通过基于一种或更多生产资源的可用性控制生产操作来将 源自地下地层的有机物转化为可生产的烃 本申请要求美国专利申请 No.61/175,547 的权益， 该申请于 2009 年 5 月 5 日 提 交， 律 师 案 号 No.2009EM089， 并且其标题为 “CONVERTING ORGANIC MATTER FROM A SUBTERRANEAN FORMATION INTO PRODUCIBLE HYDROCARBONS BY CONTROLLING PRODUCTION OPERATIONS BASED ON AVAILABILITY OF ONE OR MORE PRODUCTION RESOURCES” ， 其全部通 过引用包括在此。
本申请也涉及在 2008 年 1 月 25 日提交的美国专利申请 No.12/011,456、 在 2005 年 11 月 22 日提交的美国专利申请 No.10/558,068( 并且现在授权为美国专利 No.7,331,385) 和在 2004 年 7 月 30 日提交的美国专利申请 No.10/577,332( 并且现在授权为美国专利 No.7,441,063)， 以 及 于 2008 年 10 月 29 日 提 交 的 标 题 为 “Electrically Conductive Methods For Heating A Subsurface Formation To Convert Organic After Into Hydrocarbon Fluids” 的美国专利申请 No.60/109,369。所有上面提到的申请都通过引用 以其全部并入本文。
技术领域
本说明书涉及从地下地层回收烃的领域。更明确地， 本说明书涉及从富有机岩层 原地回收烃流体， 该岩层包括例如油页岩地层、 煤地层和 / 或柏油砂地层。本说明书也涉及 通过加热从移动化和 / 或熟化的富有机质岩层生产烃的方法， 例如通过低温加热从而使高 粘性流体移动， 和 / 或通过较高温度加热从而支持富有机质岩层的热解。背景技术
已知某些地质地层含有称为 “油母质 (kerogen)” 的有机物。油母质是固体含碳材 料。在油母质埋入岩层时， 混合物被称为油页岩。事实上， 无论矿物是否技术上是页岩， 即 由压实的粘土形成的岩石， 这都是正确的。
一暴露于热源一段时间之后， 油母质就经受分解。 一加热， 油母质分子就分解从而 产生油、 气和含碳焦炭。也可生成少量水。油、 气和水流体在岩基体内变得可移动， 同时含 碳焦炭保持基本不可移动。
油页岩地层在世界范围的各区域发现， 包括美国。油页岩地层趋向于在相对浅的 深度存在。在美国， 在怀俄明州、 科罗拉多州和犹他州最显著发现油页岩。这些地层经常通 过有限渗透性表征。 一些人认为油页岩地层是没有经历数年的被认作产生常规油气储量所 需的加热和压力的烃矿床。
油母质产生可移动烃的分解速率随温度而变。 物质转化可需要持续许多个月的通 常超过 270℃ (518 ℉ ) 的温度。在较高温度， 物质转化可在较短时间内发生。在加热油母 质时， 化学反应将形成固体油母质的较大分子分成较小的油气分子。热转化过程被称为热 解或干馏。
许多年来已经做出从油页岩地层提取石油的尝试。 一个世纪以来近地表油页岩在地表被开采和干馏。在 1862 年， James Young 开始处理苏格兰油页岩。该工业持续约 100 年。通过地表开采的商业油页岩干馏在其它国家实施， 例如澳大利亚、 巴西、 中国、 爱沙尼 亚、 法国、 俄罗斯、 南非、 西班牙和瑞典。 然而， 近年来该实践大部分已经被停止， 因为证明其 不经济， 或因为关于废油页岩处置的环境约束， 见于例如 T.F.Yen 和 G.V.Chilingarian 的 文献 “Oil Shale” ， Amsterdam， Elsevier， p.292， 其全部公开并入本文作为参考。进一步 地， 地表干馏需要开采油页岩， 其经常使应用限于非常浅的地层。
在美国， 自从 20 世纪早期已知油页岩矿床存在于科罗拉多州西北。尽管已经不时 在该区域实施研究项目， 但没有着手重大的商业开发。关于油页岩生产的大部分研究在 20 世纪后半叶执行。 该研究的主要部分是关于油页岩地质学、 地球化学和在地表设施中干馏。
