EA028867B1 - Способы эксплуатации для сокращения накопления остаточных углеводородов в обработке битуминозных сланцев - Google Patents

Abstract

В изобретении способ сокращения накопления остаточных углеводородов во время обработки может включать стадии, в которых формируют проницаемый массив (608) из раздробленного углеводородсодержащего материала внутри замкнутого пространства (602). Первичную систему (610) сбора жидкости размещают в нижней части проницаемого массива. Первичная система (610) сбора жидкости имеет верхнюю поверхность для сбора и выведения жидкостей. Раздробленный углеводородсодержащий материал ниже первичной системы (610) сбора жидкости образует непродуктивную зону (616). По меньшей мере часть проницаемого массива (608) нагревают до средней температуры массива выше технологической температуры, достаточной для удаления из него углеводородов, внутри производственной зоны (614), где условия в непродуктивной зоне (616) поддерживают ниже технологической температуры.

Description

Настоящая заявка утверждает приоритет предварительной патентной заявки США № 61/659252, поданной 13 июня 2012 г., которая включена в данную заявку посредством ссылки.

Уровень техники

Глобальный и внутренний спрос на ископаемые топлива продолжает увеличиваться, несмотря на рост цен и прочие экономические и геополитические обстоятельства. Ввиду продолжения роста такого спроса соответственно расширяются поиски и исследования, направленные на выявление дополнительных экономически выгодных источников ископаемых топлив. Например, с давних пор были обнаружены колоссальные количества энергии, запасенные в залежах битуминозного сланца, угля и битуминозных песков. Однако эти источники остаются трудноразрешаемой задачей в плане экономически конкурентоспособной добычи. Канадские битуминозные пески показали, что такие попытки могут быть плодотворными, хотя по-прежнему остаются многочисленные проблемы, в том числе воздействие на окружающую среду, качество продукта и помимо всего прочего длительность производственного цикла.

Оценки всемирных ресурсов битуминозных сланцев варьируют от двух до почти семи триллионов баррелей нефти, в зависимости от источника данных для оценки. Тем не менее, эти запасы представляют собой колоссальный объем и остаются, по существу, нетронутым ресурсом. Большое число компаний и исследователей продолжает изучать и испытывать способы добычи нефти из таких запасов.

Недавние разработки в области обработки битуминозных сланцев включают процесс 1и-Сарки1е®, где раздробленный битуминозный сланец помещают внутри вырытого в земле накопительного резервуара и нагревают для удаления углеводородов из битуминозного сланца. Эта технология в целом описана в патенте США № 7862705. Добытые углеводороды могут быть извлечены через разнообразные дренажные системы и сборные системы. Однако вырытый в земле накопительный резервуар рассчитан на то, чтобы оставаться на месте и, по существу, быть нетронутым после завершения процесса удаления. В проектировании и эксплуатации такой системы может быть важным фактором долговременная стабильность и устранение или сокращение воздействий на окружающую среду.

Сущность изобретения

Способ сокращения накопления остаточных углеводородов во время обработки может включать формирование проницаемого массива из раздробленного углеводородсодержащего материала внутри замкнутого пространства. В нижней части проницаемого массива размещают первичную систему сбора жидкости. Первичная система сбора жидкости имеет верхнюю поверхность для сбора и выведения жидкостей. Хотя массивная часть раздробленного углеводородсодержащего материала расположена выше первичной системы сбора жидкости, часть раздробленного углеводородсодержащего материала находится ниже первичной системы сбора жидкости и образует непродуктивную зону. По меньшей мере часть проницаемого массива нагревают до средней температуры массива выше технологической температуры, достаточной для удаления из него углеводородов, тогда как условия в непродуктивной зоне поддерживают ниже технологической температуры.

В дополнение, сооруженная инфраструктура с регулируемой проницаемостью может включать накопительный резервуар с регулируемой проницаемостью, определяющий, по существу, замкнутый объем. Как правило, накопительный резервуар, по меньшей мере частично, формируют из земляного материала. Раздробленный углеводородсодержащий материал размещают внутри замкнутого объема с образованием проницаемого массива из углеводородсодержащего материала. Углеводородсодержащий материал может представлять собой битуминозный сланец, уголь, битуминозные пески, лигнин, битум, торф или любой богатый углеводородами материал. Первичную систему сбора жидкости размещают в нижней части проницаемого массива, тогда как часть проницаемого массива размещают ниже первичной системы сбора жидкости. Первичная система сбора жидкости имеет верхнюю поверхность для сбора и выведения жидкостей во время добычи и нагревания. Часть раздробленного углеводородсодержащего материала ниже первичной системы сбора жидкости образует непродуктивную зону, где могут поддерживаться условия во избежание образования или накопления существенного количества углеводородного продукта внутри непродуктивной зоны.

Таким образом, описаны, скорее в общем смысле, наиболее важные признаки изобретения, чтобы нижеследующее подробное описание его могло быть лучше понято и чтобы мог быть лучше оценен по достоинству его настоящий вклад в технологию. Прочие признаки настоящего изобретения станут более ясными из нижеследующего подробного описания изобретения, приведенного с сопроводительными чертежами и формулой изобретения, или могут быть выяснены при практической реализации изобретения.

- 1 028867

Краткое описание чертежей

Фиг. 1 представляет схематический вид сбоку, частично в разрезе, сооруженной инфраструктуры с регулируемой проницаемостью в соответствии с одним вариантом осуществления настоящего изобретения.

Фиг. 2 представляет вид сверху и горизонтальную проекцию многочисленных накопительных резервуаров с регулируемой проницаемостью в соответствии с одним вариантом осуществления настоящего изобретения.

Фиг. 3 представляет вид сбоку в разрезе накопительного резервуара с регулируемой проницаемостью в соответствии с одним вариантом осуществления настоящего изобретения.

Фиг. 4 схематически представляет часть сооруженной инфраструктуры в соответствии с одним вариантом осуществления настоящего изобретения.

Фиг. 5 представляет вид сбоку в разрезе накопительного резервуара с регулируемой проницаемостью в соответствии с одним вариантом осуществления настоящего изобретения.

Фиг. 6 представляет вид сбоку в разрезе накопительного резервуара с регулируемой проницаемостью в соответствии с одним вариантом осуществления настоящего изобретения.

Фиг. 7 представляет профиль температур разнообразных компонентов сооруженной инфраструктуры с регулируемой проницаемостью в соответствии с одним вариантом осуществления настоящего изобретения.

Следует отметить, что чертежи являются только примерными для нескольких вариантов осуществления настоящего изобретения, и тем самым не предполагают никаких ограничений области настоящего изобретения. Кроме того, чертежи в основном выполнены не в масштабе, но сделаны как эскизы в целях удобства и ясности в иллюстрировании разнообразных аспектов изобретения.

Подробное описание изобретения

В то время как данные примерные варианты осуществления описаны достаточно подробно, для того чтобы обеспечить специалистам в данной области техники возможность осуществить изобретение на практике, следует понимать, что могут быть реализованы другие варианты осуществления, и что разнообразные изменения изобретения могут быть сделаны без выхода за пределы основной идеи и объема настоящего изобретения. Таким образом, нижеследующее более подробное описание вариантов осуществления настоящего изобретения не предполагает ограничения области изобретения, как заявленного, но представлено только для целей иллюстрации и описания признаков и характеристик настоящего изобретения, не ограничивая при этом изобретение, также для изложения наилучшего варианта осуществления изобретения и для обеспечения специалисту в данной области техники возможности реализовать изобретение на практике. Соответственно этому область настоящего изобретения должна определяться исключительно прилагаемой формулой изобретения.

Определения

В описании и в формуле настоящего изобретения будет использована следующая терминология. Формы единственного числа включают множественные объекты, если только контекст четко не оговаривает иного. Так, например, ссылка на "стенку" предусматривает упоминание одной или более таких конструкций, "проницаемый массив" включает указание на один или более таких материалов, и "стадия нагревания" имеет отношение к одной или более таких стадий.

Применяемые в данной заявке термины "ниже уровня грунта" и "поверхность грунта" относятся к грунтовой или земляной опоре под сооруженной конструкцией. Поэтому, когда скальный, грунтовый или иной материал удаляют или выкапывают с участка, уровень поверхности грунта следует профилю земляных работ. Поэтому термины "ίη ίάιι". "в формации" и "подземный" относятся к действиям или местоположениям, которые происходят или находятся ниже уровня грунта.

Применяемый в данной заявке термин "сооруженная инфраструктура" относится к конструкции, которая, по существу, полностью сделана руками человека, в противоположность замороженным стенкам, серным стенкам или другим барьерам, которые формируются путем модификации или заполнения пор в существующей геологической формации.

Сооруженная инфраструктура с регулируемой проницаемостью предпочтительно, по существу, не содержит нетронутых геологических формаций, хотя инфраструктура может быть сформирована смежно или в непосредственном контакте с нетронутой формацией. Такая регулируемая инфраструктура может быть незакрепленной или зафиксированной на нетронутой формации с помощью механических приспособлений, химических средств или комбинации таких средств, например, закрепленной болтами на формации с использованием анкеров, растяжек или других пригодных механических крепежных устройств.

Применяемый в данной заявке термин "раздробленный" относится к разрушению формации или более крупных образований на куски. Раздробленная масса может быть раздроблена или иным образом разрушена на фрагменты.

Применяемый в данной заявке термин "земляной материал" относится к природным материалам, которые извлечены из земли только с механической модификацией, такие, но не ограничивающиеся таковыми, как глина (например, бентонитовая глина), гравий, скальная порода, уплотненная насыпь, почва, и тому подобные. Например, гравий может быть объединен с цементом с образованием бетона. Зачастую

- 2 028867

дополненный бентонитом грунт может быть смешан с водой с образованием гидратированного бентонитового слоя, который действует как барьер для текучих сред.

Применяемый в данной заявке термин "углеводородсодержащий материал" относится к любому содержащему углеводороды материалу, из которого могут быть извлечены или произведены углеводородные продукты. Например, углеводороды могут быть извлечены непосредственно в виде жидкости, удалены с помощью экстракции растворителями, непосредственно испарены или иным образом удалены из материала. Однако многие углеводородсодержащие материалы содержат кероген или битум, которые преобразуются в углеводороды в результате нагревания и пиролиза. Углеводородсодержащие материалы могут включать, но не ограничиваются таковыми, битуминозный сланец, битуминозные пески, каменный уголь, бурый уголь, битум, торф и другие богатые органическими веществами породы.

Применяемый в данной заявке термин "накопительный резервуар" относится к конструкции, предназначенной для содержания или сохранения накапливающихся текучей среды и/или твердых подвижных материалов. Как правило, накопительный резервуар составлен, по меньшей мере, в существенной части из земляного основания и опорной системы из земляных материалов. Таким образом, регулируемые стенки согласно настоящему изобретению не всегда имеют независимую прочность или структурную целостность в отдельности от грунта и/или естественной формации, в контакте с которыми они сформированы.

Как используемый здесь, "проницаемый массив" имеет отношение к любой массе раздробленного углеводородсодержащего материала, имеющей относительно высокую проницаемость, которая превышает проницаемость сплошного нетронутого пласта с таким же составом. Подходящие проницаемые массивы, пригодные для применения в настоящем изобретении, могут иметь больше, чем около 10% порового пространства, и типично имеют поровый объем от около 20 до 40%, хотя могут быть пригодными другие диапазоны. Создание высокой проницаемости облегчает нагревание массива путем конвективного нагревания как основного способа теплопереноса, в то же время также существенно снижая затраты, связанные с измельчением до очень мелких размеров, например меньше чем от около 1 до около 0,5 дюйма (25,4-12,7 мм).

Как применяемый здесь, термин "стенка" имеет отношение к любому сооруженному элементу, участвующему в регулировании проницаемости для ограничения материала внутри замкнутого объема, определенного, по меньшей мере частично, регулируемыми стенками. Стенки могут быть ориентированы любым образом, таким как вертикальный, хотя потолки, полы и прочие контуры, формирующие замкнутый объем, также могут быть "стенками" в значении, применяемом в данной заявке.

