение углеводородного материала.

Использованный в настоящем документе термин существенный, если он используется в отношении количества или величины материала или его определенной характеристики, означает количество, которое является достаточным, чтобы произвести эффект, для производства которого были предназначены данный материал или характеристика. Точная степень допустимого отклонения может в некоторых случаях зависеть от определенного контекста. Аналогичным образом, по существу не содержащий или подобное выражение означает отсутствие определенного элемента или агента в составе. В частности,

- 3 024556 элементы, которые определяются как по существу не содержащий, или полностью отсутствуют в составе, или содержатся только в количествах, которые достаточно малы, чтобы производить измеримый эффект на состав.

Использованный в настоящем документе термин приблизительно означает степень отклонения на основании экспериментальной ошибки, типичной для данного определяемого свойства. Интервал, предусмотренный термином приблизительно, будет зависеть от определенного контекста и данного свойства и может быть легко понят специалистами в данной области техники. Термин приблизительно не предназначен для расширения или ограничения степени эквивалентов, которую можно в противном случае допустить для определенного значения. Кроме того, если не определено иное условие, термин приблизительно определенно включает термин точно согласно приведенному ниже обсуждению в отношении интервалов и численных значений.

Концентрации, размеры, количества и другие численные данные могут быть представлены в настоящем документе в формате интервалов. Следует понимать, что указанный формат интервалов используют просто для удобства и краткости, и его следует истолковывать гибко, включая не только численные значения, определенно указанные в качестве границ интервала, но также включая все индивидуальные численные значения или подинтервалы, содержащиеся в данном интервале, как если бы было определенно указано каждое численное значение и подинтервал. Например, интервал от приблизительно 1 до приблизительно 200 следует истолковывать как включающий не только определенно указанные границы 1 и 200, но также включающий индивидуальные значения, в том числе 2, 3, 4, и подинтервалы, в том числе от 10 до 50, от 20 до 100 и т.д.

Использованные в настоящем документе множество предметов, структурных элементов, композиционных элементов и/или материалов можно представлять в общем списке для удобства. Однако данные списки следует истолковывать, как если бы каждый предмет в списке был индивидуально определен в качестве отдельного и специфического предмета. Таким образом, ни один индивидуальный предмет указанного списка не следует истолковывать в качестве фактического эквивалента какого-либо другого предмета того же самого списка исключительно на основании их представления в общей группе, если не указано обратное.

Извлечение минералов из углеводородного материала

Способ извлечения углеводородов из углеводородных или отработанных углеводородных материалов может включать образование сооруженной контролирующей проницаемость инфраструктуры, определяющей, по существу, замкнутый объем. Добываемый или извлекаемый углеводородный материал можно вводить в контролирующую инфраструктуру для образования проницаемого пласта углеводородного материала. Проницаемый пласт можно нагревать в достаточной степени для извлечения из него углеводородов. Во время нагревания углеводородный материал является, по существу, неподвижным, потому что сооруженная инфраструктура представляет собой фиксированную структуру. Извлеченные в виде текучей среды углеводороды можно собирать для дальнейшей переработки, использовать в процессе и/или использовать в извлеченном виде.

Сооруженную контролирующую проницаемость инфраструктуру можно построить с использованием существующего уровня грунта в качестве нижней опоры и/или в качестве боковой стенки, поддерживающей сооруженную инфраструктуру. Например, контролирующую инфраструктуру можно построить в виде свободно стоящей структуры, т.е. с использованием только существующего уровня грунта в качестве пола с изготовленными боковыми стенками. В качестве альтернативы, контролирующую инфраструктуру можно построить в вырытом котловане.

Сооруженная контролирующая проницаемость инфраструктура может включать контролирующий проницаемость резервуар, который определяет по существу замкнутый объем. Контролирующий проницаемость резервуар практически не содержит ненарушенных геологических пластов. В частности, контролирующий проницаемость резервуар можно полностью соорудить и построить в качестве отдельного изоляционного механизма для предотвращения неконтролируемой миграции материала в замкнутый объем или из него.

В одном варианте осуществления контролирующий проницаемость резервуар можно построить вдоль стенок вырытого месторождения углеводородного материала. Например, горючие сланцы, битуминозные пески, или уголь можно добывать из месторождения с образованием углубления, которое приблизительно соответствует желательному замкнутому объему для резервуара. Вырытое углубление можно затем использовать в качестве формы или опоры для создания контролирующего проницаемость резервуара.

В одном альтернативном аспекте по меньшей мере одно дополнительное вырытое месторождение углеводородного материала можно образовать таким образом, что можно будет использовать множество резервуаров. Кроме того, такая конфигурация может упростить уменьшение расстояния транспортировки добываемого материала. В частности, добываемый углеводородный материал для любого определенного замкнутого объема можно добывать из соседнего вырытого месторождения углеводородного материала. Таким образом, можно построить сеть сооруженных структур, чтобы добываемым материалом можно было немедленно и непосредственно наполнять соседний резервуар.

- 4 024556

Разработку и/или раскопку месторождений углеводородов можно осуществлять с использованием любой пригодной технологии. Можно использовать традиционную разработку открытым способом, хотя в качестве альтернативы может также использовать экскаваторы без необходимости транспортировки добываемых материалов. В одном конкретном варианте осуществления углеводородное месторождение можно раскапывать с помощью подвешенного к крану экскаватор. Один пример подходящего экскаватора может включать вертикальные туннельные бурильные машины. Указанные машины могут иметь конфигурацию, позволяющую раскапывать породу и материал под экскаватором. По мере извлечения материала экскаватор опускается, что обеспечивает практически постоянный контакт с пластом. Извлеченный материал можно транспортировать из зоны раскопок с помощью конвейеров или подъемников. В качестве альтернативы, раскопки можно осуществлять в условиях водной суспензии, которая решает проблемы пыли и действует в качестве смазочного/охлаждающего материала. Материал суспензии можно откачивать при раскопке для отделения твердых фаз в отстойный резервуар или в другое аналогичное устройство для разделения твердых и жидких фаз, или твердые фазы можно оставлять для осаждения непосредственно в резервуаре. Такой подход можно легко интегрировать с одновременным или последовательным растворным извлечением металлов и других материалов, что описано ниже более подробно.

Кроме того, раскопку и образование контролирующего проницаемость резервуара можно осуществлять одновременно. Например, экскаватор может иметь конфигурацию, позволяющую извлекать углеводородный материал во время образования боковых стенок. Материал можно извлекать непосредственно из-под краев боковых стенок, таким образом, что стенки можно направлять вниз, позволяя укладывать сверху дополнительные участки стенок. Такой подход может позволить увеличивать глубины, одновременно предотвращая или сокращая опасности обвала перед образованием опорных стенок резервуара.

Резервуар можно изготавливать из любого подходящего материала, который обеспечивает изолированную передачу материала через стенки резервуара. Таким образом, целостность стенок сохраняется во время работы контролирующей инфраструктуры в достаточной степени, чтобы существенно предотвращать неконтролируемую миграцию текучих сред за пределы контролирующей инфраструктуры. Неограничительные примеры подходящего материала для использования в образовании резервуара сооруженной контролирующей проницаемость инфраструктуры могут включать глину, бентонитовую глину (например, глину включающую, по меньшей мере, часть бентонита), почву с добавками бентонита, уплотненный наполнитель, огнеупорный цемент, цемент, синтетические георешетки, стекловолокно, арматурный профиль, наноуглеродные фуллереновые добавки, наполненные геотекстильные пакеты, полимерные смолы, маслостойкие вкладыши из поливинилхлорида или их сочетания.

Инженерные цементирующие композитные материалы, армированные волокнами композиты и т.п. могут оказаться особенно прочными и могут легко модифицироваться для выполнения требований допустимой проницаемости и температуры данной установки. В качестве общего правила, материалы, имеющие низкую проницаемость и высокую механическую целостность при рабочих температурах инфраструктуры, могут обеспечить хорошее качество, хотя они и не требуются. Например, материалы, имеющие температуру плавления выше максимальной рабочей температуры инфраструктуры, могут быть полезными для поддержания герметизации во время и после нагревания и извлечения. Однако можно также использовать и материалы с меньшей температурой плавления, если поддерживать ненагреваемую буферную зону между стенками и нагретыми участками проницаемого пласта. Указанные буферные зоны могут составлять от 6 дюймов (15,24 см) до 50 футов (1524 см) в зависимости от конкретного материала, используемого для резервуара, и состава проницаемого пласта. В другом аспекте стенки резервуара могут быть устойчивыми к кислоте, воде и/или солевому раствору, например, в достаточной степени, чтобы выдерживать регенерацию растворителя и/или промывание кислыми или солевыми растворами, а также к пару или воде. Для стенок резервуара, образованных вдоль пластов или другой твердой опоры, стенки резервуара могут быть образованы распыленным цементным раствором, распыленными жидкими эмульсиями или другим распыленным материалом, в том числе распыляемым огнеупорным цементным раствором, который образует уплотнение против пласта и создает контролирующие проницаемость стенки резервуаров. Стенки резервуара могут быть существенно непрерывными, таким образом, что резервуар определяет замкнутый объем, достаточно предотвращающий существенное движение текучих в резервуар и из него, за исключением определенных впускных отверстий и выпускных отверстий, например, через трубопроводы или т.п., как обсуждается в настоящем документе. Таким образом, резервуары могут легко выполнять государственные правила миграции текучих сред. В качестве альтернативы, или в сочетании с построенным барьером части стенок резервуара могут представлять собой ненарушенный геологический пласт и/или уплотненный грунт. В таких случаях, сооруженная контролирующая проницаемость инфраструктура представляет собой сочетание проницаемых и непроницаемых стенок, как описано ниже более подробно.