在 1947 年， 美 国 专 利 No.2,732,195 授 予 Ljungstrom。 标 题 为 “Method Of Treating Oil Shale And Recovery Of Oil And Other Mineral Products Thereform” 的 ‘195 专利描述在高温向油页岩地层原地施加热量， 从而蒸馏并生产烃。 ‘195 Ljungstrom 专 利并入本文作为参考。Ljungstrom 创造短语 “供热渠道” 来描述钻入地层的钻孔。该钻孔 接收将热量传递到周围油页岩的电热导体。因此， 供热渠道用作注热井。在注热井中的电 热元件放置在砂子或水泥或其它导热材料内， 从而容许注热井传递热量到周围油页岩中， 同时防止流体流入。根据 Ljungstrom， 在一些应用中， “集合体” 被加热到 500°和 1000℃ 之间。 连同注热井一起， 流体生产井也在注热井附近完成。由于热量一导入岩基体中油 母质就热解， 所以得到的油气通过邻近的生产井回收。Ljungstrom 通过瑞典 Shale Oil 公 司应用他的从受热井筒 (wellbores) 导热的方法。发展全规模工厂， 其从 1944 运作到 20 世纪 50 年代。参见例如 G.Salommonsson 的文献， “The Ljungstrom In Situ Method For nd Shale-Oil Recovery” ， 2 Oil Shale and Cannel Coal Conference， v.2， ( 第二届油页岩 和烛媒会议 )， v.2， Glasgow， 苏格兰， Institute of Petroleum， 伦敦， p.260-280(1951)， 其 全部公开内容通过引用并入本文。
另外已经提出原地方法 ( 或原位方法 )。这些方法通常包括将热源和 / 或溶剂 注入地下油页岩。热源可以是受热的甲烷 ( 见 J.L.Dougan 的美国专利 No.3,241,611)、 烟道气或过热蒸汽 ( 见 D.W.Peacock 的美国专利 No.3,400,762) 的形式。热源也可以是 电阻加热、 电介质加热、 射频加热 ( 转让给伊利诺斯州芝加哥的 ITT 研究所的美国专利 No.4,140,180) 或氧化剂注入的形式， 从而支持原地或就地燃烧。在一些实例中， 在基体 中创造人工渗透性从而帮助热解流体的移动。渗透性生成方法包括开采、 碎石化、 水力断 裂 (hydraulic fracturing)( 见 M.L Slusser 的 美 国 专 利 No.3,468,376 和 J.V.Vogel 的美国专利 No.3,513,914)、 爆炸断裂 ( 见 W.W.Hoover 等的美国专利 No.1,422,204)、 热 断裂 ( 见 R.W.Thomas 的美国专利 No.3,284,281) 和蒸汽断裂 ( 见 H.Purre 的美国专利 No.2,592,450)。
在 1989 年， 美 国 专 利 4,886,118 授 权 于 Shell Oil 公 司， 其全部公开通过引 用并入本文。标题为 “Conductively Heating a Subterranean Oil Shale To Create Permeability And Subsequently Produce Oil” 的该专利宣称 “与…的含意相反…现有 教导和看法…目前描述的导热过程的使用经济可行， 即使在基本不可渗透的地下油页岩中 ( 第 6 栏， 50-54 行 )。尽管该声明， 但注意即使有， 也是极少不同于 Ljungstrom 申请的商业
原地油页岩操作发生。 ‘118 专利提出在围绕每个注热井的周围岩石内控制导热速率， 从而 提供均匀的热前缘 (heat front)。
在油页岩干馏和油页岩回收之后的另外历史可在共有的专利美国专利 No.7,311,385(Symington) 中 找 到， 其标题为 “Methods of Treating a Subterranean Formation to Convert Organic Matter into Producible Hydrocarbons” ， 以及在美国专 利 No.7,441,603(Kaminsky) 中找到， 其标题为 “Hydrocarbon Recovery from Impermeable Oil Shales” 。 这两个专利文件每个的背景技术内容和技术公开都通过引用并入本文， 包括 例如为了并入可应用于本申请的一种或更多的各种加热和处理方法。