Как используемый здесь, термин "добытый" имеет отношение к материалу, который был извлечен или перемещен из первоначального стратиграфического или геологического местоположения во второе и иное местоположение. Как правило, добытый материал может быть получен в результате дробления, взрывного разрушения или иным путем удаления материала из геологической формации.

Как применяемый здесь, термин "по существу, неподвижный" имеет отношение к почти стационарному расположению материалов со степенью допущения оседания и/или осаждения по мере удаления углеводородов из углеводородсодержащего материала. В некоторых случаях такое осаждение может вызывать оседание свыше 40%, но такое перемещение материалов скорее ограничивается уплотнением, нежели объемным перемещением или циркуляцией материала. Напротив, любая циркуляция и/или течение углеводородсодержащего материала, такие, которые имеют место в псевдоожиженных слоях или вращающихся ретортах, включают весьма интенсивное перемещение и транспортирование углеводородсодержащего материала.

Как используемый здесь, термин "существенный", в случае применения относительно величины или количества материала или специфических характеристик материала, имеет отношение к количеству, которое является достаточным для достижения эффекта, который предназначены обеспечить материал или характеристика. Точная степень допустимого отклонения в некоторых случаях может зависеть от конкретного контекста. Подобным образом, выражение "по существу, не содержащий" или тому подобное имеет отношение к отсутствию указанного элемента или средства в составе. В частности, элементы, которые указаны как "по существу, не содержащиеся", либо полностью отсутствуют в составе, либо наличествуют лишь в количествах, которые малы в достаточной мере, чтобы не оказывать измеримого влияния на состав.

Как применяемый здесь, термин "около" имеет отношение к степени отклонения, основанной на экспериментальной погрешности, типичной для конкретной определяемой характеристики. Диапазон, обусловленный термином "около", будет зависеть от конкретного контекста и конкретного свойства, и может быть без труда распознан специалистами в данной области техники. Термин "около" не предполагает ни расширения, ни ограничения интервала эквивалентных значений, который во всем остальном может быть обусловлен конкретной величиной. Далее, если не оговорено нечто иное, термин "около" должен определенно включать "в точности", в согласии с нижеприведенным обсуждением относительно диапазонов и численных данных.

Как используемый здесь, термин "смежный" имеет отношение к близости двух конструкций или элементов. В частности, элементы, которые идентифицированы как "смежные", могут быть либо примы- 3 028867

кающими друг к другу, либо соединенными. Такие элементы также могут быть рядом или вблизи друг друга, без необходимости в контакте между собой. Точная степень близости в некоторых случаях может зависеть от конкретного контекста.

Концентрации, размеры, количества и прочие численные данные могут быть представлены в данной заявке в формате диапазонов. Следует понимать, что такой диапазонный формат используется исключительно для удобства и краткости, и его следует интерпретировать гибко как включающий не только численные значения, явно указанные как пределы диапазона, но также включающий все индивидуальные численные значения или поддиапазоны, попадающие в пределы этого диапазона, как если бы каждое численное значение и поддиапазон были четко обозначены. Например, диапазон от около 1 до около 200 должен быть интерпретирован как включающий не только явно указанные пределы 1 и 200, но также включающий индивидуальные величины, такие как 2, 3, 4, и поддиапазоны, такие как от 10 до 50, от 20 до 100, и так далее.

Как применяемые здесь, многочисленные объекты, конструкционные элементы, композиционные элементы и/или материалы могут быть представлены в общем списке для удобства. Однако эти списки должны быть истолкованы так, как если бы каждый представитель списка был индивидуально идентифицирован в качестве отдельного и уникального представителя. Таким образом, ни один индивидуальный представитель такого списка не должен толковаться как фактический эквивалент любого другого представителя из того же списка, только лишь на основании их представления в общей группе без указаний на нечто обратное.

Любые стадии, перечисленные в любом пункте формулы изобретения, заявляющей способ или процесс, могут быть исполнены в любом порядке, и не ограничены представленным в пунктах формулы изобретения порядком. Будут использованы только ограничения "средство плюс функция" или "стадия плюс функция", где для конкретного заявленного ограничения все из следующих условий представлены в этом ограничении: а) четко указаны "средство для" или "стадия для"; и Ь) определенно указана соответствующая функция. Конструкция, материал или действия, которые обеспечивают условие "средство плюс функция", определенным образом указаны в приведенном здесь описании. Соответственно этому область изобретения скорее должна определяться только прилагаемой формулой изобретения и их законными эквивалентами, нежели приведенными здесь описаниями и примерами.

Сокращение остаточных углеводородов.

Способ сокращения накопления остаточных углеводородов во время обработки может включать стадии, в которых формируют проницаемый массив из раздробленного углеводородсодержащего материала внутри замкнутого пространства. В нижней части проницаемого массива размещают первичную систему сбора жидкости. Первичная система сбора жидкости имеет верхнюю поверхность для сбора и удаления жидкостей, тогда как раздробленный углеводородсодержащий материал ниже первичной системы сбора жидкости образует непродуктивную зону. По меньшей мере часть проницаемого массива нагревают до средней температуры массива выше технологической температуры, достаточной для удаления из него углеводородов. На протяжении всего процесса условия в непродуктивной зоне поддерживают ниже технологической температуры.

В общем и целом настоящий способ может представлять собой эффективный подход к извлечению углеводородов из углеводородсодержащих материалов без накопления нежелательных остаточных углеводородов внутри сооруженной инфраструктуры с регулируемой проницаемостью. Накопление текучих углеводородов может быть устранено или сокращено ниже первичной системы сбора жидкости или гденибудь еще в зонах, где они не удаляются из накопительного резервуара во время работы. Как правило, сооруженная инфраструктура определяет, по существу, замкнутый объем, где добытый или собранный углеводородсодержащий материал может быть введен в регулируемую инфраструктуру с образованием проницаемого массива из углеводородсодержащего материала. Регулируемая инфраструктура в общем может быть сформирована, по меньшей мере частично, из земляного материала с созданием барьера, препятствующему неконтролируемому просачиванию текучих сред из накопительного резервуара. Во время нагревания углеводородсодержащий материал является, по существу, неподвижным, так как сооруженная инфраструктура представляет собой фиксированную конструкцию. Удаленные углеводороды могут быть собраны для дальнейшей обработки, применения в процессе и/или использования в том состоянии, в каком были извлечены.

Как таковая, сооруженная инфраструктура с регулируемой проницаемостью может включать накопительный резервуар с регулируемой проницаемостью, который определяет, по существу, замкнутый объем, раздробленный углеводородсодержащий материал внутри замкнутого объема, образующий проницаемый массив из углеводородсодержащего материала, и первичную систему сбора жидкости, размещенную в нижней части проницаемого массива. Кроме того, сооруженная инфраструктура с регулируемой проницаемостью необязательно может дополнительно включать вторичную систему сбора жидкости, размещенную ниже первичной системы сбора жидкости.

Ниже каждый из этих аспектов настоящего изобретения описан более подробно. Сооруженная инфраструктура с регулируемой проницаемостью может быть сформирована с использованием существующего грунта как опорной подушки и/или как боковой опорной стенки для сооруженной инфраструк- 4 028867

туры. Например, регулируемая инфраструктура может быть сформирована как отдельно стоящая конструкция, то есть с использованием только существующего грунта в качестве настила, с построенными искусственно боковыми стенками. В альтернативном варианте, регулируемая инфраструктура может быть сформирована внутри выкопанного котлована. Как бы то ни было, регулируемые инфраструктуры согласно настоящему изобретению всегда сформированы над поверхностью грунта.

Сооруженная инфраструктура с регулируемой проницаемостью согласно настоящему изобретению может включать накопительный резервуар с регулируемой проницаемостью, который определяет, по существу, замкнутый объем. Накопительный резервуар с регулируемой проницаемостью согласно настоящему изобретению может, по существу, не содержать нетронутых геологических формаций. Более конкретно, аспект регулируемой проницаемости накопительного резервуара может быть полностью искусственным и созданным руками человека как отдельный изолирующий механизм для предотвращения неконтролируемой миграции материала в замкнутый объем или из такового. В одном варианте исполнения накопительный резервуар с регулируемой проницаемостью может включать проницаемый массив из углеводородсодержащего материала, слой гравийной мелочи, барьерный для текучих сред слой из дополненного бентонитом грунта (ΒΑδ-слой), и смежную естественную формацию.

В одном варианте осуществления данная сооруженная инфраструктура с регулируемой проницаемостью как таковая может быть нагрета и/или охлаждена согласно заданному температурному профилю, по существу, для полного устранения или минимизации образования нежелательного накопления углеводородного материала. Как описывается в данной заявке, данные инфраструктуры могут действовать для нагревания по меньшей мере части проницаемого массива до средней температуры массива выше технологической температуры, достаточной для удаления из него углеводородов, где условия в непродуктивной зоне поддерживают ниже технологической температуры. В одном аспекте инфраструктура может иметь технологическую температуру, варьирующуюся по меньшей мере от 200°Р (93°С) до 900°Р (482°С). В еще одном аспекте инфраструктура может иметь среднюю температуру массива, варьирующуюся по меньшей мере от 200°Р (93°С) до 900°Р (482°С). В одном детальном аспекте средняя температура массива может быть между 400°Р (204°С) до 900°Р (482°С).

Чтобы сократить или устранить количество жидкостей, остающихся в непродуктивной зоне, могут поддерживаться несколько условий. Как обсуждалось выше, во время работы системы температуры ниже системы сбора жидкости могут поддерживаться на уровне ниже технологической температуры для соответствующих углеводородсодержащих материалов. В результате этого материалы в непродуктивной зоне не выделяют углеводороды. Кроме того, могут поддерживаться характеристики барьерного слоя накопительного резервуара как барьера для текучих сред. Например, когда используют дополненный бентонитом грунт (ΒΑδ), характеристики барьера для текучих сред обеспечиваются в той мере, насколько ΒΆδ-слой гидратирован. Во время работы гидратация может обеспечиваться тем, что температуры по всему ΒΑδ-слою поддерживают ниже около 212°Р (100°С), или, более типично, ниже около 200°Р (93°С), во избежание горячих участков и локализованного обезвоживания ΒΑδ. Дополнительно или альтернативно, данные инфраструктуры могут дополнительно включать механизм поддержания гидратации для насыщения ΒΑδ-слоя водой. Такой механизм гидратации может предусматривать трубы, трубопроводы, или оросительные каналы для подведения воды в ΒΑδ-слой. Механизм поддержания гидратации может быть размещен в отдельных местах или непрерывно вокруг периметра инфраструктуры, чтобы достигалась надлежащая и равномерная гидратация ΒΑδ-слоя.

В дополнение к вышеуказанному в одном варианте осуществления проницаемый массив может включать вторичную систему сбора жидкости, размещенную ниже первичной системы сбора жидкости. В одном аспекте вторичная система сбора жидкости может иметь верхнюю поверхность с большей площадью поверхности, чем верхняя поверхность первичной системы сбора жидкости. Как таковая, в одном аспекте вторичная система сбора жидкости может совпадать контурами с первичной системой сбора жидкости в виде сверху, как будет более полно описано ниже на фиг. 7.

Необязательные предназначенные для охлаждения трубопроводы могут быть использованы, чтобы содействовать регулированию нагрева, как описано в данной заявке. В еще одном варианте осуществления нагревающие среды, применяемые в нагревательных трубопроводах, могут быть заменены охлаждающими средами. В дополнение, выделяющиеся в осадок соли, способные образовывать высокотемпературный жидкий строительный раствор, могут быть применены в сочетании с инфраструктурой, включающей формирование ΒΑδ-слоев и слоев гравийной мелочи. В одном аспекте выделяющиеся в осадок соли могут быть осаждены до или после таких слоев. Кроме того, выделяющиеся в осадок соли могут быть использованы на отдельных участках инфраструктуры, например в основании инфраструктуры. Такие выделяющиеся в осадок соли могут создавать границу текучих сред. Неограничивающие примеры таких солей включают карбонат кальция, хлорид кальция, хлорид натрия, и тому подобные. В одном варианте исполнения для выдавливания нежелательных или скопившихся углеводородов в сборную систему, например в первичную систему сбора жидкости, может быть применена вытесняющая текучая среда. В еще одном варианте исполнения агенты желатинирования углеводородов могли бы быть применены для иммобилизации накопившегося углеводорода, а также для того, чтобы способствовать предотвращению образования протоков для нежелательных углеводородов внутри инфраструктуры, например на по- 5 028867

верхности раздела между первичной системой сбора жидкости и ΒΑδ-слоем. Неограничивающие примеры агентов желатинирования углеводородов могут включать соли карбоновых кислот с алюминием, сложные эфиры фосфорной кислоты (например, желатинирующие агенты, производимые фирмами №еа1йегГогб 1п1егпабопа1 и СЬетР1ех Ыб.), сложные эфиры фосфатов алюминия и тому подобные.