При желании часть углеводородного материала, как до, так и после переработки, можно использовать в качестве цементного укрепления и/или цементного основания, которые затем заливают на место для образования частей или всех стенок контролирующей инфраструктуры. Данные материалы можно изготавливать на месте или можно изготавливать заранее и затем собирать на месте для получения целостной структуры резервуара. Например, резервуар можно сооружать заливкой в опалубку на месте в виде

- 5 024556 монолитного блока, экструзией, кладкой заранее изготовленных или заранее отлитых деталей, бетонных панелей, соединенных раствором (цемент, цементирующий композитный материал или другой подходящий материал), раздувных форм или т.п. Эти формы можно строить с опорой на пласт, или это могут быть отдельно стоящие структуры. Формы можно сооружать из любого подходящего материала, в том числе, но не ограничиваясь этим, из стали, древесины, стекловолокна, полимера или т.п. Формы можно собирать на месте или можно направлять с помощью крана или другого подходящего механизма. В качестве альтернативы, сооруженную контролирующую проницаемость инфраструктуру можно изготавливать из габионов и/или геосинтетических материалов, собираемых в слои с уплотненным материалом наполнителя. Можно необязательно добавлять связующие материалы, чтобы повысить уплотнение контролирующих проницаемость стенок. Контролирующая инфраструктура может включать или состоять в основном из герметика, цементного раствора, арматурного профиля, синтетической глины, бентонитовой глины, глиняной облицовки, огнеупорного цемента, высокотемпературных геомембран, сточных труб, листовых сплавов или их сочетаний.

Стенки резервуара могут необязательно включать непроницаемую изоляцию и/или содержащие мелкоизмельченный наполнитель слои. Эти проницаемые слои могут быть ориентированы между контролирующим проницаемость барьером и проницаемым пластом. Например, можно предложить слой углеводородного раздробленного материала, который позволяет текучим средам входить, охлаждаться и, по меньшей мере, частично конденсироваться в слое. Указанный материал проницаемого слоя может, как правило, иметь размер частиц меньше, чем проницаемый пласт. Кроме того, указанный углеводородный материал может извлекать мелкие частицы из проходящих текучих сред посредством различных сил притяжения. В одном варианте осуществления конструкция стенок и дна резервуара может включать уплотненные многослойные природные или искусственные низкокачественные сланцы с любым сочетанием песка, цемента, волокна, растительного волокна, наноуглерода, битого стекла, армированной стали, конструкционной угольной армированной решетки, солей кальция и т.п. Помимо указанных композитных стенок, можно использовать конструкции, которые препятствуют долгосрочной миграции текучих сред и газов через дополнительные непроницаемые устройства, включая, но не ограничиваясь этим, вкладыши, геомембраны, уплотненные почвы, привозной песок, гравий или камень и самотечные дренажные контуры для движения текучих сред и газов из непроницаемых слоев к выходным отверстиям. Конструкция дна и стенок резервуара может, но необязательно включать ступенчатый спуск или ступенчатый подъем или уступ, в зависимости от хода горных работ, согласно оптимальному качеству добываемой руды. В любых таких ступенчатых подъемных или спускных применениях, конструкция выравнивания дна и герметичных стен может, как правило, иметь сток или наклон в одну сторону или особую центральную область (области) для отделения текучих сред под действием гравитационного режима пласта.

Конструкция стенок и дна резервуара может необязательно включать изоляцию, которая препятствует теплопередаче за пределы сооруженной инфраструктуры или за пределы внутренних резервуаров или трубопроводов в рамках основного сооруженного герметичного резервуара. Изоляция может включать промышленные материалы, цемент или различные материалы, кроме материалов, которые имеют меньшую теплопроводность, чем окружающие породы, т.е. проницаемый пласт, образование, соседние инфраструктуры и т.д. Можно также создавать теплоизолирующие барьеры в пределах проницаемого пласта, вдоль стенок, верха и/или дна резервуара. Один подробный аспект включает использование биоразложимых изолирующих материалов, например, изоляция на соевой основе и т.п. Это соответствует вариантам осуществления, в которых резервуар представляет собой однократно используемую систему, включая изоляционные материалы, трубы и/или другие компоненты, которые могут иметь относительно короткий срок службы, например, менее чем 1-2 года. Это может сократить расходы на оборудование, а также уменьшить долгосрочное воздействие на окружающую среду.

Данные устройства и способы можно применять почти в любом масштабе. Более крупные замкнутые объемы и более многочисленные резервуары могут легко производить углеводородные продукты, и извлечение минералов становится сопоставимым или превышающим уровни меньших сооруженных инфраструктур. В качестве иллюстрации размер одного резервуара может составлять от десятков метров в поперечнике до десятков акров (40470 м²). Оптимальные размеры резервуара могут изменяться в зависимости от углеводородного материала и рабочих параметров, однако, согласно прогнозам, пригодная площадь может составлять от приблизительно половины акра до пяти акров (2024-20235 м²) площади поверхности в горизонтальной проекции.

Данные способы и инфраструктуры можно использовать для извлечения углеводородов из разнообразных углеводородных материалов с попутным извлечением минералов. Одно конкретное преимущество представляет собой высокую степень свободы в контроле размера частиц, условий и состава проницаемого пласта, введенного в замкнутый объем. Неограничительные примеры добываемого углеводородного материала, который можно обрабатывать, включают горючие сланцы, битуминозные пески, уголь, лигнит, битум, торф или их сочетания. В некоторых случаях может оказаться желательным предложить единый тип углеводородного материала, чтобы проницаемый пласт состоял, в основном, из одного из перечисленных выше материалов. Однако проницаемый пласт может включать смеси данных

- 6 024556 материалов, чтобы качество, содержание нефти, содержание водорода, проницаемость и т.п. можно было регулировать для достижения желаемого результата. Кроме того, различные углеводородные материалы можно помещать в многослойные структуры или в виде смеси, в том числе в сочетании с углем, горючими сланцами, битуминозными песками, биомассой и/или торфом.

Содержащий углеводороды материал можно классифицировать на различные внутренние отсеки в рамках основной сооруженной инфраструктуры по соображениям оптимизации. Например, слои и уровни пластов добываемых горючих сланцев могут быть богаче в определенных глубинных продуктивных зонах, из которых их добывают. После взрыва, добычи, разделки и транспортировки внутри отсека для размещения более богатые нефтеносные руды можно классифицировать или смешивать по степени обогащения в целях оптимальных выходов, ускоренного извлечения или оптимального усреднения в рамках каждого резервуара. Кроме того, предложение слоев различного состава может иметь дополнительные преимущества. Например, нижний слой битуминозных песков может быть ориентирован ниже верхнего слоя горючих сланцев. Как правило, верхний и нижний слои могут находиться в непосредственном контакте друг с другом, хотя это не требуется. Верхний слой может включать проложенные в нем нагревательные трубы, которые описаны ниже более подробно. Нагревательные трубы могут нагревать горючие сланцы в достаточной степени, чтобы выделять керогенные сланцы, включая короткоцепные жидкие углеводороды, которые могут действовать в качестве растворителя для извлечения битума из битуминозных песков. Таким образом, верхний слой действует как непосредственный источник растворителя для повышения извлечения битума из нижнего слоя. Нагревательные трубы в нижнем слое являются необязательными, таким образом, что нижний слой может не содержать нагревательные трубы или может содержать нагревательные трубы, в зависимости количества тепла, передаваемого жидкостью, проходящей вниз с верхнего слоя и любых других источников тепла. Способность селективного контроля характеристик и состава проницаемого пласта добавляет значительную степень свободы в оптимизации выходов и качества нефти. В таких случаях содержание и распределение металлов по проницаемому пласту может в некоторой степени различаться, что требует одной или нескольких стадий переработки для получения желательных результатов.

Кроме того, во многих вариантах осуществления выделяющиеся газообразные и жидкие продукты действуют как образующийся на месте растворитель, который способствует извлечению керогена и/или дополнительному извлечению углеводородов из углеводородного материала.

Проницаемый пласт может также дополнительно включать добавку или биомассу. Добавки могут включать любой состав, который своим действием повышает качество извлеченных углеводородов, например, повышает индекс Американского нефтяного института (АНИ), снижает вязкость, улучшает реологические свойства, снижает смачиваемость остаточных сланцев, уменьшает содержание серы, гидрирующих агентов и т.д. Неограничительные примеры подходящих добавок могут включать битум, кероген, пропан, природный газ, природный газовый конденсат, сырую нефть, донные осадки от перегонки, асфальтены, обычные растворители, другие разбавители и сочетания данных материалов. В одном конкретном варианте осуществления добавка может включать улучшающий текучесть агент и/или водороддонорный агент. Некоторые материалы могут действовать в качестве одного или обоих из улучшающих текучесть и водород-донорных агентов. Неограничительные примеры указанных добавок могут включать метан, природные газовые конденсаты, обычные растворители, в том числе ацетон, толуол, бензол и т.д. и другие добавки, перечисленные выше. Добавки могут своим действием увеличивать соотношение водорода и углерода в любых углеводородных продуктах, а также выступать в качестве улучшающего текучесть агента. Например, различные растворители и другие добавки могут создавать физическую смесь, которая имеет уменьшенную вязкость и/или уменьшенное сродство к дисперсным твердым фазам, горным породам и т.п. Кроме того, некоторые добавки могут химически реагировать с углеводородами и/или допускать жидкое течение углеводородных продуктов. Любые используемые добавки могут стать частью конечного извлеченного продукта или могут быть отделены и повторно использованы или утилизированы иным образом. Кроме того, указанные добавки могут ускорять извлечению металлов или содействовать ему.

Аналогичным образом, биологическое гидроксилирование углеводородных материалов с образованием синтетического газа или других легковесных продуктов можно осуществлять с использованием известных добавок и подходов. Ферменты или биокатализаторы можно также использовать подобным образом. Кроме того, в качестве добавок можно также использовать искусственные материалы, в том числе, но не ограничиваясь этим, шины, отходы полимеров или другие содержащие углеводороды материалы.