如上文中描述的， 发展全规模工厂， 其从 1944 年运作到 20 世纪 50 年代。见例如 G.Salamonsson 的文献， “The Ljungstrom In Situ Method For Shale-Oil Recovery” ， nd 2 Oil Shale and Cannel Coal Conference， v.2， Glasgow， Scotland， Institute of Petroleum， 伦敦， p.260-280(1951)。例如， Ljungstrom 描述基于源自水电能量的电力， 使 用油页岩开发场作为巨大蓄能器。特定地， 因为油页岩的低导热率， 所以热量可长时间 ( 几 年 ) 存储在岩石中。在一段时间的电力或燃料短缺来临时， 必须为热解页岩供应一些另外 的热量。由此， 可获得明显高于用实际电源 ( 没有预热 ) 可能获得的产量。Ljungstrom 进 一步描述蓄积过剩电力， 例如过剩水电， 例如在夜晚、 或在夏天、 或在雨水富集的年份。 另外， 各种研究已经估计和原地转化过程相关联的温室气体 (GHG) 排放可以高于 和常规化石燃料资源相关联的温室气体排放。 参见例如 Brandt， Adam R.， “Converting Oil Shale to Liquid Fuels ： Energy Inputs and Greenhouse Gas Emissions of the Shell in Situ Conversion Process” ， Environ.Sci.Technol， 2008， 42， pp.7489-7495， 其全部 并入本文作为参考。例如， Brandt 提出在没有捕获从产生的推动该过程的电生成的 CO2 的 情况下， 井到泵的 GHG 排放可在描述的原地转化过程 (ICP) 中生产的液体燃料的每兆焦耳 30.0-37.0 克碳当量的范围内。Brandt 提出这些全燃料周期排放比源自常规生产的基于石 油的燃料大 21％ -47％。
例如， Brandt 提出如果从低碳源 ( 例如可再生燃料或具有碳捕捉的化石燃料 ) 发 电， 那么源自油页岩的排放可近似等于源自常规石油的排放。参考本申请的图 29， 其基于 Brandt 实施的分析， 显示常规石油、 ICP 过程的高 GHG 排放估计和 ICP 过程的低 GHG 排放 估计之间的若干不同。图 29 示出例如在泵产物， 每兆焦耳精炼 (refined) 燃料的碳当量 的以克为单位的估计温室气体排放的图表 2900。示出高 ICP 情况 2910、 低 ICP 情况 2920 和比较的常规石油过程 2930 的数据。为示范过程中的每个示出与干馏、 回收、 ICP 冷冻壁 (freezewall) 过程和混杂生产、 运输以及精炼过程关联的 GHG 排放。进一步认识到和 ICP 过程关联的 GHG 排放中显著增加的部分与干馏 ( 与用于加热器的发电关联的 GHG)、 支持冷 冻壁需要的能量关联， 和 / 或用于与油页岩生产活动例如在生产期间或之后冲洗地层关联 的回收。 事实上， 如在图 29 中示出并由 Brandt 提出， 如果与干馏、 回收和 / 或软化步骤 ( 例 如冷冻壁 ) 关联的 GHG 排放减少， 如果没有消除的话， 则存在与原地转化过程关联的全部 GHG 排放减少到低于常规石油的 GHG 排放的可能。
Brandt 也提出， 如前面由 Ljungstrom 确认的， 因为大量页岩的高热容和长加热时 间， 所以原地导电加热器的能量需求， 例如 ICP 过程， 可能对间歇性不敏感。因此， 间歇的可 再生燃料可用于非高峰时间。 第二， 假定热的、 废弃的生产单元需要用水冲洗来在任何情况
下符合水质需求， 那么废热的复用似乎可行。然而， 这些低碳 ICP 选择成本高， 并因此不可 能没有碳排放规则。本发明人确定存在若干方法， 其中间歇的可再生燃料以不必需要调整 碳排放的方式可选择性地部署在烃回收过程中， 例如油页岩、 柏油砂或其它重质烃的原地 加热中， 从而实现成本减少， 成本减少确保在本说明书中涉及的原地加热过程中的一种或 更多保持与常规石油竞争， 例如成本和环境足迹 (environmental footprint) 相似。
美国专利 No.7,484,561(Bridges) 描述间歇能量源的电热原地能量存储， 从而从 水含烃地层回收燃料。 特定地， ‘561 专利描述在地层中形成开孔、 用源自通过开孔提供的至 少一个间歇电力源的电力加热地层， 在足够开发可回收流体燃料的时间间隔在地层中存储 热能， 经开孔从地层收回有价值的组分， 以及改变电网负载从而至少部分补偿电网上的间 歇电力变化的效果。Bridge 特别描述利用 EM( 电磁 ) 原地加热法与原地热能存储结合， 从 而利用源自风能源或太阳能源的大量电能 ； 以及由此避免常规油页岩提取过程生成的 CO2 排放。Bridges 提出该结合具有从非常规矿床， 例如在北美洲的油页岩、 油砂 / 柏油砂和重 油矿床经济地提取燃料的潜力。