В одном варианте исполнения накопительный резервуар с регулируемой проницаемостью может быть сформирован вдоль стенок выкопанной залежи углеводородсодержащего материала. Например, битуминозные сланцы, битуминозные пески или каменный уголь могут быть добыты из залежи с образованием котлована, который приблизительно соответствует желательному замкнутому объему для накопительного резервуара. Выкопанный котлован затем может быть использован в качестве формирующей и поддерживающей структуры для создания накопительного резервуара с контролируемой проницаемостью.

В одном альтернативном аспекте по меньшей мере одна дополнительная вырытая залежь углеводородсодержащего материала может быть сформирована так, что могут быть задействованы многочисленные накопительные резервуары. Кроме того, такая конфигурация может способствовать сокращению дистанции транспортировки добытого материала. Более конкретно, добытый углеводородсодержащий материал для любого конкретного замкнутого объема может быть извлечен из соседней вырытой залежи углеводородсодержащего материала. В этом подходе может быть построена сеть из сооруженных структур таким образом, что добытый материал может быть немедленно и непосредственно доставлен в смежный накопительный резервуар.

Добыча из углеводородсодержащих залежей и/или разработка их открытым способом может производиться с использованием любой пригодной техники. Может быть использована традиционная поверхностная добыча, хотя альтернативные экскаваторы могут быть также применены без необходимости транспортировать добытые материалы.

Накопительный резервуар может быть сформирован из любого подходящего материала, который обеспечивает изоляцию от переноса материала сквозь стенки накопительного резервуара. Этим путем целостность стенок во время работы регулируемой инфраструктуры сохраняется в достаточной степени, чтобы, по существу, предотвратить неконтролируемую миграцию текучих сред наружу из регулируемой инфраструктуры. Неограничивающие примеры пригодного материала для применения в формировании накопительного резервуара сооруженной инфраструктуры с контролируемой проницаемостью могут включать глину, бентонитовую глину (например, глину, включающую по меньшей мере часть бентонита, который содержит монтмориллонит), уплотненную насыпь, огнеупорный цемент, цемент, синтетические геотекстильные материалы "Сеодпб". стекловолокно, арматурный пруток, наноуглеродные фуллереновые добавки, набитые мешки из геотекстиля, полимерные смолы, маслостойкую облицовку из поливинилхлорида (РУС), или их комбинации. Для крупномасштабных операций формирование накопительного резервуара, по меньшей мере частично, из земляного материала может обеспечивать эффективный барьер. Проектируемые цементные композитные (ЕСС) материалы, армированные волокном композиты и тому подобные, могут быть в особенности прочными и могут быть без труда приспособлены для соответствия требованиям проницаемости и температурной устойчивости для данного сооружения.

В качестве общей методической рекомендации предпочтительны, хотя и необязательны, материалы, имеющие низкую проницаемость и высокую механическую целостность при рабочих температурах инфраструктуры. Например, могут быть применимыми материалы, имеющие температуру плавления выше максимальной рабочей температуры инфраструктуры, чтобы сохранять герметичность во время и после нагревания и извлечения. Однако могут быть также использованы материалы с более низкой температурой плавления, если между стенками и нагретыми частями проницаемого массива поддерживается ненагреваемая буферная зона. Такие буферные зоны могут варьироваться по величине от 6 дюймов (15,24 см) до 50 футов (15,24 м), в зависимости от конкретного материала, используемого для накопительного резервуара, и состава проницаемого массива. В еще одном аспекте настоящего изобретения стенки накопительного резервуара могут быть устойчивыми к кислотам, воде и/или соляному раствору, например, в достаточной мере для противостояния воздействию экстракционного растворителя и/или растворов для промывания кислотами или солевым раствором, а также водяного пара или воды. Для стенок накопительного резервуара, сформированных вдоль формаций или иной сплошной опорной поверхности, стенки накопительного резервуара могут быть сформированы путем разбрызгивания жидкого цементного раствора, разбрызгивания жидких эмульсий или разбрызгивания других материалов, таких как разбрызгиваемый цементный раствор огнеупорного сорта, который образует уплотнение на формации и создает стенку с регулируемой проницаемостью для накопительных резервуаров. Стенки накопительного резервуара могут быть, по существу, сплошными так, что накопительный резервуар определяет замкнутый объем, достаточный для предотвращения существенного перемещения текучих сред в накопительный резервуар или из него в иных местах, нежели предусмотренные входы и выходы, например через трубопроводы или тому подобные, как описывается в данной заявке. Таким образом, накопительные резервуары могут без проблем соответствовать правительственным предписаниям относительно миграции текучих сред. Альтернативно или в сочетании с искусственно изготовленным барьером, части стенок накопительного резервуара могут представлять собой нетронутую геологическую формацию и/или уплотнен- 6 028867

ный грунт. В таких случаях сооруженная инфраструктура с контролируемой проницаемостью представляет собой комбинацию проницаемых и непроницаемых стенок, таких как более подробно описано ниже.

В одном подробном аспекте часть углеводородсодержащего материала либо до переработки, либо после переработки может быть использована в качестве цементного укрепления и/или цементной основы, которые затем отливаются на месте с образованием участков или цельных стенок регулируемой инфраструктуры. Эти материалы могут быть сформированы на месте, или же могут быть изготовлены предварительно и затем собраны на рабочей площадке, чтобы образовать цельную конструкцию накопительного резервуара. Например, накопительный резервуар может быть сооружен с помощью литьевого формования на месте в виде монолитного блока, путем экструзии, штабелированием предварительно сформованных или отлитых тюбингов, бетонных панелей, соединенных цементным раствором (цемент, проектируемый цементный композит (ЕСС) или другой пригодный материал), надувных сегментов или тому подобных. Опалубки могут быть сооружены с опорой на формацию, или могут представлять собой отдельно стоящие конструкции. Опалубки могут быть изготовлены из любого подходящего материала, такого, но не ограничивающегося таковыми, как сталь, древесина, стекловолокно, полимер или тому подобные. Опалубки могут быть собраны на месте или могут быть размещены с использованием крана или другого пригодного механизма. В альтернативном варианте сооруженная инфраструктура с контролируемой проницаемостью может быть сформирована из набитых камнями сетчатых ящиков (габионов) и/или синтетических геотекстильных материалов, собранных в слои с уплотненным материалом насыпи. Для повышения герметичности стенок с регулируемой проницаемостью необязательно могут быть добавлены связующие средства. Контролируемая инфраструктура необязательно может включать или, по существу, состоит из уплотнительного материала, цементного раствора, арматурного прутка, искусственной глины, бентонитовой глины, глиняной облицовки, огнеупорного цемента, высокотемпературных геомембран, дренажных труб, листовых сплавов или их комбинаций.

В одном варианте осуществления конструкция стенок и настилов накопительного резервуара может включать многочисленные уплотненные слои местных или обработанных низкосортных глинистых сланцев в любой комбинации с песком, цементом, волокном, растительным волокном, наноуглеродным волокном, толченым стеклом, стальной арматурой, специально разработанной углеродной армирующей сеткой, соединениями кальция и тому подобным. В дополнение к таким композитным стенкам могут быть применены конструкции, которые долговременно подавляют миграцию текучей среды и газа через дополнительное непроницаемое уплотнение, включающие, но не ограничивающиеся таковыми, облицовки, геомембраны, уплотненные грунты, привозной песок, гравий или скальную породу, и самотечные дренажные контуры для отведения текучих сред и газов от непроницаемых слоев к сточным сбросам. Конструкция настила и стенок накопительного резервуара может, но не обязательно должна, включать направленный кверху или направленный книзу наклон или изгиб согласно наиболее оптимальному извлечению руды из формации. В любых таких направленных кверху или книзу вариантах, выравнивание настила и герметизация стеновых конструкций типично может предусматривать сток или уклон в одну сторону или к специальной центральной сборной зоне(-нам) для удаления текучих сред с помощью самотечного дренирования.

Необязательно, капсульная конструкция стенок и настила может включать изоляцию, которая предотвращает теплоперенос наружу из контролируемой инфраструктуры или наружу из внутренних отсеков или трубопроводов внутри первично созданного герметичного отсека. Изоляция может включать изготовленные материалы, цемент или разнообразные материалы, прочие материалы, которые являются менее теплопроводными, чем окружающие образования, то есть проницаемый массив, формация, смежные инфраструктуры и т.д. Термоизоляционные барьеры могут быть также сформированы внутри проницаемого массива, вдоль стенок накопительного резервуара, перекрытия и/или настила. Необязательные изоляционные материалы могут включать биоразлагаемые изоляционные материалы, например соевую изоляцию и тому подобную. Это согласуется с вариантами осуществления, в которых накопительный резервуар представляет собой систему однократного употребления, так что изоляции, трубопроводы и/или другие компоненты могут иметь относительно короткий срок службы, например менее чем 1-2 года. Это может снизить расходы на оборудование, а также сократить долговременное вредное воздействие на окружающую среду.

Представляемые здесь конструкции и способы могут быть реализованы почти в любом масштабе. Более крупные замкнутые объемы и увеличенное число накопительных резервуаров могут легко производить углеводородные продукты с производительностью, сравнимой или превосходящей более мелкие сооруженные инфраструктуры. В качестве иллюстрации одиночные накопительные резервуары могут варьироваться по размерам от десятков метров в поперечном размере до десятков акров по площади. Оптимальные размеры накопительного резервуара могут варьироваться в зависимости от углеводородсодержащего материала и эксплуатационных параметров, однако предполагается, что пригодные площади могут варьироваться от около половины акра до пяти акров (2023-20234 м²) площади поверхности, при виде сверху.

Способы и инфраструктуры могут быть использованы для извлечения углеводородов из разнообразных углеводородсодержащих материалов. Одно особенное преимущество состоит в широком диапа- 7 028867

зоне регулирования размеров частиц, условий и состава проницаемого массива, введенного в замкнутый объем. Неограничивающие примеры добытого углеводородсодержащего материала, который может быть обработан, включают битуминозный сланец, битуминозные пески, каменный уголь, бурый уголь, битум, торф, или их комбинации. В некоторых случаях может быть желательным введение углеводородсодержащего материала единственного типа таким образом, что проницаемый массив состоит исключительно из одного из вышеуказанных материалов. Однако проницаемый массив может включать смеси этих материалов, так что сорт, содержание нефти, содержание водорода, проницаемость и тому подобные параметры могут быть отрегулированы для достижения желательного результата. Кроме того, различные углеводородные материалы могут быть помещены в виде многочисленных слоев или в смешанной форме, такой как смешение каменного угля, битуминозных сланцев, битуминозных песков, биомассы и/или торфа.