Хотя эти способы широко применяются, в качестве общего правила, проницаемый пласт может включать частицы, максимальное измерение которых составляет от приблизительно 1/8 дюйма (31,8 мм) до приблизительно 6 футов (183 см) и в некоторых случаях менее чем 1 фут (30,48 см) и в других случаях менее чем приблизительно 6 дюймов (15,24 см). Однако, с практической точки зрения, размеры от приблизительно 2 дюймов (5,08 см) до приблизительно 2 футов (60,96 см) могут обеспечить хорошие результаты, причем диаметр около 1 фута (30,48 см) является особенно полезным для горючих сланцев. Поровое пространство может быть важным фактором в определении оптимальных диаметров частиц. В

- 7 024556 общем случае, можно использовать любое функциональное поровое пространство; однако при соотношении от приблизительно 10 до приблизительно 50% и в некоторых случаях от приблизительно 30 до приблизительно 45% обычно обеспечивается хороший баланс проницаемости и эффективного использования доступных объемов. Поровые объемы могут изменяться в некоторой степени при изменении других параметров, в том числе размещение теплопровода добавки и т.п. Механическое отделение добываемых углеводородных материалов способствует созданию мелкозернистых высокопроницаемых частиц, которые повышают скорости термической дисперсии после их помещения в отсек в пределах резервуара. Добавленная проницаемость позволяет использовать более умеренные, менее высокие температуры, а также позволяет избежать более высоких температур, которые приводят к повышенному образованию СО₂ при разложении карбонатов и связанному с ним испарению следовых тяжелых металлов, летучих органических и других соединений, которые способы создавать токсичные выбросы и/или нежелательные материалы, которые можно отслеживать и контролировать. Однако меньший размер частиц может иметь преимущество при выделении и удалении из них металлов.

В одном варианте осуществления можно использовать управляемые компьютером горные работы, горное планирование, перевозку, взрывные работы, отбор проб, погрузку, транспорт, размещение и средства контроля запыленности для наполнения и оптимизации скорости добываемого материала движение в сооруженную структуру. В одном альтернативном аспекте резервуары можно образовать в вырытых объемах углеводородного пласта, хотя могут также быть полезны другие расположения, удаленные от контролирующей инфраструктуры. Например, некоторые углеводородные пласты имеют относительно тонкие обогащенные углеводородами слои, например, толщиной менее чем приблизительно 300 футов (91,44 м). Следовательно, вертикальные горные и бурильные работы становятся экономически неэффективными. В таких случаях горизонтальные горные работы могут оказаться полезными для извлечения углеводородных материалов для образования проницаемого пласта. Хотя горизонтальные горные работы сохраняют свои сложности, разработаны и продолжают развиваться ряд технологий, которые могут оказаться полезными в связи с резервуарами и имеющими к ним отношение процессами. В таких случаях по меньшей мере часть резервуара можно образовать поперек горизонтального слоя, в то время как другие части резервуара можно образовать вдоль и/или рядом с не содержащими углеводороды слоями пласта. Другие подходы к горным работам, в том числе, но не ограничиваясь этим, камерно-столбовая разработка, могут обеспечить эффективный источник углеводородного материала с минимальными отходами и/или исправлениями, который можно транспортировать в резервуар и обрабатывать таким образом, как описано в настоящем документе.

Как отмечено в настоящем документе, данные системы и способы обеспечивают более высокую степень контроля в отношении свойств и характеристик проницаемого пласта, которые можно проектировать и оптимизировать для данной установки. Резервуары, в том числе индивидуально и в совокупности множества резервуаров, можно легко приспособить и классифицировать на основании изменения состава материалов, целевых продуктов и т.п. Например, несколько резервуаров можно предназначить для производства тяжелой сырой нефти, в то время как другие могут иметь конфигурацию для производства менее тяжелых продуктов и/или синтетического газа. Неограничительные примеры возможных классификаций и факторов могут включать каталитическую активность, ферментативную реакцию для определенных продуктов, ароматические соединения, содержание водорода, штамм микроорганизмов или цель, процесс модернизации, целевой конечный продукт, давление (эффекты качества и типа продукта), температура, поведение при набухании, акватермические реакции, водород-донорные агенты, сверхраспределение тепла, резервуар для отходов, резервуар для стоков, трубы многократного применения и другие. Как правило, множество данных факторов можно использовать для конфигурации резервуаров в данной проектной области для определенных продуктов и целей.

Раздробленным углеводородным материалом можно заполнить контролирующую инфраструктуру для образования проницаемого пласта любым подходящим способом. Как правило, раздробленный углеводородный материал можно загружать в контролирующую инфраструктуру с помощью опрокидывателя, конвейеров или других подходящих устройств. Как указано выше, проницаемый пласт может иметь поровый объем соответствующего размера. Неупорядоченное опрокидывание может приводить к чрезмерному уплотнению и сокращению поровых объемов. Таким образом, проницаемый пласт можно образовать путем транспорта низкоуплотненного углеводородного материала в инфраструктуру. Например, можно использовать передвижные конвейеры для подачи материала вблизи верхней поверхности проницаемого пласта, когда он образуется. Таким образом, углеводородный материал может сохранить значительный поровый объем между частицами без существенного дальнейшего измельчения или уплотнения, несмотря на некоторую небольшую степень уплотнения, которое часто возникает в результате литостатического давления, когда образуется проницаемый пласт.

Когда желаемый проницаемый пласт образуется в контролирующей инфраструктуре, можно вводить тепло в достаточном количестве, чтобы начать извлечение углеводородов, например, посредством пиролиза. Подходящий источник тепла может быть термически связан с проницаемым пластом. Оптимальные рабочие температуры в пределах проницаемого пласта могут изменяться в зависимости от состава и целевых продуктов. Однако, в качестве общего правила, рабочие температуры могут изменяться

- 8 024556 от приблизительно 200°Р (94°С) до приблизительно 750°Р (399°С). Колебания температуры в пределах замкнутого объема могут изменяться и могут достигать 900°Р (482°С) или более в некоторых областях. В одном варианте осуществления рабочая температура может быть относительно ниже температуры, способствующей производству жидкого продукта, в том числе от приблизительно 200°Р (94°С) до приблизительно 650°Р (343°С). Эта стадия нагревания может представлять собой операцию обжига, которая приводит к обогащению раздробленной руды проницаемого пласта. Кроме того, один вариант осуществления включает достаточный контроль температуры, давления и других переменных для производства преимущественно и в некоторых случаях практически исключительно жидкого продукта. Как правило, продукты могут включать как жидкие, так и газообразные продукты, в то время как жидкие продукты могут потребовать меньше стадий переработки, в том числе газоочистителей и т.д.

Относительно высокая проницаемость проницаемого пласта способствует производству жидких углеводородных продуктов и минимизации газообразных продуктов, в некоторой степени в зависимости от конкретных исходных материалов и рабочих условий. В одном варианте осуществления извлечение углеводородных продуктов может происходить по существу при отсутствии трещин в проницаемом пласте.

В одном аспекте проницаемый пласт можно обрабатывать с помощью растворов, растворителей, паров, хелатообразующих агентов и т.п., чтобы в первую очередь извлекать более легкоизвлекаемые металлы до, во время или после извлечения углеводородов. Объем и температуру агента, используемого в процессе извлечения, можно запланировать в зависимости от количества обрабатываемого проницаемого пласта и оцениваемого количества извлекаемых металлов на основании анализа образцов проницаемого пласта. При этом, однако, соблюдается условие, что указанная обработка не должна существенно вытеснять или ограничивать процесс извлечения углеводородов.

В одном аспекте тепло можно передавать проницаемому пласту посредством конвекции.

Нагретые газы можно вводить в сооруженную инфраструктуру таким образом, что проницаемый пласт нагревается, главным образом, посредством конвекции, когда нагретые газы проходят по всему проницаемому пласту. Нагретые газы можно производить путем сжигания природного газа, углеводородного продукта, или любого другого подходящего источника. Неограничительные примеры пригодных теплопередающих текучих сред могут включать горячий воздух, горячие выхлопные газы, пар, пары углеводородов и/или горячие жидкости. Нагретые газы можно подавать из внешних источников или получать в самом процессе.

В качестве альтернативы или в сочетании с конвективным нагреванием можно использовать погружение множества трубопроводов в проницаемый пласт. Трубопроводы могут иметь конфигурацию для использования в качестве нагревательных труб, охлаждающих труб, теплопередающих труб, сточных труб или газовых труб. Кроме того, трубопроводы могут быть предназначены для одной функции или могут выполнять несколько функций в процессе работы инфраструктуры, т.е. функции теплопередачи и стока. Трубопроводы могут быть изготовлены из любого подходящего материала, в зависимости от предусмотренной функции. Неограничительные примеры подходящих материалов могут включать глиняные трубы, трубы из огнеупорного цемента, трубы из огнеупорного цементирующего композитного материала, литые на месте трубы, металлические трубы, в том числе изготовленные из чугуна, нержавеющей стали и т.д., трубы из полимера, в том числе поливинилхлорида, и т.п. В одном конкретном варианте осуществления все или, по меньшей мере, некоторые из проложенных трубопроводов могут включать разлагаемый материал. Например, шестидюймовые (15,24 см) неоцинкованные чугунные трубы, которые можно эффективно использовать для одноразовых вариантов осуществления, хорошо работают в течение всего срока службы резервуара, как правило, менее чем приблизительно 2 года. Кроме того, различные части множества трубопроводов можно изготавливать из различных материалов. Литые на месте трубы могут оказаться особенно полезными для больших замкнутых объемов, где диаметры труб превышают несколько футов. Такие трубы можно изготавливать, используя гибкие оболочки, которые удерживают вязкую текучую среду в кольцевой форме. Например, трубы из поливинилхлорида можно использовать в качестве части длинных форм с гибкими оболочками, где бетон или другую вязкую текучую среду закачивают в кольцевое пространство между поливинилхлоридом и гибкой оболочкой. В зависимости от предусмотренной функции, можно сделать перфорацию или другие отверстия в трубопроводах, чтобы позволить текучим средам протекать между трубопроводами и проницаемым пластом. Типичные рабочие температуры превышают температуру плавления традиционных полимеров и смол, из которых изготовлены трубы. В некоторых вариантах осуществления, трубопроводы можно размещать и ориентировать таким образом, чтобы предусмотреть плавление или иное разрушение трубопроводов в процессе работы инфраструктуры.