В одном варианте исполнения углеводородсодержащий материал может быть рассортирован в разнообразные внутренние отсеки внутри первичной сооруженной инфраструктуры из соображений оптимизации. Например, разрабатываемые формации битуминозных сланцев в слоях и глубинах залегания могут быть более обогащенными в определенных глубинных продуктивных зонах при их добыче. Однажды разрушенные, добытые, выкопанные и перевезенные внутрь отсека для размещения обогащенные нефтью руды могут быть рассортированы или смешаны по степени обогащения для оптимизации выходов, ускорения извлечения или для оптимального усреднения в пределах каждого накопительного резервуара. Кроме того, дополнительные преимущества может обеспечить размещение слоев с различающимся составом. Например, нижний слой битуминозных песков может быть расположен под верхним слоем битуминозных сланцев. В целом верхний и нижний слои могут находиться в непосредственном контакте друг с другом, хотя это и необязательно. Верхний слой может включать встроенные в него нагревательные трубы, так как более подробно описано ниже. Нагревательные трубы могут нагревать битуминозные сланцы в степени, достаточной для высвобождения керогенного масла, содержащего короткоцепочечные жидкие углеводороды, которые могут действовать как растворитель для битума, удаляемого из битуминозных песков. Этим путем верхний слой действует как ίη δίΐιι источник растворителя для интенсификации извлечения битума из нижнего слоя. Нагревательные трубы внутри нижнего слоя необязательны, так что нижний слой может не содержать нагревательных труб, или может включать нагревательные трубы в зависимости от количества тепла, переносимого с перетекающими вниз жидкостями из верхнего слоя и от любых прочих источников тепла. Способность селективно контролировать характеристики и состав проницаемого массива добавляет дополнительную степень свободы в оптимизации выходов и качества нефти. Кроме того, высвобождаемые газообразные и жидкие продукты могут действовать как ίη-κίΐυ образованный растворитель, который дополнительно стимулирует удаление керогена и/или дополнительное удаление углеводородов из углеводородсодержащего материала.

Необязательно, проницаемый массив может дополнительно содержать добавку или биомассу. Добавки могут включать любую композицию, которая служит для повышения качества извлекаемых углеводородов, например для повышения показателя ΑΡΙ, снижения вязкости, улучшения характеристик текучести, сокращения смачивания остаточных глинистых сланцев, снижения содержания серы, в качестве гидрирующих реагентов и т.д. Неограничивающие примеры пригодных добавок могут включать битум, кероген, пропан, природный газ, конденсат природного газа, сырую нефть, очищенные кубовые остатки, асфальтены, общеупотребительные растворители, прочие разбавители и комбинации этих материалов. В одном конкретном варианте осуществления добавка может включать средство для улучшения текучести и/или реагент в качестве донора водорода. Некоторые материалы могут исполнять либо обе, либо одну из этих функций, для улучшения характеристик текучести, и/или быть донором водорода. Неограничивающие примеры таких добавок могут включать метан, конденсаты природного газа, общеупотребительный растворитель, такой как ацетон, толуол, бензол и т.д., и прочие добавки, перечисленные выше. Подобным образом биологическое гидроксилирование углеводородсодержащего материала с образованием синтетического газа или других продуктов с меньшей молекулярной массой может быть выполнено с использованием известных добавок и подходов. Подобным образом также могут быть применены другие ферменты или биокатализаторы. Кроме того, в качестве добавок могут быть использованы искусственно созданные материалы, такие, но не ограничивающиеся таковыми, как автомобильные шины, полимерные отходы или другие углеводородсодержащие материалы.

Размеры частиц по всему объему проницаемого массива могут в значительной степени варьироваться, в зависимости от типа материала, желательных скоростей нагревания и прочих факторов. В качестве общей методической рекомендации проницаемый массив может включать частицы с размерами от около 1/8 дюйма (3,175 мм) до около 6 футов (183 см) и в некоторых случаях менее чем 1 фут (30,5 см), в других случаях менее чем около 6 дюймов (152,4 мм). Однако из практических соображений размеры от около 2 дюймов (50,8 мм) до около 2 футов (61 см) могут обеспечить хорошие результаты при диаметре около 1 фута (30,5 см), в особенности применимом для битуминозных сланцев. Для определения оптимальных размеров частиц важным фактором может быть свободный поровый объем. В порядке общей методической рекомендации, может быть использован любой функциональный свободный поровый объем. Однако от около 15 до около 40% и в некоторых случаях около 30% обычно дают хороший баланс

- 8 028867

проницаемости и эффективного использования доступных объемов. Поровые объемы могут колебаться до некоторой степени при варьировании прочих параметров, таких как расположение нагревательных трубопроводов, распределение частиц по размерам (то есть мультимодальные распределения), добавки, и тому подобные. Механическое разделение добытых углеводородсодержащих материалов позволяет создать проходящие через тонкую сетку частицы с высокой проницаемостью, которые повышают скорости рассеяния теплоты, будучи помещенными в отсеке внутри накопительного резервуара. Дополнительная проницаемость обеспечивает возможность регулирования более рациональных пониженных температур, которые также помогают избежать высоких температур, которые приводят к образованию больших количеств СО₂ при разложении карбонатов и связанного с этим высвобождения следовых тяжелых металлов, летучих органических соединений и прочих веществ, которые могут создавать токсичные стоки и/или нежелательные материалы, которые должны отслеживаться и контролироваться.

В одном альтернативном аспекте накопительные резервуары могут быть сформированы в вырытых объемах углеводородсодержащей формации, хотя могут быть также применимыми другие местоположения вдали от контролируемой инфраструктуры. Например, некоторые углеводородсодержащие формации имеют относительно тонкие слои, обогащенные углеводородами, например менее чем около 300 футов (91,4 м). Поэтому добыча из вертикальных стволов и бурение оказываются экономически неэффективными. В таких случаях может быть применимой горизонтальная разработка для извлечения углеводородсодержащих материалов для формирования проницаемого массива. Другие подходы к добыче, такие, но не ограничивающиеся таковыми, как шахты или рудники с камерно-столбовой системой разработки, могут обеспечить эффективный источник углеводородсодержащего материала с минимальными отходами и/или утилизацией, который может быть транспортирован в накопительный резервуар и обработан.

Эти способы позволяют в широких пределах регулировать соответственные свойства и характеристики проницаемого массива, который может быть спроектирован и оптимизирован для данного сооружения. Накопительные резервуары, по отдельности и в сочетании многочисленных накопительных резервуаров, могут быть без труда быть соответственно приспособлены и классифицированы, основываясь на разнообразных составах материалов, предполагаемых продуктах и тому подобном. Например, некоторые накопительные резервуары могут быть рассчитаны на получение тяжелой сырой нефти, тогда как другие могут быть конфигурированы для добычи более легких продуктов и/или синтез-газа. Неограничивающие примеры потенциальных классификаций и факторов могут включать каталитическую активность, ферментативные реакции для специфических продуктов, ароматические соединения, содержание водорода, штамм или назначение микроорганизмов, процесс модернизации, целевой конечный продукт, давление (влияющее на качество и тип продукта), температуру, характеристики набухания, акватермальные реакции, реагенты в качестве доноров водорода, перераспределение теплоты, накопление отходов, накопление сточных вод, трубы многократного использования и прочие. Как правило, такие многочисленные факторы могут быть использованы для конфигурирования накопительных резервуаров в данном проекте для определенных продуктов и целей.

Раздробленный углеводородсодержащий материал может быть загружен в контролируемую инфраструктуру с образованием проницаемого массива любым пригодным способом. Как правило, раздробленный углеводородсодержащий материал может быть транспортирован в контролируемую инфраструктуру путем разгрузки навалом, с использованием транспортеров или других подходящих способов. Как было упомянуто ранее, проницаемый массив может иметь тщательно подобранный большой поровый объем. Беспорядочное наваливание может привести к избыточному уплотнению и сокращению поровых объемов. Таким образом, проницаемый массив может быть сформирован путем транспортирования в инфраструктуру с небольшим уплотнением углеводородсодержащего материала. Например, для подачи материала вблизи верхней поверхности проницаемого массива по мере его формирования могут быть использованы выдвижные транспортеры. Этим путем углеводородсодержащий материал может сохранять существенный поровый объем между частицами без значительного дальнейшего измельчения или уплотнения, несмотря на некоторую небольшую степень уплотнения, которая часто обусловливается литостатическим давлением по мере формирования проницаемого массива.

После того как желательный проницаемый массив был сформирован внутри контролируемой инфраструктуры, может быть подведено тепло, достаточное для начала удаления углеводородов, например, в результате пиролиза. Пригодный источник тепла может быть термически связан с проницаемым массивом. Оптимальные рабочие температуры внутри проницаемого массива могут варьироваться в зависимости от состава и желательных продуктов. Однако в качестве общей методической рекомендации, эксплуатационные температуры могут варьироваться от около 200°Р (93°С) до около 750°Р (400°С). Температурные вариации могут варьироваться по всему замкнутому объему, и в некоторых зонах могут достигать максимально 900°Р (482°С) или выше. В одном варианте осуществления рабочая температура может быть относительно низкой температурой для облегчения образования жидкого продукта, такой как температура от около 200°Р (93°С) до около 650°Р (343°С). Эта стадия нагревания может представлять собой операцию кальцинирования, которая имеет результатом обогащение измельченной руды в проницаемом массиве. Кроме того, способ необязательно может включать регулирование температуры, давления и других переменных параметров, достаточное для получения преимущественно, а в некоторых случаях,

- 9 028867

по существу, исключительно жидкого продукта. Как правило, продукты могут включать как жидкие, так и газообразные продукты, тогда как жидкие продукты могут потребовать нескольких производственных стадий, таких как промывные колонны и т.д. Относительно высокая проницаемость проницаемого массива позволяет получать жидкие углеводородные продукты и свести к минимуму образование газообразных продуктов, до некоторой степени в зависимости от конкретных исходных материалов и эксплуатационных условий. В одном варианте исполнения извлечение углеводородных продуктов может происходить, по существу, при отсутствии крекинга внутри проницаемого массива.

Тепло может быть подведено в проницаемый массив путем конвекции. Нагретые газы могут быть введены в контролируемую инфраструктуру так, что проницаемый массив первоначально нагревается в результате конвекции по мере протекания нагретых газов через проницаемый массив. Нагретые газы могут быть получены сжиганием природного газа, углеводородного продукта, или из любого другого подходящего источника. Нагретые газы могут быть заимствованы из внешних источников или получены из процесса согласно настоящему изобретению.

Альтернативно или в сочетании с конвективным нагреванием, подход с высокой способностью к реконфигурации может включать встраивание многочисленных трубопроводов внутрь проницаемого массива. Трубопроводы могут быть конфигурированы для применения в качестве нагревательных труб, охлаждающих труб, теплопередающих труб, дренажных труб или газовых труб. Кроме того, трубопроводы могут быть предназначены для единственной функции, или могут служить для исполнения многочисленных функций во время работы инфраструктуры, то есть теплопереноса и дренажа. Трубопроводы могут быть сформированы из любого пригодного материала, в зависимости от предполагаемого назначения. Неограничивающие примеры пригодных материалов могут включать глиняные трубы, трубы из огнестойкого цемента, трубы из проектируемого цементного композита (ЕСС), отлитые на месте трубы, металлические трубы, такие как трубы из литейного чугуна, нержавеющей стали и т.д., полимерные трубы, такие как поливинилхлоридные (РУС), и тому подобные. В одном конкретном варианте осуществления все или по меньшей мере часть встроенных трубопроводов могут включать разлагаемый материал. Например, негальванизированные 6-дюймовые (152,4 мм) трубы из литейного чугуна могут быть эффективно использованы для вариантов одноразового использования и успешно действовать в течение должного срока службы накопительного резервуара, типично менее чем около 2 лет. Кроме того, различные части многочисленных трубопроводов могут быть сформированы из различных материалов. В зависимости от предполагаемого назначения, в трубопроводах могут быть проделаны отверстия или другие проемы для обеспечения возможности протекания текучих сред между трубопроводами и проницаемым массивом.