Множество трубопроводов можно легко ориентировать в любой конфигурации, в том числе в существенно горизонтальной, вертикальной, наклонной, разветвленной или т.п., по меньшей мере часть трубопроводов можно ориентировать вдоль заранее определенных путей перед погружением трубопроводов в проницаемый пласт. Заранее определенные пути можно спроектировать для улучшения теплопередачи, контакта газовых, жидких и твердых фаз, максимального увеличения подачи текучих сред или их извле- 9 024556 чения из определенных областей в пределах замкнутого объема, или т.п. Кроме того, по меньшей мере, часть трубопроводов можно предназначить для нагревания проницаемого пласта. Данные теплопроводы можно селективно перфорировать, чтобы позволить нагретым газам или другим текучим средам конвективно нагревать и перемешиваться по всему проницаемому пласту. Отверстия перфорации могут иметь такие положения и размеры, чтобы оптимизировать равномерное и/или контролируемое нагревание по всему проницаемому пласту. В качестве альтернативы, теплопроводы могут образовывать замкнутый контур, таким образом, что нагревающие газы или текучие среды выделяются из проницаемого пласта. Следовательно, для замкнутого контура не обязательно требуется рециркуляция, а требуется выделение нагревающей текучей среды из проницаемого пласта. Таким образом, нагревание можно осуществлять главным образом или практически исключительно посредством тепловой конвекции через стенки трубопровода от теплоносящих текучих сред проницаемому пласту. Нагревание в замкнутом контуре позволяет предотвращать массопередачу между теплоносящей текучей средой и проницаемым пластом и может сократить образование и/или извлечение газообразных углеводородных продуктов.

Во время нагревания или обжига проницаемого пласта, локализованные нагретые области, температура которых превышает температуру разложения материнской породы, часто выше 900°Р (482°С), могут уменьшать выходы и образовывать диоксид углерода и нежелательные примесные соединения, которые могут привести к сточным водам, содержащим тяжелые металлы, растворимые органические соединения и т.п. Теплопроводы могут обеспечить существенное устранение указанных локализованных горячих областей, поддерживая в то же время значительно превосходящую часть проницаемого пласта в желательном температурном интервале. Степень однородности температуры может представлять собой баланс между затратами (например, на дополнительные теплопроводы) и добычей. Однако, по меньшей мере, приблизительно 85% проницаемого пласта можно легко поддерживать в пределах целевого температурного интервала с точностью около 5-10% практически без горячих областей, температура которых превышает температуру разложения углеводородных материалов, в том числе около 800°Р (427°С) и во многих случаях около 900°Р (482°С). Таким образом, работая, как описано в настоящем документе, системы могут обеспечить извлечение углеводородов с одновременным исключением или существенным сокращением производства нежелательных сточных вод. Хотя продукты могут значительно различаться в зависимости от исходных материалов, возможны высококачественные жидкие и газообразные продукты. В соответствии с одним вариантом осуществления, из раздробленного материала горючих сланцев можно получать жидкий продукт, имеющий индекс ΑΡΙ от приблизительно 30 до приблизительно 45, причем в настоящее время является типичным продукт в интервале от приблизительно 33 до приблизительно 38, который получают непосредственно из горючих сланцев без дополнительной обработки. Интересно, что практика данных процессов привела к пониманию того, что давление оказывается намного меньшим фактором по воздействию на качество извлекаемых углеводородов, чем температура и сроки нагревания. Хотя сроки нагревания могут значительно изменяться в зависимости от порового пространства, состава проницаемого пласта, его качества и т.д., по общему правилу, данные сроки могут изменяться от нескольких суток (т.е. 3-4 суток) вплоть до приблизительно одного года. В одном конкретном примере, сроки нагревания могут изменяться от приблизительно 2 недель до приблизительно 4 месяцев. Недогретые горючие сланцы, которые нагревали в течение короткого времени, т.е. от нескольких минут до нескольких часов, могут привести к образованию выщелачиваемых и/или в некоторой степени летучих углеводородов. Соответственно, данные системы и способы позволяют продлевать сроки обработки при умеренных температурах таким образом, что органические вещества, присутствующие в горючих сланцах, могут испаряться и/или обугливаться, оставляя несущественное количество выщелачиваемых органических веществ. Кроме того, нижележащие сланцы, как правило, не разлагаются и не изменяются, что уменьшает образование растворимых солей.

Такую же систему трубопроводов, труб, сборных устройств, которую используют в основной контролирующей проницаемость инфраструктуре, можно использовать и/или модифицировать по мере необходимости для введения агентов, чтобы извлекать и выделять минералы из пористого проницаемого пласта. Указанные агенты могут быть в виде паров или растворов, содержащих растворители, кислоты, основания, хелатообразующие агенты и т.п. или их сочетания, для эффективного извлечения минералов из пористого пласта и их вывода из системы для извлечения или дальнейшей переработки. В качестве альтернативы, выделенные трубопроводы для такого введения агентов можно сооружать и устанавливать в соответствующих положениях в пределах резервуара.

Трубопроводы можно полностью сооружать и монтировать до введения каких-либо добываемых материалов в замкнутый объем. Можно уделять внимание и планировать конструкцию заранее определенных путей трубопроводов и способ заполнения объема, чтобы предотвратить повреждение трубопроводов в процессе заполнения, когда трубопроводы погружаются под землю. Таким образом, в общем, выполняется правило, что трубопроводы, используемые в настоящем изобретении, ориентированы заранее или до погружения в проницаемый пласт, так что бурение не производится. В результате, сооружение трубопроводов и их размещение можно осуществлять без значительного колонкового бурения и/или усложненного оборудования, связанного с бурением скважин или горизонтальным бурением. Напротив,

- 10 024556 горизонтальная или любая другая ориентация трубопровода может быть легко достигнута сборкой желательных заранее определенных проходов перед или одновременно с заполнением инфраструктуры добываемым углеводородным материалом. Непробуренные, размещаемые вручную или краном трубопроводы, ориентированные по различным геометрическим моделям, можно укладывать с управляемыми клапанами соединительными пунктами, которые обеспечивают точное и внимательно наблюдаемое нагревание в пределах герметичного резервуара. Способность размещать и укладывать трубопроводы, включая соединительные, перепускные и проточные клапаны и точки прямого ввода и вывода, обеспечивает точность температуры и скорости нагревания, точность давления и скорости сжатия, а также точный впуск и выпуск текучей среды и газа и состав примесей. Например, когда агент для извлечения и выделения металлов вводят в проницаемый пласт, оптимальные температуры можно легко поддерживать по всему проницаемому пласту, чтобы повысить эффективность, реакцию и надежность такого извлечения.

Трубопроводы, как правило, проходят через стенки сооруженной инфраструктуры в различных точках. Вследствие температурных перепадов и отклонений, может оказаться выгодным использовать изолирующий материал на поверхности раздела между стенкой и трубопроводами. Размеры этой поверхности раздела можно минимизировать, также обеспечивая в то же время пространство для различного теплового расширения во время пуска, работы в стационарном режиме, колебаний рабочих условий и отключения инфраструктуры. Данная поверхность раздела может также содержать изолирующие материалы и герметизирующие устройства, которые предотвращают неконтролируемую утечку углеводородов или других материалов из контролирующей инфраструктуры. Неограничительные примеры подходящих материалов могут включать высокотемпературные прокладки, металлические сплавы, керамические материалы, глиняные или минеральные вкладыши, композиты или другие материалы, которые имеют температуры плавления выше типично рабочей температуры и свои действием продолжают контроль проницаемости, обеспечиваемый стенками контролирующей инфраструктуры.

Кроме того, стенки сооруженной инфраструктуры могут иметь конфигурацию, которая минимизирует потерю тепла. В одном аспекте можно сооружать стенки, имеющие существенно однородную толщину, которая оптимизируется, чтобы обеспечивать достаточную механическую прочность, одновременно также минимизируя объем материала стенок, через которые проходят трубопроводы. В частности, чрезмерно толстые стенки могут уменьшать количество тепла, которое передается проницаемому пласту, посредством его поглощения при передаче. С другой стороны, стенки могут также действовать в качестве теплового барьера, в некоторой степени изолируя проницаемый пласт и сохраняя в нем тепло в процессе работы.

В одном варианте осуществления текучие среды и газообразные соединения в проницаемом пласте можно изменять для желательных извлекаемых продуктов, используя, например, индуцированное давление через газы или гравитационное литостатическое давление от сложенного бута, и введение агентов для извлечения минералов. Таким образом, можно осуществлять в некоторой степени модернизацию и/или модификацию одновременно с процессом извлечения. Кроме того, для определенных углеводородных материалов может потребоваться обработка с использованием особых растворителей или других материалов. Например, обработку битуминозных песков можно легко осуществлять введением пара или введением растворителя, чтобы упростить отделение битума от частиц песка, согласно хорошо известным механизмам.