Многочисленные трубопроводы могут быть легко размещены в любой конфигурации, будь то, по существу, горизонтальная, вертикальная, наклонная, разветвленная, или тому подобная. По меньшей мере часть трубопроводов может быть ориентирована по заранее заданным маршрутам до встраивания трубопроводов внутрь проницаемого массива. Заранее заданные маршруты могут быть спроектированы для улучшения теплопередачи, контактирования газообразной, жидкостной и твердой сред, максимизации подведения текучей среды к конкретным зонам или удаления ее из них внутри замкнутого объема, или тому подобного. Кроме того, по меньшей мере часть трубопроводов может быть предназначена для нагревания проницаемого массива. Эти нагревательные трубопроводы могут быть селективно перфорированы для обеспечения нагретым газам или другим текучим средам возможности конвективно нагревать и смешиваться во всем проницаемом массиве. Перфорации могут быть размещены и подобраны по размерам для оптимизации равномерного и/или регулируемого нагревания во всем проницаемом массиве. В альтернативном варианте, нагревательные трубопроводы могут образовывать замкнутый контур так, что нагретые газы или текучие среды отделены от проницаемого массива. Таким образом, "замкнутый контур" не обязательно предусматривает рециркуляцию, но скорее изоляцию нагревательной текучей среды от проницаемого массива. Этим путем нагревание может быть выполнено главным образом или, по существу, исключительно в результате теплопередачи сквозь стенки трубопроводов от нагретых текучих сред к проницаемому массиву. Нагревание в замкнутом контуре позволяет предотвратить массоперенос между нагретой текучей средой и проницаемым массивом, и может сократить образование и/или экстракцию газообразных углеводородных продуктов.

Во время нагревания или кальцинирования проницаемого массива локальные зоны нагрева, в которых превышены температуры разложения материнской горной породы, часто выше около 900°Р (482°С), могут снижать выходы и образовывать диоксид углерода и нежелательные загрязняющие соединения, которые могут обусловливать образование сточных вод, содержащих тяжелые металлы, растворимые органические вещества и тому подобные. Нагревательные трубопроводы могут в существенной степени обеспечить возможность устранения таких локальных зон перегрева, в то же время, поддерживая подавляющее большинство материала проницаемого массива в пределах желательного температурного диапазона. Степень однородности температуры может быть предметом баланса между стоимостью (например, для дополнительных нагревательных трубопроводов) и выходами. Однако по меньшей мере около 85% проницаемого массива могут без труда поддерживаться в пределах примерно 5-10% целевого температурного интервала практически без зон перегрева, то есть с превышением температуры разложения угле- 10 028867

водородсодержащих материалов, такой как около 800°Р (427°С), и во многих случаях около 900°Р (482°С). Таким образом, работая в описываемом здесь режиме, системы могут обеспечивать возможность извлечения углеводородов, в то же время исключая или, по существу, избегая образования нежелательных стоков. Хотя продукты могут существенно варьироваться в зависимости от исходных материалов, возможно получение высококачественных жидких и газообразных продуктов. Например, раздробленный материал битуминозных сланцев может давать жидкий продукт, имеющий показатель ΑΡΙ от около 30 до около 45, с типичным в настоящее время значением от около 33 до около 38, непосредственно из битуминозных сланцев без дополнительной обработки. Был обнаружен тот интересный факт, что давление оказалось гораздо менее значимым фактором влияния на качество извлеченных углеводородов, чем температура и продолжительности нагревания. Хотя продолжительности нагревания могут значительно варьироваться в зависимости от свободного порового объема, состава проницаемого массива, качества и т.д., в порядке общей методической рекомендации продолжительности могут варьироваться от нескольких дней (то есть 3-4 дня) вплоть до около одного года. В одном конкретном примере продолжительности нагревания могут варьироваться от около 2 недель до около 4 месяцев. Недогретые битуминозные сланцы при коротких периодах пребывания, то есть от нескольких минут до нескольких часов, могут вести к образованию вымываемых и/или в какой-то мере летучих углеводородов. Соответственно этому более протяженные периоды пребывания при умеренных температурах могут быть применены так, что органические вещества, присутствующие в битуминозных сланцах, могут подвергаться испарению и/или обжиганию, оставляя несущественные количества вымываемых органических компонентов. В дополнение, расположенные в основании глинистые сланцы, как правило, не подвергаются разложению или изменению, что сокращает образование растворимых солей.

Как правило, трубопроводы будут проходить через стенки сооруженной инфраструктуры в разнообразных местах. Вследствие температурных перепадов и допустимых отклонений может быть полезным включение изолирующего материала в сопряжение между стенкой и трубопроводами. Размеры этого сопряжения могут быть сведены к минимуму, в то же время с оставлением также пространства для учета теплового расширения во время пуска, при эксплуатации в стационарном режиме, при колебаниях эксплуатационных условий и отключении инфраструктуры. Сопряжение может также включать изоляционные материалы и уплотнительные устройства, которые предотвращают неконтролируемый выход углеводородов или других материалов из контролируемой инфраструктуры. Неограничивающие примеры пригодных материалов могут включать высокотемпературные прокладки, металлические сплавы, керамические материалы, глинистые или минеральные облицовки, композиты и прочие материалы, которые имеют температуры плавления выше типичных рабочих температур и действуют в качестве дополнительного регулирования проницаемости, обеспечиваемого стенками контролируемой инфраструктуры.

Кроме того, стенки сооруженной инфраструктуры могут быть конфигурированы таким образом, чтобы свести к минимуму потери тепла. В одном аспекте могут быть сооружены стенки, имеющие, по существу, равномерную толщину, которая оптимизирована для обеспечения достаточной механической прочности, в то же время также сводя к минимуму объем материала стенки, через которую проходят трубопроводы. Более конкретно, чрезмерно толстые стенки могут сократить количество теплоты, которая передается в проницаемый массив, вследствие поглощения ее в результате теплопроводности. Напротив, стенки, которые также действуют как термический барьер, до некоторой степени изолируют проницаемый массив и сохраняют тепло в нем во время эксплуатации.

В одном варианте исполнения текучие среды и газообразные соединения внутри проницаемого массива могут быть изменены для получения желательных добываемых продуктов с использованием, в качестве примера, давления, создаваемого газами, или литостатического давления в уложенном раздробленном материале. Таким образом, одновременно с процессом добычи может быть проведена в некоторой степени модернизация и/или модификация. Кроме того, определенные углеводородсодержащие материалы могут потребовать обработки с использованием специфических разбавителей или других материалов. Например, обработка битуминозных песков может быть без труда выполнена нагнетанием водяного пара или введением растворителя для облегчения отделения битума от частиц песка согласно хорошо известным механизмам.

С учетом вышеприведенного описания фиг. 1 изображает вид сбоку разработанного секционированного и экстракционного накопительного резервуара 100, где существующий грунт 108 используют прежде всего в качестве опоры для непроницаемого слоя 112 настила. Наружные боковые стенки 102 секционированного накопительного резервуара обеспечивают герметизацию и могут, но не обязательно должны быть, разделены внутренними стенками 104. При помощи разделения могут быть созданы отдельные герметизированные отсеки 122 внутри более крупного замкнутого объема накопительного резервуара 100, который может иметь любые геометрическую форму, размер или секционирование. Дополнительное секционирование может быть горизонтальным или вертикально многоярусным. Созданием отдельных герметичных отсеков 122 или камер может быть без труда произведена рассортировка для низкосортных материалов, разнообразных газов, разнообразных жидкостей, разнообразных стадий процесса, разнообразных ферментов или микробиологических типов, или прочих желательных и выполняемых поэтапно процессов. Секционированные отсеки, оформленные как бункеры внутри более крупных

- 11 028867

сооруженных помещений, могут быть также предназначены для проведения постадийной и последовательной обработки, вариаций температур, составов газов и текучих сред и теплопереноса. Такие секционированные отсеки могут обеспечить дополнительный экологический мониторинг и могут быть сформированы облицованными и отсыпанными уступами из пустой породы подобно первичным наружным стенкам. В одном варианте исполнения секции внутри накопительного резервуара 100 могут быть использованы для размещения материалов в изолированном состоянии, при отсутствии доступа тепла извне, или с намерением ограничить или регулировать сгорание или действие растворителя. Материал с пониженным содержанием углеводородов может быть полезным в качестве горючего материала, или в качестве наполнителя, или строительного материала для стенки уступа. Материал, который не соответствует разнообразным пороговым уровням, при которых добыча становится нерентабельной, также может быть изолирован без изменения в накопительном резервуаре, предназначенном для этой цели. В таких вариантах осуществления эти зоны могут быть полностью изолированы или шунтированы для потоков теплоты, растворителей, газов, жидкостей или тому подобных. Необязательные мониторинговые устройства и/или оборудование могут быть постоянно или временно размещены внутри накопительного резервуара или по наружным периметрам накопительного резервуара, чтобы проверять локализацию изолированного материала.

Стенки 102 и 104, а также потолочное перекрытие 116 и непроницаемый слой 112 могут быть сооружены и укреплены набитыми камнями сетчатыми ящиками 146 (габионами) и/или геотекстильным материалом 148, уложенным в слои с уплотненным наполняющим материалом. В альтернативном варианте эти стенки 102, 104, 116 и 112, которые составляют накопительный резервуар с контролируемой проницаемостью и в совокупности определяют замкнутый объем, могут быть сформированы из любого другого пригодного материала, как было описано ранее. В этом варианте осуществления накопительный резервуар 100 включает боковые стенки 102 и 104, которые являются самоподдерживающимися. В одном варианте осуществления уступы из отработанной пустой породы, стенки и настил могут быть уплотнены и обработаны для структурирования, а также для проницаемости. Применение уплотняющих геотекстильных материалов и других анкерных конструкций для закрепления уступов и насыпей может быть предусмотрено до сооружения слоев с регулируемой проницаемостью или включено в них, которые могут содержать песок, глину, бентонитовую глину, гравий, цемент, жидкий цементный раствор, армированный цемент, огнеупорный цемент, изоляционные материалы, геомембраны, дренажные трубы, термостойкие изоляции для введенных нагретых труб и т.д.

В одном альтернативном варианте осуществления накопительный резервуар с контролируемой проницаемостью может включать боковые стенки, которые представляют собой уплотненный грунт и/или нетронутые геологические формации, тогда как потолочное перекрытие и настил являются непроницаемыми. Более конкретно, в таких вариантах осуществления непроницаемое потолочное перекрытие может быть использовано для предотвращения неконтролируемой утечки летучих веществ и газов из накопительного резервуара с тем, чтобы можно было использовать надлежащие выходные газовые коллекторы. Подобным образом, непроницаемый настил может быть использован для приема и направления собранных жидкостей к пригодному выходному каналу, такому как дренажная система 133, чтобы удалять жидкие продукты из нижних уровней накопительного резервуара. Хотя в некоторых вариантах исполнения могут быть желательными непроницаемые боковые стенки, они не всегда являются необходимыми. В некоторых случаях боковые стенки могут примыкать к нетронутому грунту или к уплотненной насыпи или земле, или к другому проницаемому материалу. Наличие проницаемых боковых стенок может допускать некоторую небольшую утечку газов и/или жидкостей из накопительного резервуара. Непроницаемые стенки формируют таким образом, чтобы предотвращать существенное просачивание добытых текучих сред из накопительного резервуара через непроницаемую стенку во время эксплуатации системы.

Выше, ниже, вокруг и рядом с построенным секционным отсеком могут быть сооружены камеры экологического гидрологического контроля для отведения поверхностных вод от стенок, полов, крыш и т.д. отсеков во время работы. Кроме того, самотечные дренажные трубы и механизмы могут быть использованы для объединения и перемещения текучих сред, жидкостей или растворителей внутри замкнутого объема к центральному коллектору, в трубы для перекачки, конденсации, нагревания, распределения и выгрузки, бункеры, цистерны и/или скважины, как потребуется. Подобным образом могут быть вовлечены в рециркуляцию водяной пар и/или вода, которые преднамеренно вводятся, например, для обработки битума из битуминозных песков.