С учетом приведенного выше описания, фиг. 1 представляет боковой вид одного варианта осуществления настоящего изобретения, показывая сооруженный герметичный отсек и резервуар для извлечения 100, где существующий пласт 108 используют главным образом в качестве опоры для непроницаемого нижнего слоя 112. Внешние боковые стенки резервуара 102 обеспечивают герметизацию и могут, но не обязательно, подразделяться внутренними стенками 104. Подразделение может создавать отдельные герметичные отсеки 122 в большем герметичном отсеке 100, которая может иметь любую геометрию, размер или подразделение. Дополнительные подразделения могут иметь горизонтальную или вертикальную укладку. Путем создания отдельных герметичных отсеков 122 можно легко приспособить классификацию низкокачественных материалов, различных газов, различных жидкостей, различных технологических стадий, включая извлечение минералов, различных ферментов или типов микроорганизмов, или других желательных и выполняемых поэтапно процессов. Можно также спроектировать отдельные отсеки внутри более крупных сооруженных отсеков, чтобы обеспечить поэтапную и последовательную обработку, температуры, составы газа и текучей среды и теплопередачи. Указанные отсеки могут обеспечить дополнительное наблюдение за окружающей средой и могут состоять из облицованных и сконструированные уступов из отходов, аналогично основным внешним стенкам. В одном варианте осуществления отсеки внутри резервуара 100 можно использовать для помещения материалов в изоляцию, если отсутствует внешнее тепло, или с намерением ограниченного или контролируемого сгорания или применения растворителя. Материал, содержащий углеводороды в пониженной концентрации, может оказаться полезным в качестве материала для сгорания или в качестве наполнителя или материала для изготовления стены с уступами. Материал, который не отвечает уровням содержание металла в руде, при котором добыча становится нерентабельной, можно также выделить без изменения в резервуар, предназначенный для данной цели. В таких вариантах выполнения, данные области можно полностью изолировать

- 11 024556 или шунтировать теплом, растворителями, газами, жидкостями или т.п. Можно постоянно или временно установить следящие устройства и/или оборудование внутри резервуара или вне них для подтверждения герметизации выделенного материала в системе.

Стенки 102 и 104, крышка 116 и непроницаемый для текучих сред слой 112 могут быть сконструированы и укреплены многолойными габионами 146 и/или георешетками 148, уложенными в наполнитель. Как вариант, такие стенки 102, 104, 116 и 112, которые являются контролирующим проницаемость резервуаром и в совокупности образуют замкнутый объем, могут быть изготовлены из любого другого подходящего материала, как уже описано выше. В этом варианте воплощения резервуар 100 включает боковые стенки 102 и 104, которые являются свободно стоящими. В одном варианте осуществления уступы, стенки и полы из отходов можно уплотнять и проектировать для строения, а также проницаемости. Использование уплотненных георешеток и других анкерных структур для опоры уступов и насыпей можно включать заранее или вводить в контролирующие проницаемость слои, которые могут включать песок, глину, бентонитовую глину, гравий, цемент, цементный раствор, армированный цемент, огнеупорные цементы, изоляции, геомембраны, сточные трубы, термостойкие изоляции проникающих нагретых труб и т.д.

В одном альтернативном варианте осуществления контролирующий проницаемость резервуар может включать боковые стенки, которые представляют собой уплотненный грунт или и/или ненарушенные геологические пласты, в то время как крышка и основания являются непроницаемыми. В частности, в таких вариантах осуществления непроницаемую крышку можно использовать для предотвращения неконтролируемой утечки летучих веществ и газов из резервуара, таким образом, чтобы можно было использовать соответствующие выпускные отверстия для сбора газов. Аналогичным образом, непроницаемое основание можно использовать для содержания и направления собранных жидкостей в соответствующее выпускное отверстие, чтобы сточная система 133 выводила жидкие продукты из нижнего пространства резервуара. Такая конфигурация является особенно пригодной для выведения текучих сред, содержащих металлы, которые были выделены из проницаемого пласта. Хотя непроницаемые боковые стенки могут оказаться желательными в некоторых вариантах осуществления, они не всегда требуются. В некоторых случаях, боковые стенки могут представлять собой открытый ненарушенный грунт или уплотненный наполнитель или грунт, или другой проницаемый материал. Наличие проницаемых боковых стенок может допускать небольшую утечку газов и/или жидкостей из резервуара.

Хотя это не показано, выше, ниже, вокруг и рядом с сооруженными отсеками резервуара можно спроектировать экологические гидрологические меры для отведения поверхностной воды во время работы от стенок, основания, крышек отсека и т.д.

Кроме того, можно использовать самотечные сточные трубы и механизмы, чтобы собирать и направлять текучие среды, жидкости или растворители в пределах замкнутого объема в центральные сборные, нагнетательные, конденсационные, нагревательные, вспомогательные и сливные трубы, бункеры, резервуары и/или скважины, насколько это необходимо. Аналогичным образом, можно рециркулировать пар и/или воду, которую вводят преднамеренно, например, для обработки битуминозных песков и битума.

Когда стенки 102 и 104 построены над сооруженным и непроницаемым нижним слоем 112, который начинается с поверхности 106 земли, добываемый бутовый камень 120 (который можно измельчать или сортировать согласно размеру или обогащению углеводородами) можно помещать в слои сверху (или около) уложенных полых нагревательных труб 118, сливных труб 124 для текучих сред и/или труб 126 для сбора или введения газов. Эти трубы могут быть ориентированы и спроектированы для любой оптимальной модели потока, угла, длины, размера, объем, пересечения, решетки, размера стен, сплавной конструкции, схемы перфорации, скорости введения и скорости выведения. В некоторых случаях трубами, в том числе используемыми для теплопередачи, можно соединять, рециркулировать или получать тепло от источника 134 тепла. В качестве альтернативы, или в сочетании, извлеченные газы можно конденсировать с помощью холодильника 140. Тепло, извлеченное с помощью холодильника, можно необязательно использовать для дополнительного нагревания проницаемого пласта или для других технологических потребностей.

Источник 134 тепла может получать, усиливать, собирать, создавать, объединять, отделять, передавать или включать тепло, полученное от любого подходящего источника тепла, включая, но не ограничиваясь этим, топливные элементы (например, твердые оксидные топливные элементы, топливные элементы с расплавленным карбонатным электролитом и т.п.), солнечные источники, ветровые источники, нагреватели на основе сгорания жидких или газообразных углеводородов, геотермальные источники тепла, атомные электростанции, угольные тепловые электростанции, радиочастотные источники тепла, волновые источники энергии, беспламенные камеры сгорания, распределенные камеры сгорания на природном топливе или любые их сочетания. В некоторых случаях можно использовать электрические резистивные нагреватели или другие нагреватели, хотя топливные элементы и нагреватели на основе сгорания являются особенно эффективными. В некоторых местностях геотермальная вода может циркулировать к поверхности в достаточных количествах для нагревания проницаемого пласта и направляться в инфраструктуру.

- 12 024556

В другом варианте осуществления электропроводящий материал можно распределять по всему проницаемому пласту и электрический ток достаточно силы можно пропускать через проводящий материал для выработки тепла. Электропроводящий материал может включать, но не ограничивается этим, металлические детали или шарики, проводящий цемент, покрытые металлом частицы, металлокерамические композиты, проводящие карбиды полуметаллов, обожженный нефтяной кокс, проложенные провода, сочетания данных материалов и т.п. Электропроводящий материал, имеющий частицы различных размеров, можно предварительно смешивать, или материалы можно вводить в проницаемый пласт после образования проницаемого пласта.

Жидкости или газы могут передавать тепло от источника 134 тепла, или в другом варианте осуществления в случаях сгорания жидких или газообразных углеводородов, все радиочастотные (микроволновые) генераторы или топливные элементы могут, но не обязательно, фактически генерировать тепло внутри отсеков 114 или 122. В одном варианте осуществления нагревание проницаемого пласта можно осуществлять конвективным нагреванием за счет сгорания углеводородов. Особый интерес представляет сгорание углеводородов, осуществляемое в условиях стехиометрического соотношения топлива и кислорода. Стехиометрические условия могут обеспечить значительное увеличение температуры сгорания газа. В стехиометрическом сгорании может использоваться, но обычно не требуется, источник чистого кислорода, который могут обеспечить известные технологии, включая, но не ограничиваясь этим, концентраторы кислорода, мембраны, электролиз и т.п. В некоторых вариантах осуществления кислород можно получать из воздуха при стехиометрическом соотношении кислорода и водорода. Газообразные продукты сгорания можно направлять в сверхвысокотемпературный теплообменник, например, керамический или другой пригодный материал, имеющий рабочую температуру выше приблизительно 2500°Р (1371°С). Воздух, полученный из окружающей среды или рециркулирующий с других процессов, можно нагревать посредством сверхвысокотемпературного теплообменника и затем направлять в резервуар для нагревания проницаемого пласта. Газообразные продукты сгорания можно затем отделять без необходимости дальнейшего разделения, потому что эти газообразные продукты представляют собой, главным образом, диоксид углерода и воду.

Чтобы минимизировать потери тепла, можно минимизировать расстояния между камерой сгорания, теплообменником и резервуарами. Следовательно, в одном конкретном подробно описанном варианте осуществления можно прикрепить портативные камеры сгорания к отдельным теплопроводам или меньшим секциям трубопроводов. Портативные камеры сгорания или горелки могут индивидуально обеспечивать от приблизительно 100000 британских тепловых единиц (БТЕ, 1,05 5-10⁵ кДж) до приблизительно 1000000 БТЕ (1,055-10⁶ кДж), причем обычно достаточно по приблизительно 600000 БТЕ (6,33-10⁵ кДж) на трубу.

В качестве альтернативы, сгорание внутри отсека можно инициировать внутри изолированного отсека в пределах основной структуры сооруженного герметичного отсека. В этом процессе частично сгорает углеводородный материал для обеспечения тепла и собственного пиролиза. Нежелательные выбросы в атмосферу 144 можно захватывать и отделять в пласт 108 сразу после выхода из отсеков 114, 122 или из источника 134 тепла и передавать по пробуренной скважине 142. Источник 134 тепла может также генерировать электричество и передавать, преобразовывать или поставлять энергию по линиям 150 электропередачи. Жидкости или газы, выделенные из отсеков 114 или 122, можно хранить в установленном вблизи резервуаре для хранения 136 или в отсеках 114 или 122. Например, непроницаемый нижний слой 112 может включать наклонную область 110, которая направляет жидкости в сточную систему 133, откуда жидкости направляют в резервуар для хранения.

Когда бутовый материал 120 помещают с трубами 118, 124, 126 и 128, различные измерительные устройства или датчики 130 предусмотрены для наблюдения за температурой, давлением, текучими средами, газами, составами, скоростями нагревания, плотностью и всеми другими технологическими параметрами во время процесса извлечения в пределах, вокруг или под сооруженного резервуара герметичного отсека 100. Указанные наблюдательные устройства и датчики 130 можно распределять в любых местах внутри, вокруг, в рамках, в связи или сверху проложенных труб 118, 124, 126 и 128 или сверху под покрытием или при погружении в бутовый материал 120 или непроницаемый барьерной зоны 112.

Так как помещенный бутовый материал 120 заполняет отсек 114 или 122, материал 120 становится верхней опорой для сооруженной непроницаемой верхней барьерной зоны 138 и конструкции стенок барьера 170, которая может включать любое сочетание непроницаемых и спроектированных барьеров для текучих сред и газов, или сооруженной конструкции, включающая материалы, из которых можно изготовлять, в том числе, но не ограничиваясь этим, глину 162, уплотненный наполнитель или привозной материал 164, цемент или огнеупорный цемент, содержащий материал 166, геосинтетическую мембрану, вкладыш или изоляцию 168. Над зоной 138, материал наполнителя, который можно помещать в качестве верхней крышки 116, помещен для создания литостатического давления на области нагревания отсека 114 или 122. Покрытие проницаемого пласта с уплотненным наполнителем, достаточное для создания повышенного литостатического давления в пределах проницаемого пласта, может оказаться полезным для дальнейшего повышения качества углеводородного продукта. Верхний слой уплотненного наполни- 13 024556 теля может существенно покрывать проницаемый пласт, в то время как проницаемый пласт, в свою очередь, может существенно поддерживать верхний слой уплотненного наполнителя. Верхний слой уплотненного наполнителя может, кроме того, быть достаточно непроницаемым для извлекаемых углеводородов, или дополнительный слой контролирующего проницаемость материала можно добавить аналогичным образом в качестве боковой и/или нижней стенок. Дополнительное давление можно приложить к области нагревания отсека для извлечения 114 или 122 путем увеличения любого извлеченного газа или текучей среды, обработанного или рециркулирущего, в зависимости от обстоятельств, через любую из труб 118, 124, 126 или 128. Все относительные измерения, скорости оптимизации, скорости введения, скорости извлечения, температуры, скорости нагревания, скорости потока, значения давления, показатели емкости, химические составы или другие данные, имеющие отношение к процессам нагревания, извлечения, стабилизации, отделения, хранения, модернизации, очистки или структурного анализа в пределах резервуара 100 предусмотрены через соединение с компьютерным устройством 132, которое использует компьютерное программное обеспечение для управления, вычисления и оптимизации всего процесса. Кроме того, колонковое бурение, анализ геологических резервов и аналитическое моделирование пласта перед взрывными, горными и транспортными работами (или в любое время до, после или в процессе выполнения данных работ) может служить в качестве средства ввода данных в управляемые компьютером механизмы, которые используют программное обеспечение для определения оптимальных размещений, размеров, объемов и моделей, калиброванных и имеющих перекрестные ссылки на желательную скорость производства, давление, температуру, скорости теплопередачи, массовые процентные соотношения газов, составов вводимых газов, теплоемкость, проницаемость, пористость, химический и минеральный состав, уплотнение, плотность. Указанный анализ и определения могут включать и другие факторы, в том числе факторы погодных условий, включая температуру и влажность воздуха, которые влияют на общую эффективность сооруженной инфраструктуры. Другие данные, в том числе влажность руды, обогащение углеводородами, масса, размер частиц и минеральный и геологический состав, включая проектируемое извлечение ценных металлов, можно использовать в качестве вводимых данных, включая наборы данных о временной стоимости денег, которые определяют проектные потоки денежных средств, обслуживание долга и внутренние нормы доходности.

Фиг. 2А представляет собрание резервуаров, включая непокрытый или не имеющий крышки резервуар 100, который содержит разделенные на секции резервуары 122 внутри горного карьера 200 с различными возвышениями уступной выемки. Фиг. 2В иллюстрирует одиночный резервуар 122 без связанных с ним трубопроводов и других аспектов исключительно в целях ясности. Данный резервуар может быть аналогичен тому, который иллюстрирует фиг. 1, или иметь любую другую конфигурацию. В некоторых вариантах осуществления предусмотрено, что добываемый бут можно транспортировать по спускным желобам 230 или посредством конвейеров 232 в резервуары 100 и 122 без какой-либо необходимости рудничных транспортных грузовиков.

Фиг. 3 представляет собой спроектированные барьеры проницаемости 112 ниже резервуара 100, опирающегося на существующую поверхность 106 пласта 108 с верхним покровным материалом или наполнителем 302 по сторонам и сверху резервуара 100 для окончательного (после процесса) покрытия и восстановления новой поверхности 300 земли. Местные растения, которые могли быть временно убраны из данной области, можно пересадить, в том числе деревья 306. Сооруженные инфраструктуры могут, как правило, представлять собой структуры однократного пользования, которые можно легко и безопасно сносить с минимальным дополнительным исправлением. Это может существенно снизить затраты, связанные с перемещением больших объемов отработанных материалов. Однако в некоторых обстоятельствах сооруженные инфраструктуры можно выкапывать и использовать повторно. Некоторое оборудование, в том числе радиочастотные устройства, трубчатые приспособления, устройства и излучатели можно извлекать из сооруженного резервуара после завершения извлечения углеводородов.

Фиг. 4 представляет компьютерное оборудование 130, контролирующее различные параметры входных и выходных трубопроводов 118, 126 или 128, соединенных с источником тепла 134 во время процесса в резервуарах 122 в сборном резервуаре 100, чтобы контролировать нагревание проницаемого пласта. Аналогичным образом, жидкость и пар, собираемые из резервуаров, можно отслеживать и собирать в емкость 136 и холодильник 140, соответственно. Сконденсированные жидкости из холодильника можно собирать в емкость 141, в то время как неконденсирующийся пар, собираемый в емкость 143. Как описано выше, жидкие и парообразные продукты можно объединять или чаще оставлять как отдельные продукты в зависимости от конденсируемости, целевого продукта и т.п. Часть парообразного продукта можно необязательно конденсировать и объединять с жидкими продуктами в емкости 136. Однако большая часть парообразного продукта будет представлять собой газы С4 и легче, которые можно сжигать, продавать или использовать в рамках процесса. Например, газообразный водород можно выделять, используя традиционное разделение газов, и использовать для гидрирования жидкие продукты согласно традиционным способам повышения качества, например, каталитическим и т.д., или неконденсирующийся газообразный продукт можно сжигать для производства тепла, используемого для нагревания проницаемого пласта, нагревания соседнего или близлежащего резервуара, отопления служебных помещений или помещений для персонала, или удовлетворения других тепловых потребностей процесса. Со- 14 024556 оружейная инфраструктура может включать термопары, измерители давления, расходомеры, датчики дисперсии текучих сред, датчики концентрации и любые другие традиционные технологические контрольные устройства, распределенные по всей сооруженной инфраструктуре. Каждое из указанных устройств может иметь рабочую связь с компьютером, таким образом, скорости нагревания, скорости течения продуктов и давления можно отслеживать или изменять во время нагревания проницаемого пласта. Необязательно можно осуществлять местное перемешивание, используя, например, ультразвуковые генераторы, которые связаны с проницаемым пластом. Указанное перемешивание может облегчить разделение и пиролиз углеводородов из нижележащих твердых материалов, с которыми они связаны. Кроме того, достаточное перемешивание может сократить закупорку и агломерацию по всему проницаемому пласту и трубопроводам.

Фиг. 5 показывает использование каких-либо трубопроводов для передачи тепла в любой форме газа, жидкости или тепла с помощью средств передачи от одного разделенного на секции резервуара к другому. Охлажденную текучую среду можно передавать с помощью средств 512 теплопередачи в производящий тепло отсек 500 или производящий тепло источник 134, чтобы получить больше тепла от отсека 500 для повторной рециркуляции к назначенному отсеку 522. Таким образом, различные трубопроводы можно использовать для передачи тепла от одного резервуара к другому, чтобы рециркулировать тепло и управлять использованием энергии для минимизации энергетических потерь.

В еще одном аспекте водород-донорный агент можно вводить в проницаемый пласт во время стадии нагревания. Водород-донорный агент может иметь любой состав, который способен гидрировать углеводороды и необязательно может представлять собой восстановитель. Неограничительные примеры пригодных водород-донорных агентов могут включать синтез-газ, пропан, метан, водород, природный газ, природный газовый конденсат, промышленные растворители, в том числе ацетоны, толуолы, бензолы, ксилолы, кумолы, циклопентаны, циклогексаны, низшие алкены (С4-С10), терпены, замещенные производные данных растворителей и т.д. и т.п. Кроме того, извлекаемые углеводороды можно подвергать гидрированию, в том числе в пределах проницаемого пласта или после сбора. Преимущественно, водород, извлеченный из газообразных продуктов, можно повторно вводить в жидкий продукт для его модификации. Тем не менее, гидрирование или гидродесульфирование может быть очень полезно для уменьшения содержания азота и серы в конечных углеводородных продуктах. Необязательно, можно вводить катализаторы для ускорения данных реакций. Кроме того, введение легких углеводородов в проницаемый пласт может приводить к реакциям реформинга, которые снижают молекулярную массу, одновременно увеличивая соотношение водорода к углероду. Это имеет особое преимущество, так как, по меньшей мере, частично повышает проницаемость проницаемого пласта, например, часто приблизительно 30-40% составляет поровый объем, хотя поровый объем может обычно составлять от приблизительно 10 до приблизительно 50%. Легкие углеводороды, которые можно вводить, могут представлять собой любые, которые обеспечивают реформинг извлекаемых углеводородов. Неограничительные примеры пригодных легких углеводородов включают природный газ, природные газовые конденсаты, промышленные растворители, водород-донорные агенты и другие углеводороды, содержащие десять или менее атомов углерода и часто пять или менее атомов углерода. В настоящее время, природный газ представляет собой эффективный, удобный и обильный легкий углеводород. Как отмечено выше, различные растворители или другие добавки можно также добавлять для содействия извлечению углеводородных продуктов из горючих сланцев, и они часто также увеличивают текучесть.