После того как стеновые конструкции 102 и 104 были сооружены над подготовленным непроницаемым слоем 112 настила, который начинается с поверхности грунта 106, добытый раздробленный материал 120 (который может быть измельчен или рассортирован соответственно размеру или содержанию углеводородов) может быть помещен слоями поверх (или рядом с) уложенными трубчатыми нагревательными магистралями 118, дренажными трубами 124 для текучих сред и/или трубами 126 для сбора или нагнетания газов. Эти трубы могут быть ориентированы и рассчитаны на любую оптимальную конфигурацию потоков, под любым углом, с любыми длиной, размером, объемом, пересечениями, трассировкой, размером стенок, составом сплава, распределением перфорации, скоростью подачи и скоростью

- 12 028867

экстракции. В некоторых случаях трубы как таковые, используемые для теплопередачи, могут быть соединены с источником 134 тепла, вовлечены в рециркуляцию через него, или могут получать тепло от него. Альтернативно или в сочетании с этим, извлеченные газы могут быть сконденсированы с использованием конденсатора 140. Тепло, регенерированное в конденсаторе, необязательно может быть использовано для дополнительного нагревания проницаемого массива или для других производственных нужд.

Источник 134 тепла может выводить, усиливать, накапливать, создавать, объединять, разделять, передавать или включать тепло, выведенное из любого пригодного источника тепла, включающего, но не ограничивающегося таковыми, топливные элементы, твердооксидные топливные элементы, солнечные батареи, ветровые источники энергии, нагреватели, сжигающие жидкие или газообразные углеводороды, геотермальные источники тепла, атомную электростанцию, работающую на угле тепловую электростанцию, теплоту радиочастотного излучения, волновую энергию, беспламенные камеры сгорания, камеры сгорания с естественной подачей, геотермальное тепло, или любую их комбинацию.

В еще одном варианте исполнения во всем проницаемом массиве может быть распределен электропроводный материал, и через электропроводный материал может быть пропущен электрический ток, достаточный для генерирования тепла. Электропроводный материал может включать, но не ограничивается таковыми, металлические части или зерна, проводящий цемент, покрытые металлом частицы, металлокерамические композиты, проводящие полуметаллические карбиды, прокаленный нефтяной кокс, проволочную свивку, комбинации этих материалов, и тому подобные. Электропроводный материал может быть предварительно смешанным, имея разнообразные размеры частиц, или материалы могут быть введены в проницаемый массив после формирования проницаемого массива.

Жидкости или газы могут переносить тепло от источника 134 тепла или в еще одном варианте исполнения в случаях камер сгорания для жидких или газообразных углеводородов, радиочастотных генераторов (микроволновых устройств), топливных элементов или твердооксидных топливных элементов все они могут, но не обязательно должны, генерировать тепло непосредственно внутри объема секционированного накопительного резервуара 114 или 122. В одном варианте исполнения нагревание проницаемого массива может быть выполнено путем конвективного нагревания от сгорания углеводородов. Особенный интерес представляет сжигание углеводородов, производимое при стехиометрических условиях соотношения топлива и кислорода. Стехиометрические условия могут обеспечить возможность существенного повышения температур нагретого газа. Отходящие газы после горения затем могут быть изолированы без необходимости дальнейшего разделения, то есть ввиду того, что отходящие газы в основном состоят из диоксида углерода и воды.

Чтобы свести к минимуму потери тепла, могут быть минимизированы расстояния между камерой сгорания, теплообменником и накопительным резервуаром. Поэтому в одном конкретном подробном варианте исполнения портативные топочные камеры могут быть присоединены к отдельным нагревательным трубопроводам или более мелким секциям трубопроводов.

В альтернативном варианте сгорание внутри отсека может быть инициировано внутри изолированных отсеков в пределах первично сооруженной структуры, секционированной на отсеки. Для этого процесса частично сжигают углеводородсодержащий материал для получения тепла и внутреннего пиролиза. Нежелательные выбросы 144 в атмосферу могут быть поглощены и изолированы в формации 108, будучи выведенными из герметичного отсека 114, 122 или источника 134 тепла и направленными в пробуренную скважину 142. Источник 134 тепла может также генерировать электрический ток и передавать, преобразовывать или питать с помощью линий 150 электропередачи. Жидкости или газы, извлеченные из обрабатывающей зоны 114 или 122 отсека накопительного резервуара, могут быть сохранены в близлежащем сборном баке 136 или внутри герметичного отсека 114 или 122. Например, непроницаемый слой 112 настила может включать наклонный участок 110, который направляет жидкости к дренажной системе 133, откуда жидкости направляются в сборный бак.

Когда раздробленный материал 120 размещен вокруг труб 118, 124, 126 и 128, разнообразные измерительные устройства или датчики 132 могут быть использованы для отслеживания температуры, давления, текучих сред, газов, составов, скоростей нагревания, плотности, и других технологических параметров во время процесса экстракции внутри сформированного секционированного на отсеки накопительного резервуара 100, вокруг него или под ним. Такие устройства и датчики 132 для мониторинга могут быть распределены в любом месте внутри, вокруг, в части, в соединении или на верхней части размещенных трубопроводов 118, 124, 126 и 128, или на вершине раздробленного материала 120, будучи покрытыми им или погруженными в него, или в непроницаемые барьерные стенки, настил или перекрытие.

После того как размещенный раздробленный материал 120 наполняет обрабатывающую зону 114 или 122 отсека, материал 120 становится опорой для перекрытия из непроницаемой барьерной зоны 138, и стеновой барьерной конструкции, которая может включать любую комбинацию непроницаемости и сформированного барьера для текучей среды и газа, или сооруженную герметичную конструкцию, включающую таковые, которые могут быть сформированы из 112, включая, но не ограничиваясь этим, глину, уплотненную насыпь или привозной материал, содержащий цемент или огнеупорный цемент материал, синтетическую геомембрану, облицовку или изоляцию. Над слоем 138 размещен заполняющий материал 139 для создания литостатического давления на герметизированные обрабатывающие зоны 114

- 13 028867

или 122. Покрытие проницаемого массива уплотненной насыпью, достаточной для создания увеличенного литостатического давления внутри проницаемого массива, может быть полезным для дальнейшего повышения качества углеводородного продукта. Уплотненное насыпное перекрытие может, по существу, закрывать проницаемый массив, тогда как проницаемый массив, в свою очередь, может, по существу, поддерживать уплотненное насыпное перекрытие. Далее, уплотненное насыпное перекрытие может быть, по существу, непроницаемой для удаляемого углеводорода, или же дополнительный слой материала с регулируемой проницаемостью может быть добавлен подобным образом, как боковые стенки и/или настил. Дополнительное давление может быть создано в герметизированной обрабатывающей зоне 114 или 122 для экстракции путем увеличения количества любого газа или текучей среды, однажды извлеченных, обработанных или рециркулирующих, каковой случай может иметь место, через любую из труб 118, 124, 126 или 128. Имеющие к этому отношение измерения, степени оптимизации, скорости нагнетания, скорости экстракции, температуры, скорости нагревания, величины расхода потоков, уровни давления, показания производительности, химические составы или другие данные, имеющие отношение к процессу нагревания, экстракции, стабилизации, изоляции, накоплению, модификации, очистке или анализу структуры внутри герметизированного накопительного резервуара 100, могут быть получены путем соединения с компьютерным устройством 130, которое действует согласно компьютерной программе для управления, расчета и оптимизации всего процесса в целом. Кроме того, керновое бурение, анализ геологических ресурсов и аналитическое моделирование формации до взрывных работ, добычи и транспортировки (или в любой момент до, после или во время таких операций) могут служить в качестве входных данных, вводимых в управляемые компьютером механизмы, которые действуют по программе для определения оптимальных местоположений, размеров, объемов и конфигураций, калиброванных и взаимосвязанных с желательным уровнем производительности, значениями давления, температуры, скорости подведения тепла, весовыми процентными долями газа, составами нагнетаемого газа, величинами теплоемкости, проницаемости, пористости, химическим и минеральным составом, уплотнением, плотностью. Такие анализ и определения могут включать прочие факторы, например погодных факторов, таких как температура и влажность воздуха, влияющих на общую производительность сооруженной инфраструктуры. Другие сведения, такие как влагосодержание руды, степень обогащения углеводородами, вес, размер частиц, и минеральный и геологический состав, могут быть использованы как входные данные для расчета общей производительности инфраструктуры.

Фиг. 2 показывает совокупность накопительных резервуаров, включающую непокрытый или незасыпанный секционный накопительный резервуар 100, содержащий секционированные герметичные накопительные резервуары 122 внутри открытой разработки 200 с разнообразными подъемными механизмами в уступной выемке. В некоторых вариантах исполнения представляется, что добытый раздробленный материал может быть перенесен вниз по желобу 230 или транспортерами 232 в карьерные секционные накопительные резервуары 100 и 122 без какой-либо необходимости в карьерных грузовиках.

Фиг. 3 показывает сформированные барьеры 112 проницаемости, расположенные ниже герметичного накопительного резервуара 100, и материалы потолочного перекрытия или насыпи 302 на сторонах и вершине герметичного накопительного резервуара 100 для окончательного (после проведения процесса) укрытия и рекультивации новой поверхности 300 земли. Местные растения, которые могли быть временно перенесены из зоны, могут быть высажены вновь, например деревья 306. Сооруженные инфраструктуры, как правило, могут представлять собой структуры однократного употребления, которые могут быть легко и надежно выведены из эксплуатации с минимальной дополнительной рекультивацией. Это может резко сократить расходы, связанные с перемещением больших объемов израсходованных материалов. Однако при некоторых обстоятельствах сооруженные инфраструктуры могут быть раскопаны и использованы вновь. Некоторое оборудование, такое как радиочастотные (КТ) установки, волноводы, устройства и эмиттеры, может быть изъято из сооруженного накопительного резервуара по завершении извлечения углеводородов.

Фиг. 4 показывает компьютер 130, регулирующий разнообразные входные и выходные данные о параметрах трубопроводов 118, 126 или 128, соединенных с источником 134 тепла во время процесса в ряду подразделенных на отсеки накопительных резервуаров 122 внутри обобщенного накопительного резервуара 100, для регулирования нагревания проницаемого массива. Подобным образом жидкость или пар, собранные из накопительных резервуаров, могут быть изучены и собраны в бак 136 или конденсатор 140 соответственно. Как было описано ранее, жидкие и парообразные продукты могут быть объединены или, что чаще имеет место, оставлены как отдельные продукты, в зависимости от способности к конденсации, целевого назначения продукта и тому подобного. Часть парообразного продукта может быть сконденсирована и объединена с жидкими продуктами в цистерне 136. Однако основная часть парообразного продукта будет представлять собой газообразные углеводороды с числом атомов углерода от 4 и менее, которые могут быть сожжены, проданы или использованы в пределах процесса. Например, газообразный водород может быть извлечен с использованием общепринятой технологии разделения газов и применен для гидрирования жидких продуктов соответственно общеупотребительным методам повышения качества, например каталитическим и т.д., или неконденсируемый газообразный продукт может быть сожжен для производства тепла, употребляемого для нагревания проницаемого массива, нагревания со- 14 028867

седнего или близлежащего накопительного резервуара, отопления площадки для технического обслуживания или помещения для персонала, или удовлетворения прочих потребностей процесса в тепле. Сооруженная инфраструктура может включать термопары, манометры, расходомеры, датчики распределения текучих сред, датчики содержания целевого компонента, и любые другие общеупотребительные устройства для контроля процесса, распределенные по всей сооруженной инфраструктуре. Зги устройства могут быть функционально связаны с компьютером так, что скорости нагревания, величины расхода потоков продуктов и давления могут быть отслежены или изменены во время нагревания проницаемого массива. Необязательно может быть выполнено перемешивание на месте с использованием, например, ультразвуковых генераторов, которые соединены с проницаемым массивом. Такое перемешивание может облегчить выделение и пиролиз углеводородов из нижележащих твердых материалов, с которыми они связаны. Кроме того, достаточное перемешивание может сократить закупорку и агломерацию во всем объеме проницаемого массива и в трубопроводах.

Подходящие трубопроводы могут быть использованы для переноса тепла в любой форме с газом, жидкостью, или теплоты через передающие устройства, от любого секционированного герметичного накопительного резервуара к еще одному. Затем охлажденная жидкость может быть транспортирована через теплопередающие устройства в тепловыделяющий отсек или источник тепла для поглощения дополнительной порции тепла из отсека с обратной рециркуляцией в отсек назначения. Таким образом, разнообразные трубопроводы могут быть использованы для переноса тепла из одного накопительного резервуара в другой, чтобы рекуперировать тепло и управлять расходованием энергии для сведения к минимуму потерь энергии.