Легкие углеводороды можно вводить в проницаемый пласт путем их передачи через подающий трубопровод, имеющий открытый конец в гидросоединении с нижней частью проницаемого пласта, таким образом, что легкие углеводороды (которые представляют собой газ при нормальных рабочих условиях) проникают через проницаемый пласт. В качестве альтернативы, такой же подход можно использовать для извлеченных углеводородов, которые сначала подаются в пустой резервуар. Таким образом, резервуар может действовать в качестве резервуар для хранения непосредственных продуктов из соседнего резервуара и в качестве установки для реформинга или модификации. В данном варианте осуществления резервуар может быть, по меньшей мере, частично наполнен жидким продуктом, когда газообразный легкий углеводород пропускают и приводят в контакт с жидкими углеводородными продуктами при температурах и условиях, достаточных для достижения реформинга, в соответствии с хорошо известными способами. Необязательные катализаторы реформинга, которые включают металлы, в том числе Рб, Νί или другие подходящие каталитически активные металлы, можно также вводить в жидкий продукт в пределах резервуара. Добавление катализаторов может служить для снижения и/или регулирования температуры и/или давления реформинга для определенных жидких продуктов. Кроме того, резервуары можно легко образовывать почти на любой глубине. Таким образом, оптимальные давления реформинга (или давления извлечения при использовании глубины резервуара в качестве меры контроля давления для извлечения из проницаемого пласта) можно запланировать на основании гидростатического давления, обусловленного количеством жидкости в резервуаре и высотой резервуара, т.е. Р=рдй. Кроме того, давление может значительно изменяться по высоте резервуара, что достаточно для образования нескольких зон реформинга и регулируемых давлений. Как правило, давления в пределах проницаемого пласта могут быть достаточными для достижения практически исключительного извлечения жидкостей, хотя

- 15 024556 некоторые незначительные объемы пара могут образовываться в зависимости от конкретного состава проницаемого пласта. Согласно общему правилу, давления могут изменяться от приблизительно 5 атм (5,065-10⁵ Па) до приблизительно 50 атм (5,065-10⁶ Па), хотя давления от приблизительно 6 атм (6,078-10⁵ Па) до приблизительно 20 атм (2,026-10⁶ Па) могут быть особенно полезными. Однако можно использовать любое давление выше, чем приблизительно атмосферное.

В одном варианте осуществления извлеченная сырая нефть содержит мелкие частицы, осаждающиеся в пределах подразделенных отсеков. Извлеченные текучие среды и газы можно обрабатывать для удаления мелких частиц и частиц пыли. Отделение мелких частиц от горючих сланцев можно осуществлять известными способами, в том числе, но не ограничиваясь этим, фильтрованием горячего газа, осаждением и рециркуляцией тяжелой нефти.

Углеводородные продукты, извлеченные из проницаемого пласта, можно дополнительно перерабатывать (например, очищать) или использовать в полученном виде. Любые конденсирующиеся газообразные продукты можно конденсировать охлаждением и сбором, в то время как неконденсирующиеся газы можно собирать, сжигать в качестве топлива, повторно вводить, использовать иным образом или утилизировать. Необязательно, можно использовать мобильное оборудование для сбора газов. Данные устройства можно легко располагать вблизи контролирующей инфраструктуры и направлять в них газообразный продукт через соответствующие трубопроводы из верхней части контролирующей инфраструктуры.

В еще одном альтернативном варианте осуществления тепло в пределах проницаемого пласта можно извлекать после первичного извлечения из него углеводородных материалов. Например, большое количество тепла сохраняется в проницаемом пласте. В одном необязательном варианте осуществления проницаемый пласт можно заливать теплопередающей текучей средой, в том числе водой, для образования нагретой текучей среды, например, нагретой воды и/или пара. В то же время, данный способ может облегчить извлечение некоторых остаточных углеводородных продуктов посредством физического промывания отработанных твердых сланцев. В некоторых случаях, введение воды и присутствие пара может приводить реакциям сдвига водяного газа и образованию синтез-газа. Пар, извлекаемый в данном процессе, можно использовать для работы генератора, направлять в другую соседнюю инфраструктуру или использовать иным способом. Углеводороды и/или синтез-газ можно отделять от пара или нагретой текучей среды традиционными способами.

Хотя способы и инфраструктура обеспечивают улучшенную проницаемость и контроль рабочих условий, значительные количества неизвлеченных углеводородов, благородных металлов, минералов, бикарбоната натрия или других коммерчески ценных материалов часто остаются в проницаемом пласте. Следовательно, особенно в случае извлекаемых металлов, как описано выше, агент, который может включать селективный растворитель, выщелачивающий агент, хелатообразующий агент или, в некоторых случаях, только горячую воду, или любое сочетание перечисленного выше, можно впрыскивать или вводить в проницаемый пласт, чтобы растворять, связывать, выделять в элементарной форме или иным образом переводить указанные металлы в раствор или образовывать осадок, который может быть суспендирован в растворе, или даже в виде пара. Как правило, это можно осуществлять после сбора углеводородов, хотя определенные селективные агенты или растворители можно преимущественно использовать перед нагреванием и/или сбором. Это можно осуществлять путем использования одного или более существующих трубопроводов или непосредственного введения и проникновения через проницаемый пласт. Селективный агент, в том числе растворитель, фильтрат или другой материал, можно выбирать в качестве растворителя для одного или более целевых материалов, например, минералов, благородных металлов, тяжелых металлов, углеводородов или бикарбоната натрия. Как отмечено выше, единственное ограничение состоит в функциональности. В одном конкретном варианте осуществления пар или диоксид углерода можно использовать для промывания проницаемого пласта, чтобы вытеснить, по меньшей мере, часть оставшихся углеводородов. Это может быть выгодно не только для извлечения потенциально ценных вторичных продуктов, но также для очистки оставшихся отработанных материалов от следов тяжелых металлов или неорганических веществ до уровней ниже предела обнаружения в целях соблюдения установленных стандартов или предотвращения случайного выщелачивания материалов в будущем.

Подходящие растворители, выщелачивающие агенты и т.п. могут включать кислоты, сочетания кислот, в том числе азотную, соляную, серную, сульфоновую, фосфорную, фосфоновую и другие неорганические кислоты. Хелатообразующие агенты, которые можно использовать, включают этилендиаминтетрауксусную кислоту (ΕΌΤΆ) и аналогичные связывающие лиганды. Специализированные способы хелатообразования, включающие лиганды, связанные с мембранами, описаны в патентах США № 5789496 и № 6544422, которые выданы фирме 1ВС Абуапсеб ТссНпо1од1С5. 1пс. и включены в настоящий документ посредством ссылки. Способы извлечения и нейтрализации радиоактивных материалов описаны в патенте США № 7390934 и опубликованной патентной заявке США № 2008/0134837 (дата публикации 12 июня 2008 года), которые включены в настоящий документ посредством ссылки.

Более конкретно, различные стадии извлечения можно использовать как до, так и после нагревания проницаемого пласта, чтобы извлекать тяжелые металлы, благородные металлы, следовые металлы или другие материалы, которые имеют экономическое значение или могут вызывать нежелательные пробле- 16 024556 мы во время нагревания проницаемого пласта. Как правило, указанное извлечение материалов можно осуществлять перед термической обработкой проницаемого пласта. Стадии извлечения могут включать, но никаким образом не ограничены этим, добычу растворением, выщелачивание, извлечение с помощью растворителя, осаждение, обработку кислотами (например, соляная кислота, кислые галогениды и т.д.), флотацию, обработку ионообменными смолами, гальваническое покрытие или т.п. Например, тяжелые металлы, боксит или алюминий и ртуть можно извлекать заливкой проницаемого пласта соответствующим растворителем и рециркуляцией полученного фильтрата через соответствующим образом выбранные ионообменные смолы (например, гранулы, мембраны и т.д.).

При извлечении минералов после извлечения углеводородов иногда может оказаться выгодным сначала увеличить температуру в пористом пласте до достаточного уровня, чтобы обжечь или иным образом вызвать определенную степень разрушения пористого материала, увеличив тем самым площадь поверхности в пористом пласте, чтобы можно было увеличить контакт между агентом и металлом.

Аналогичным образом, можно осуществлять биоэкстракцию, биовыщелачивание, биоизвлечение или биоулучшение углеводородного материала, отработанных материалов, или благородных металлов, чтобы дополнительно усовершенствовать улучшение, извлечение ценных металлов и восстановление отработанных материалов в соответствии с экологически приемлемыми стандартами. В таких моделях биоэкстракции, можно использовать трубопроводы для введения катализирующих газов в качестве исходных веществ, которые способствуют началу биореакции и ее развитию. Такие микроорганизмы и ферменты могут биохимически окислять рудный пласт или материал или целлюлозный материал или другую биомассу перед экстракцией руды растворителем посредством биоокисления. Например, можноиспользовать перфорированную трубу или другое устройство для введения легкого углеводорода (например, метана, этана, пропана или бутана) в проницаемый пласт в достаточном количестве, чтобы стимулировать рост и действие природных бактерий. Бактерии могут быть природными или введенными и могут расти в аэробных или анаэробных условиях. Такие бактерии могут извлекать из проницаемого пласта металлы, которые затем можно выделять путем промывки соответствующим растворителем или другими пригодными способами извлечения. Извлеченные металлы можно затем осаждать, используя традиционные способы.

Синтез-газ можно также извлекать из проницаемого пласта во время стадия нагревания. Различными стадиями производства газа можно управлять, используя способы, которые повышают или снижают рабочие температуры в замкнутом объеме и регулируют другие продукты, которые вводят в резервуар для получения синтетических газов, которые могут включать, но не ограничены этим, моноксид углерода, водород, сероводород, углеводороды, аммиак, воду, азот или их различные сочетания. В одном варианте осуществления температуру и давление можно контролировать в пределах проницаемого пласта для снижения выбросов СО2 при выделении синтетических газов. Углеводородный продукт, извлеченный из сооруженных инфраструктур, можно чаще всего подвергать дальнейшей переработке, например, путем модификации, очистки и т.д. Серу из соответствующих процессов модификации и очистки можно выделять в различные сооруженные серные отсеки в пределах большего сооруженного капсульного резервуара. Сооруженные серные отсеки могут представлять собой отработанные сооруженные инфраструктуры или выделяться в целях хранения и изоляции после обессеривания.

Аналогичным образом, отработанный углеводородный материал, оставшийся в сооруженной инфраструктуре, в частности, после извлечения металлов, которое может включать извлечение тяжелых или токсичных металлов, можно использовать в производстве цемента и продуктов-наполнителей для использования в сооружении или стабилизации самой инфраструктуры или в строительстве сооруженных инфраструктур вне площадки. Указанные цементные продукты, изготовленные из отработанных сланцев, могут включать, но не ограничены этим, смеси, содержащие портлендцемент, соли кальция, вулканический пепел, перлит, синтетический наноуглерод, песок, стекловолокно, битое стекло, асфальт, гудрон, связующие смолы, целлюлозные растительные волокна и т.п.

В еще одном варианте осуществления введение, наблюдение и производство трубопроводов или выходов для извлечения можно осуществлять в любой модели или расположении в рамках сооруженной инфраструктуры. Измерительные скважины и сооруженные геомембранные слои ниже или вне сооруженного герметичного отсека можно использовать для слежения за нежелательной миграцией текучих сред и влажностью за пределами резервуара и сооруженной инфраструктуры.

Хотя заполненную и подготовленную сооруженную инфраструктуру часто можно немедленно нагревать для извлечения углеводородов, это не является обязательным. Например, сооруженную инфраструктуру, которая построена и заполнена добываемым углеводородным материалом, можно оставить на месте в качестве доказанного резерва. Указанные структуры являются менее уязвимыми по отношению к взрыву или повреждению вследствие террористической деятельности и могут также обеспечивать стратегические резервы непереработанных нефтепродуктов с классифицированными и известными свойствами, таким образом, что экономические оценки могут стать более значительными и более прогнозируемыми. Долгосрочное хранение нефти часто сталкивается с проблемами ухудшения качества с течением времени. Таким образом, данные подходы можно необязательно использовать для долгосрочного обеспечения и сохранения качества с уменьшенным беспокойством о разложении и снижении качества угле- 17 024556 водородных продуктов. В еще одном аспекте высококачественный жидкий продукт можно смешивать с более вязкими низкокачественными (например, с меньшим индексом ΑΗΝ) углеводородными продуктами. Например, керогенное масло, полученное из резервуаров, можно смешивать с битумом для получения смешанного масла. Битум обычно нельзя транспортировать через удлиненный трубопровод согласно традиционным и принятым трубопроводным стандартам, и он может иметь вязкость существенно выше и индекс ΑΗΝ существенно ниже, чем у керогенного масла. Смешивание керогенного масла и битума может сделать смешанное масло транспортируемым без использования дополнительных разбавителей или других средств, модифицирующих вязкость или индекс ΑΗΝ. В результате смешанное масло можно прокачивать через трубопровод без необходимости дополнительных процедур для удаления разбавителя или возврата указанных разбавителей через вторичный трубопровод. Традиционно битум соединяют с разбавителем, включая природный газовый конденсат или другие низкомолекулярные жидкости, чтобы обеспечить перекачивание в отдаленное место. Разбавитель удаляют и возвращают через второй трубопровод обратно к источнику битума. Такие подходы позволяют исключить возврат разбавителя и одновременно улучшить битум.

Сооруженная инфраструктура и связанный с ней способ может привести к решению сложных проблем, относящихся к извлечению жидких и газообразных углеводородов из поверхностных или подземных разрабатываемых содержащих углеводороды месторождений, включая горючие сланцы, битуминозные пески, лигнит и уголь, и из собираемой биомассы. Помимо прочего, это позволяет сократить затраты, увеличить объем продукции, снизить выбросы в атмосферу, ограничить потребление воды, предотвратить загрязнение водоемов, восстановить поверхностные разрушения, сократить затраты на обработку материала, устранить мелкодисперсные загрязнения и улучшить состав извлекаемых жидких или газообразных углеводородов. Это также позволяет решать проблемы загрязнения воды с помощью более безопасной, более прогнозируемой, спроектированной, наблюдаемой, ремонтируемой, приспособляемой и охраняемой водозащитной структуры.

Хотя описанные способы и системы зависят от горных работ, они не ограничены и не обременены традиционными надземными (внешними) способами перегонки в реторте. Такой подход превосходит по своим преимуществам поверхностные реторты с учетом лучшего способа контроля температуры, давления, скоростей введения, составов текучих сред и газов, качества продуктов и лучшей проницаемости вследствие обработки и нагревания добываемого бута. Эти преимущества доступны, в то время как проблемы объема, обработки и расширяемости не могут быть решены большинством изготовляемых поверхностных реторт.

Другие усовершенствования, которые можно осуществить, относятся к охране окружающей среды. Традиционные поверхностные реторты сталкиваются с проблемой не отработанных сланцев после их добычи и пропускания через поверхностную реторту. Отработанные сланцы, которые были термически обработаны, требуют особого обращения для извлечения и выделения из поверхностных сточных резервуаров и подземных водоемов. Описанные системы и способы относятся к извлечению и ретортной обработке в уникально совмещенном подходе. В отношении выбросов в атмосферу, которые также представляют собой основную проблему, характерную для способов предварительной обработки в поверхностной реторте, такой подход вследствие его огромной емкости и высокой проницаемости может обеспечивать более продолжительные сроки выдерживания при нагревании и, следовательно, меньшие температуры. Одно преимущество снижения температуры в процессе извлечения состоит в том, что образование диоксида при разложении карбонатов в содержащей горючие сланцы руде можно существенно ограничить, резко сокращая тем самым выбросы СО₂ и загрязняющих атмосферу веществ. Данная система обеспечивает уникальные решения проблем, причем не одной, а множества проблем, и представляет собой интегрированный подход. В результате возможно достижение значительных выгод для общества с точки зрения производства энергии, экономических возможностей, защиты окружающей среды и энергоемкости.

Следует понимать, что приведенные выше устройства представляют собой иллюстрации применения принципов настоящего изобретения. Таким образом, хотя настоящее изобретение было описано выше в связи с примерными вариантами осуществления настоящего изобретения, обычным специалистам в данной области техники станет очевидным, что многочисленные модификации и альтернативные устройства можно осуществить без отклонения от принципов и понятий настоящего изобретения, как изложено в формуле изобретения.

Claims (17)

ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ

1. Способ извлечения металлов из материалов, содержащих углеводороды и металлы, согласно которому формируют сооруженную инфраструктуру, содержащую резервуар (100), который образует, по существу, замкнутый объем, источник (134) тепла, нагревательные трубы (118), сливные трубы (124), трубы введения агента, с помощью которого извлекают металл из материала, и трубы (126) для сбора или введения газа, причем резервуар содержит по меньшей мере одну стенку (102, 104, 112, 116), выполнен- 18 024556 ную из материала, по существу, предотвращающего неконтролируемую миграцию текучих сред из сооруженной инфраструктуры;

помещают раздробленный материал, содержащий углеводороды и металлы, в указанный резервуар с образованием проницаемого пласта материала;

приводят во взаимодействие пласт материала, содержащего углеводороды и металлы, и агент, с помощью которого извлекают один или более металлов;

выпускают извлеченные металлы и агент наружу из замкнутого объема.

2. Способ по п.1, согласно которому дополнительно нагревают материал, содержащий углеводороды и металлы, для повышения проницаемости указанного пласта.

3. Способ по п.1, согласно которому добываемый материал, содержащий углеводороды и металлы, представляет собой горючие сланцы, битуминозные пески, уголь, лигнит, битум, торф или их комбинации.

4. Способ по п.3, согласно которому извлекают металл, кроме щелочного или щелочно-земельного металла.

5. Способ по п.4, согласно которому извлекают один или более металлов из Си, Ад, Аи, Ρΐ, Мо, ^, Νί и Ρά.

6. Способ по п.4, согласно которому извлекают один или более металлов из Нд, РЬ и и.

7. Способ по п.1, согласно которому проницаемый пласт имеет средний размер фрагментов от приблизительно 6 дюймов (15,24 см) до приблизительно 2 футов (60,96 см).

8. Способ по п.1, согласно которому проницаемый пласт имеет поровое пространство, составляющее от приблизительно 10 до приблизительно 40% всего объема проницаемого пласта.

9. Способ по п.1, согласно которому приведение во взаимодействие пласта материала и агента, с помощью которого извлекают металл, осуществляют после извлечения из материала углеводородов, и проницаемый пласт представляет собой отработанный материал.

10. Способ по п.1, согласно которому агент представляет собой раствор, содержащий растворитель, выщелачиватель, кислоту, хелатообразующий агент, воду и их комбинации.

11. Способ по п.10, согласно которому раствор содержит хелатообразующий агент, связывающий металлы.

12. Способ по п.1 или 2, согласно которому проницаемый пласт приводят во взаимодействие с агентом в течение времени и в температурном интервале, достаточном для перемещения металлов в форме, обеспечивающей их извлечение.

13. Способ по п.1 или 2, согласно которому при перемещении металлов в форме, обеспечивающей их извлечение, обеспечивают стекание жидкого продукта в нижнюю область указанной инфраструктуры, из которой жидкий продукт может быть слит.

14. Способ по п.1 или 2, согласно которому извлечение металлов завершают до переработки материала, содержащего углеводороды и металлы, для извлечения углеводородов.

15. Способ по п.1 или 2, согласно которому извлечение металлов осуществляют одновременно с переработкой материала, содержащего углеводороды и металлы, для извлечения углеводородов.

16. Способ по п.1, согласно которому извлечение металлов осуществляют после переработки материала, содержащего углеводороды и металлы, для извлечения углеводородов, оставляя отработанный материал.

17. Способ по п.18, согласно которому перед приведением во взаимодействие с агентом отработанный материал обжигают при более высокой температуре, чем температура, используемая для извлечения углеводородов.