Со ссылкой на фиг. 5 барьерный для текучих сред слой 602 из дополненного бентонитом грунта (ВА§) формируют рядом с естественной формацией 604 или другой структурой (например, со смежным накопительным резервуаром). По соседству с ВА§-слоем также создают слой 606 гравийной мелочи с образованием изоляционного слоя. Внутри слоя гравийной мелочи оказывается заключенным проницаемый массив 608 из раздробленного битуминозного сланца, образующий производственный объем, имеющий средний размер частиц, который пригоден для добычи углеводородов. Как правило, слой гравийной мелочи может включать измельченный битуминозный сланец, имеющий существенно меньший средний размер частиц, чем средний размер частиц внутри производственного объема. Хотя могут быть пригодными иные размеры, слой гравийной мелочи может иметь средний размер частиц от 1/16 дюйма (1,6 мм) до 6 дюймов (152,4 мм) и часто от около 1/8 дюйма (3,2 мм) до 2 дюймов (50,8 мм). Первичная система 610 сбора жидкости может быть размещена внутри нижней части измельченного битуминозного сланца внутри слоя гравийной мелочи. Хотя первичная система сбора жидкости показана в слое гравийной мелочи посередине между проницаемым массивом и ВА§-слоем, такое местоположение приведено для целей иллюстрации и не предполагается быть ограничивающим. Как таковая, первичная система сбора жидкости может быть размещена приблизительно посередине, в верхней части гравийного слоя, или в нижней части гравийного слоя. Первичная система сбора жидкости может быть конфигурирована для сбора текучих сред на протяжении всего поперечника проницаемого массива. Сборная система может представлять собой одиночный непрерывный слой, или может быть сформирована из многочисленных отдельных сборных слоев. В одном примере система сбора жидкости может представлять собой дренажный поддон, который является протяженным через слой гравийной мелочи до окружающего ВА§слоя таким образом, что поддон распространяется по всей горизонтальной плоскости проницаемого массива. Дренажный поддон необязательно может включать один или более дренажных каналов, которые направляют текучую среду в сторону точки общего сбора для удаления через соответствующий выпускной канал. Хотя удаление может быть выполнено путем откачивания, как правило, самотечный дренаж может обеспечивать достаточные величины расхода потока для удаления. В одном аспекте дренажный поддон может покрывать весь пол инфраструктуры. Многочисленные нагревательные трубопроводы 612 могут быть встроены внутрь проницаемого массива таким образом, чтобы в достаточной мере нагревать битуминозный сланец для инициирования пиролиза и добычи углеводородов.

Во время работы проницаемый массив из углеводородсодержащего материала нагревают до предварительно заданной технологической температуры, соответствующей высвобождению и/или добыче углеводородов из соответственного углеводородсодержащего материала в производственной зоне 614. Однако вся система в целом проявляет температурные градиенты, которые варьируются на ее протяжении. Например, при обработке битуминозного сланца проницаемый массив может иметь максимальную среднюю температуру массива около 750°Р (400°С) со снижающимся температурным градиентом, достигающим окружающей формации, которая часто имеет температуру 60°Р (15,5°С). А именно первичную систему сбора жидкости размещают таким образом, чтобы текучие среды могли быть добыты и/или собраны ниже первичной системы сбора жидкости. Это может иметь место, если температуры ниже первичной системы сбора жидкости составляют технологическую температуру, достаточную для добычи углеводородов. Кроме того, во время работы материалы ниже первичной системы сбора жидкости являются более холодными, чем средняя температура в объеме проницаемого массива. Как таковые, газы, которые образуются, могут обходить первичную систему сбора жидкости и конденсироваться ниже внутри более холодного материала.

- 15 028867

Длительный сбор текучих жидкостей или других текучих сред в непродуктивной зоне 616 ниже первичного дренажа может создавать проблемы. Например, когда используют ВЛ§ в качестве барьерного слоя 602, когда ВЛБ-слой со временем обезвоживается, барьерные характеристики теряются так, что текучие жидкости затем могут просачиваться в окружающий грунт 604. К счастью, измельченные материалы в непродуктивной зоне также могут удерживать ограниченное количество жидкости благодаря механизмам поверхностного натяжения и капиллярного давления на поверхностях раздела. Тем самым некоторое количество жидкостей может удерживаться внутри непродуктивной зоны в такой мере, насколько такие жидкости могут сохраняться в нетекучем состоянии.

Чтобы сократить или устранить количество жидкостей, остающихся в непродуктивной зоне, могут поддерживаться несколько условий. Во время работы системы температуры ниже системы сбора жидкости могут поддерживаться на уровне ниже технологической температуры для соответствующих углеводородсодержащих материалов. В результате этого материалы в непродуктивной зоне не выделяют углеводороды. Кроме того, могут поддерживаться барьерные характеристики ВЛБ-слоя, пока ВЛБ-слой остается гидратированным. При обезвоживании ВЛБ-слой возвращается в дисперсное состояние, позволяющее текучим средам проходить через него. Во время работы гидратация может поддерживаться тем, что температуры по всему ВЛБ-слою поддерживают ниже 200°Р (93°С). В дополнение, инфраструктуры необязательно могут дополнительно включать механизмы поддержания гидратации для подведения воды в ВЛБ-слой. Такие механизмы гидратации могут включать трубы, трубопроводы, и/или оросительные каналы для подачи воды в весь ВЛБ-слой. Такие механизмы гидратации могут быть размещены в отдельных местах или непрерывно вокруг периметра инфраструктуры, чтобы достигалась надлежащая и равномерная гидратация ВЛБ-слоя для сохранения существенной непроницаемости для текучих сред во время работы.

Со ссылкой на фиг. 6 барьерный для текучих сред слой 602 из дополненного бентонитом грунта (ВЛ§) формируют рядом с естественной формацией 604 или другой структурой (например, со смежным накопительным резервуаром). По соседству с ВЛБ-слоем также создают слой 606 гравийной мелочи с образованием изоляционного слоя. Слой гравийной мелочи формируют из гравия, часто из битуминозного сланца или углеводородсодержащего материала, имеющего меньший средний размер частиц, чем в проницаемом массиве 608. Чаще всего гравийная мелочь может иметь средний размер частиц от около 1/8 дюйма (3,2 мм) до около 2 дюймов (50,8 мм), хотя могут быть пригодными другие размеры. Внутри слоя гравийной мелочи находится проницаемый массив из раздробленного битуминозного сланца, образующий производственный объем, имеющий средний размер частиц, который пригоден для добычи углеводородов. Первичная система 610 сбора жидкости может быть размещена внутри нижней части измельченного битуминозного сланца внутри слоя гравийной мелочи. В дополнение, под первичной системой 610 сбора жидкости может быть размещена вторичная система 620 сбора жидкости. Вторичная система сбора жидкости может иметь площадь поверхности большую, чем первичная система сбора жидкости. В одном аспекте вторичная система сбора жидкости может совпадать контурами с первичной системой сбора жидкости. Вторичная система сбора жидкости также может представлять собой дренажный поддон, который является протяженным через слой гравийной мелочи до окружающего ВЛБ-слоя. В одном аспекте дренажный поддон может покрывать весь пол инфраструктуры. В дополнение, вторичная система сбора жидкости может быть размещена приблизительно посередине, в верхней части гравийного слоя, или в нижней части гравийного слоя. Как показано на фиг. 6, в одном аспекте вторичная система сбора жидкости может быть размещена между слоем гравийной мелочи и В Άδ-слоем.

Со ссылкой на фиг. 7, температурный профиль в пределах проницаемого массива и окружающего изоляционного слоя показан для нескольких моментов времени (ί₁, ΐ₂, ΐ₃, ΐ₄ и ΐ_Μ). Нижеследующее обсуждение посвящено конкретно битуминозному сланцу, но подобные технологические профили существуют для других углеводородсодержащих материалов, где технологические температуры варьируются в зависимости от материала. В исходном положении ί₁ показывает температурный профиль всей действующей системы в фазе добычи. Более конкретно, температура массива материала внутри проницаемого массива составляет около 700-750°Р (371-400°С) для битуминозного сланца, который выделяет углеводороды с желательной скоростью. Например, битуминозный сланец начинает выделять углеводороды при температуре около 400°Р (204°С). Одно назначение слоя гравийной мелочи и ВЛБ-слоя состоит в исполнении функции теплоизоляции, чтобы температуры могли снижаться в регулируемом режиме внутри системы для минимизации термических воздействий на окружающие грунт или материалы. Таким образом, температурный градиент может поддерживаться в пределах слоя гравийной мелочи таким образом, что вблизи поверхности раздела между гравийной стенкой и массивом технологической зоны температуры могли быть близкими средним температурам массива. Во время работы (Ц) температурный градиент внутри слоя гравийной мелочи может поддерживаться, чтобы сохранять температуры в сборном узле первичного дренажа ниже технологической температуры (то есть около 400°Р (204°С)). Кроме того, температура на поверхности раздела между ВЛБ-слоем и слоем гравийной мелочи может поддерживаться ниже 200°Р (93°С), чтобы предотвратить обезвоживание ВЛБ-слоя. В конечном итоге температура от поверхности раздела ВЛБ-слоя может снижаться вдоль ВЛБ-слоя до температуры окружающей естественной среды (например, 60°Р (15,5°С)). Температура на поверхности раздела "ВЛБ-формация" может

- 16 028867

быть слегка повышенной сравнительно с температурой естественной формации; однако такие повышенные температуры могут быть сведены к минимуму. Как правило, желательно поддерживать температуру на поверхности раздела "ΒΑδ-формация" в пределах около 50°Р (10°С) и в некоторых случаях в пределах около 20°Р (-6,6°С) температуры естественной формации.

Температуру при сборном узле первичного дренажа и в ΒΑδ-слое можно контролировать регулированием скоростей нагревания от трубопроводов для нагревания массива, вариацией порового пространства внутри проницаемого массива, вариацией толщины слоя гравийной мелочи и корректированием скоростей удаления текучих сред через дренажную систему. Для отведения тепла от зоны вблизи сборного узла первичного дренажа и/или ΒΑδ-слоя могут быть предусмотрены необязательные дополнительные контуры охлаждения, чтобы избежать высвобождения текучих углеводородов внутри непродуктивной зоны. Термин "текучий углеводород" предполагается охватывающим углеводороды, которые являются избыточными сверх способности материала удерживать их.

Снова со ссылкой на фиг. 7, прекращение процесса может включать тщательно выбранный баланс переменных параметров, во избежание неумышленных добычи или сбора углеводородов в непродуктивной зоне. Иллюстрированный сценарий представляет один примерный температурный профиль во время простоя, чтобы могли быть сделаны вариации для различных материалов или условий, и могли варьироваться заданные температуры. Когда весь проницаемый массив становится близким к истощению извлекаемыми углеводородами, нагревательные текучие среды, циркулирующие по трубопроводам, могут быть заменены циркулирующей охлаждающей текучей средой, чтобы начать охлаждение системы. Таким образом, в начальной стадии отключения ΐ₂ температура всего проницаемого массива может быть снижена (например, до 400°Р (204°С)), тогда как охлаждение в слое гравийной мелочи запаздывает, поскольку тепло может отводиться быстрее вблизи охлаждающих трубопроводов, чем от окружающего слоя гравийной мелочи. Как таковая, температура на гравийной стенке также может быть близкой к средней температуре массива (например, 400°Р (204°С)), со снижающимся температурным градиентом в пределах слоя гравийной мелочи. В этом примере температура может варьироваться от около 400°Р (204°С) до около 200°Р (93°С) на поверхности раздела с ΒΑδ, с температурами при сборном узле первичного дренажа ниже 400°Р (204°С), показанными на фиг. 7 точкой X. А именно вследствие быстрого охлаждения в материале массива температуры между гравийной стенкой и сборным узлом первичного дренажа могут превышать среднюю температуру массива (например, быть выше 400°Р (204°С)). Кроме того, материалы при температуре выше технологической температуры продолжают выделять углеводороды и теплоту, тогда как скорости удаления текучей среды через сборный узел первичного дренажа снижаются, так как весь проницаемый массив перестает производить углеводороды. Таким образом, температурный профиль внутри слоя гравийной мелочи может временно повышаться, как иллюстрировано промежуточной фазой ΐ₃ простоя. Во время промежуточной фазы при ΐ₃ температуры между гравийной стенкой и сборным узлом первичного дренажа могут временно возрастать сверх условий в момент ΐ₂. На протяжении последующей конечной фазы Ц простоя температуры продолжают падать во всей системе так, что температурные условия при сборном узле первичного дренажа находятся значительно ниже технологической температуры, температура на поверхности раздела с ΒΑδ составляет ниже 200°Р (93°С), как показано на фиг. 7 точкой Υ, и температура у естественной формации, по существу, является такой, как в окружающей формации. В конечном итоге, когда тепло полностью и совершенно рассеется, температуры, по существу, сравняются с температурами окружающей естественной среды, как иллюстрировано Ц, в течение периода времени от месяцев или лет. Когда текучие углеводороды удалены из производственной зоны, и добыча прекращается, барьерные для текучих сред характеристики барьерного слоя (например, ΒΑδ), как правило, уже больше не требуются. Как таковой, ΒΑδ-слой может быть оставлен обезвоживаться или иным образом разлагаться без выделения текучих углеводородов или других нежелательных материалов в окружающий пласт.

В одном варианте исполнения извлеченный сырой продукт имеет мелкие частицы, осажденные или захваченные внутри продукта. Такие мелкие частицы могут вызывать нежелательные затруднения при дальнейших очистке или применении. Как таковые, извлеченные текучие среды и газы могут быть подвергнуты обработке для удаления мелких частиц и частиц пыли. Отделение мелких частиц из сланцевой нефти может быть выполнено такими способами, но не ограничивающихся таковыми, как фильтрация горячих газов, осаждение, и глубокая переработка тяжелой нефти.

Углеводородные продукты, извлеченные из проницаемого массива, могут быть дополнительно обработаны (например, очищены), или использованы как полученные. Любые конденсируемые газообразные продукты могут быть сконденсированы охлаждением и собраны, тогда как неконденсируемые газы могут быть собраны, сожжены в качестве топлива, повторно закачаны или иным образом утилизированы или уничтожены. Необязательно для сбора газов может быть использовано мобильное оборудование. Эти установки могут быть без труда размещены вблизи контролируемой инфраструктуры, и газообразные продукты направлены в них по подходящим трубопроводам из верхней области контролируемой инфраструктуры.

В еще одном альтернативном варианте исполнения тепло внутри проницаемого массива может быть отведено вслед за первичным извлечением из него углеводородных материалов. Например, боль- 17 028867

шое количество теплоты остается в проницаемом массиве после добычи и медленно рассеивается в окружающий пласт. В одном необязательном варианте исполнения проницаемый массив может быть залит переносящей тепло текучей средой, такой как вода, с образованием нагретой текучей среды, например нагретой воды и/или пара. В то же время этот процесс может облегчить удаление некоторых остаточных углеводородных продуктов путем физического вымывания из израсходованных твердых остатков сланца. В некоторых случаях введение воды и присутствие пара может проводить к реакциям конверсии до водяного газа и образованию синтез-газа. Генерированный этим способом пар может быть использован для привода генератора, направлен в еще одну соседнюю инфраструктуру, или иным образом использован. Углеводороды и/или синтез-газ могут быть отделены от пара или нагретой текучей среды традиционными способами.

Синтез-газ также может быть извлечен из проницаемого массива во время стадии нагревания. Разнообразные стадии производства газа могут управляться способами, которые повышают или снижают рабочие температуры внутри замкнутого объема и корректируют другие поступления в накопительный резервуар для получения синтетических газов, которые могут включать, но не ограничиваются таковыми, монооксид углерода, водород, сероводород, углеводороды, аммиак, воду, азот или разнообразные комбинации их. В одном варианте исполнения температуру и давление можно регулировать внутри проницаемого массива для снижения выбросов СО₂ при извлечении синтетических газов.

Извлеченный из сооруженной инфраструктуры углеводородный продукт чаще всего может быть подвергнут дальнейшей обработке, например, для повышения качества, очистки и т.д. Сера при переработке путем гидрирования и очистки может быть изолирована в разнообразных специальных отсеках для серы внутри более крупного структурированного отсека накопительного резервуара. Специальные отсеки для серы могут представлять собой отработанные сооруженные инфраструктуры или камеры, которые предназначены для цели хранения и изоляции после десульфуризации.

Подобным образом отработанный углеводородсодержащий материал, остающийся в сооруженной инфраструктуре, может быть утилизирован в производстве цемента и совокупных продуктах для использования в строительстве или укрепления самой инфраструктуры, или для формирования соседних сооруженных инфраструктур. Такие цементные продукты, изготовленные из отработанных глинистых сланцев, могут включать, но не ограничиваются таковыми, смеси с портландцементом, кальцием, вулканическим пеплом, перлитом, синтетическим наноуглеродом, песком, стекловолокном, толченым стеклом, асфальтом, гудроном, полимерными связующими средствами, целлюлозными растительными волокнами и тому подобными.

В еще одном дополнительном варианте исполнения трубопроводы или выпускные каналы для экстрактов могут быть включены в любую конфигурацию или компоновку внутри сооруженной инфраструктуры. Скважины для мониторинга и сооруженные слои из геомембран под построенным герметичным отсеком или снаружи него могут быть использованы для отслеживания миграции текучей среды и влаги вне границ отсека и сооруженной инфраструктуры.

Вышеприведенное подробное описание представляет изобретение со ссылкой на конкретные примерные варианты осуществления. Однако будет понятно, что разнообразные модификации и изменения могут быть сделаны без выхода за пределы области настоящего изобретения, как изложенной в пунктах прилагаемой патентной формулы. Подробное описание и сопроводительные чертежи следует рассматривать исключительно как иллюстративные, нежели как ограничивающие, и все такие модификации или изменения, если имеются, предполагаются попадающими в пределы области настоящего изобретения, как здесь описанного и изложенного.

Claims (27)

1. ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ

   1. Способ извлечения углеводородов из подземной формации, включающий стадии, на которых:

   a) формируют проницаемый массив из раздробленного углеводородсодержащего материала внутри замкнутого пространства, образующего регулируемую инфраструктуру, где первичную систему сбора жидкости размещают в нижней части проницаемого массива, причем упомянутая первичная система сбора жидкости имеет верхнюю поверхность для сбора и выведения жидкостей и часть раздробленного углеводородсодержащего материала расположена ниже первичной системы сбора жидкости;

   b) нагревают по меньшей мере часть проницаемого массива до средней температуры массива выше заданной технологической температуры, достаточной для удаления из него углеводородов, так что температура части раздробленного углеводородного материала, расположенного ниже первичной системы сбора жидкости, поддерживается ниже технологической температуры для образования непродуктивной зоны, при этом проницаемый массив остается, по существу, неподвижным во время нагревания.
2. 2. Способ по п.1, дополнительно включающий стадию, на которой собирают и удаляют углеводороды.
3. 3. Способ по п.2, в котором стадия, на которой собирают и удаляют углеводороды, включает сбор жидкого продукта из нижней области регулируемой инфраструктуры и сбор газообразного продукта из верхней области регулируемой инфраструктуры.

   - 18 028867
4. 4. Способ по п.1, в котором технологическая температура варьируется от 400°Р (204°С) до 900°Р (482°С).
5. 5. Способ по п.1, в котором проницаемый массив включает вторичную систему сбора жидкости, размещенную ниже первичной системы сбора жидкости.
6. 6. Способ по п.1, в котором верхняя поверхность первичной системы сбора жидкости является протяженной по всему полу замкнутого пространства.
7. 7. Способ по п.1, в котором регулируемая инфраструктура, по меньшей мере частично, включает земляной материал.
8. 8. Способ по п.7, в котором земляной материал включает глину, бентонитовую глину, уплотненную насыпь, огнеупорный цемент, цемент, дополненный бентонитом грунт или их комбинации.
9. 9. Способ по п.1, в котором регулируемую инфраструктуру формируют в непосредственном контакте со стенками выкопанной залежи углеводородсодержащего материала.
10. 10. Способ по п.1, в котором регулируемая инфраструктура является отдельно стоящей.
11. 11. Способ по п.1, в котором раздробленный углеводородсодержащий материал включает битуминозный сланец, битуминозные пески, каменный уголь, бурый уголь, битум, торф или их комбинации.
12. 12. Способ по п.1, в котором проницаемый массив состоит, по существу, из раздробленного углеводородсодержащего материала, имеющего средний размер от около 6 дюймов (15 см) до около 2 футов (61 см).
13. 13. Способ по п.1, в котором проницаемый массив имеет поровое пространство от около 10 до около 40% от общего объема проницаемого массива.
14. 14. Способ по п.1, в котором проницаемый массив дополнительно включает многочисленные трубопроводы, встроенные внутри проницаемого массива, причем, по меньшей мере, некоторые из упомянутых трубопроводов конфигурированы как горизонтальные нагревательные трубы.
15. 15. Способ по п.14, в котором нагревательные трубопроводы находятся в сообщении по текучей среде с источником тепла, который дополнительно включает циркуляцию нагревательной текучей среды в замкнутом контуре через нагревательные трубопроводы, достаточную для предотвращения существенного массопереноса между нагревательной текучей средой и проницаемым массивом.
16. 16. Способ по п.1, в котором раздробленный углеводородсодержащий материал представляет собой раздробленный битуминозный сланец, и нагревание выполняют во временных и температурных условиях, достаточных для формирования жидкого углеводородного продукта, имеющего показатель ΑΡΙ от около 30 до около 45.
17. 17. Система для добычи углеводородов по способу по п.1, включающая:

    a) накопительный резервуар с регулируемой проницаемостью, определяющий, по существу, замкнутый объем;

    b) раздробленный углеводородсодержащий материал внутри замкнутого объема, формирующий проницаемый массив из углеводородсодержащего материала;

    c) первичную систему сбора жидкости, размещенную в нижней части проницаемого массива, причем упомянутая первичная система сбора жидкости имеет верхнюю поверхность для сбора и выведения жидкостей и часть раздробленного углеводородсодержащего материала расположена ниже первичной системы сбора жидкости.
18. 18. Система по п.17, в которой накопительный резервуар с регулируемой проницаемостью, по существу, не содержит нетронутых геологических формаций.
19. 19. Система по п.17, в которой верхняя поверхность первичной системы сбора жидкости является протяженной по всему полу накопительного резервуара с регулируемой проницаемостью.
20. 20. Система по п.17, дополнительно включающая вторичную систему сбора жидкости, размещенную ниже первичной системы сбора жидкости.
21. 21. Система по п.17, в которой накопительный резервуар с регулируемой проницаемостью включает земляной материал.
22. 22. Система по п.17, в которой регулируемая инфраструктура является отдельно стоящей.
23. 23. Система по п.17, дополнительно включающая уплотненное насыпное перекрытие, по существу, покрывающее проницаемый массив, причем упомянутое уплотненное насыпное перекрытие, по существу, поддерживается проницаемым массивом.
24. 24. Система по п.17, в которой раздробленный углеводородсодержащий материал включает битуминозный сланец, битуминозные пески, каменный уголь, бурый уголь, битум, торф или их комбинации или, по существу, состоит из них.
25. 25. Система по п.17, в которой проницаемый массив имеет поровое пространство от около 10 до около 40% от общего объема проницаемого массива.
26. 26. Система по п.17, дополнительно включающая газообразный источник тепла, функционально соединенный с накопительным резервуаром с регулируемой проницаемостью и конфигурированный для направления нагретого газа в проницаемый массив для его конвективного нагревания.
27. 27. Система по п.17, дополнительно включающая многочисленные трубопроводы, встроенные внутри проницаемого массива, причем, по меньшей мере, некоторые из многочисленных трубопроводов

    - 19 028867

    представляют собой горизонтальные нагревательные трубопроводы.