Bridges 指出描述的电热存储方法可迅速或平稳改变给予 电力线的负载， 使消耗骤升或使负载骤降， 由此用作负载均衡功能。 可变负载功能可与无功 电源协调， 从而进一步稳定电网。 本发明人意识到存在对油页岩生产的改进过程的需要， 特别是依赖愈加稀有的资 源的过程。 例如， 由于更高用水权和 / 或相对低的季节降水量 ( 并因此在附近分水岭中较少 的可用地表径流 )， 因此在油页岩生产周期的进程期间使用的水的可用性受限制。另外， 存 在改善从富有机质岩层生产烃的过程的需要， 该岩层包括但不限于油页岩、 柏油砂和 / 或 煤地层。例如， 期望减少与重质烃资源关联的任何操作的能量需求， 和 / 或利用源自低 GHG 排放源， 例如风能和 / 或太阳能 ( 太阳能电池、 太阳能收集器等 ) 的电力。
即使考虑到当前可用的和提出的技术， 本发明人已经确定有利的是具有处理地下 地层从而将有机物转化为可生产烃或将重质烃移动化为可生产烃的改善方法。另外， 尽管 Ljungstrom 和 / 或 Brandt 讨论在非高峰时期使用间歇动力， 例如依赖源自间歇动力源的过 量动力， 但是本发明人已经确定存在包括使用间歇的、 可变的和 / 或稀有的生产资源例如 间歇电力和稀有工艺用水的另外方式， 其显著减少与在背景技术中讨论的油页岩生产技术 关联的环境影响和成本。因此， 本说明书的目的是提供一个或更多这样的改进方法。本说 明书的其它目的通过本说明书的以下描述明显。
发明内容 在一个通常方面中， 处理含有固体有机物的地下地层的方法包括在地下地层内用 一个或更多原地电热器加热处理层段。 在规则的预定间隔为电热器确定例如源自电源的可 用功率。基于在每个规则的预定间隔的确定的可用功率， 并基于输出电热器中每个在确定 的可用功率的最优加热速率的最优化模型， 选择性控制一个或更多电热器的加热速率。
该方面的实施可包括下面特征中的一个或更多。例如， 该方法可包括运行最优化 模型， 从而基于第一功率输入为一个或更多电热器确定最优加热速率。可在确定源自电源 的可用功率之前运行最优化模型。选择性控制的加热速率可从最优解的库选择， 该最优解 的库通过基于源自电源的多个不同的可用功率值运行最优化模型预定。 最优化模型的运行 可包括为每个电热器确定最优加热速率， 并确定在 10MW 到 600MW 之间范围内的多个功率输
入。可在确定源自电源的可用功率之后运行最优化模型。电源可包括通过公用电网提供电 力的一个或更多电源。电热器可包括一个或更多电阻加热器。每个电阻加热器的功率系数 可在 0.7 到 1.0 之间， 电力可以是三相 AC 电， 并且每个加热器都可以通过变压器可操作连 接到为处理层段服务的配电分站。电热器可包括一个或更多井筒加热器。电热器可包括一 个或更多导电断裂。可运行最优化模型， 从而基于输入到处理层段的第一功率输入确定最 优加热速率， 并且可获得在即将到来时期的计划间歇能量的预测， 例如从外部源计算或接 收。即将到来的时期可以是即将到来的 4 小时、 8 小时、 12 小时、 24 小时、 48 小时和 / 或 72 小时或更多时限。可运行最优化模型， 从而基于在即将到来时期的计划间歇能量的预测产 生最优解的库， 例如为即将到来的 72 小时时期的离开电网源自多个优选风电厂的预期可 用风力或风能 (wind power) 产生一组操作控制方案。
可 运 行最 优化模型， 从而为 每个电热器 确定 最优 加热 速率， 并确 定在 0MW 到 1000MW 之间范围内的多个功率输入。 在规则的预定间隔为电热器确定可用功率可包括从公 用电网接收数据， 所述数据表示源自电网的可用功率、 可用功率的来源和 / 或与源自电网 的可用功率关联的利用率中的一个或更多。 为电热器确定可用功率包括确定在特别地理区 中的可用风能。 为电热器确定可用功率可包括接收涉及一个或更多风电厂及其可用功率的 数据。接收的数据可包括预测的风速、 实际的实时风速、 可用风能和 / 或利用率中的一个或 更多， 并且可基于源自接收数据的风速、 实际的实时风速、 可用风能和 / 或利用率中的一个 或更多， 控制选择性受控的加热速率。为电热器确定可用功率包括确定在特别地理区中的 可用太阳能。 为电热器确定可用功率包括接收涉及一个或更多太阳能发电设施及其可用功 率的数据。接收的数据可包括预测的太阳能、 可用风能和 / 或利用率中的一个或更多。基 于确定的可用功率选择性控制一个或更多电热器的加热速率可包括基于确定的可用功率 并基于源自最优化模型的最优解， 切换一个或更多电热器到加热或不加热状态。选择性控 制一个或更多电热器的加热速率包括响应于确定的可用功率下降， 使加热器减负荷。选择 性控制一个或更多电热器的加热速率包括基于确定的可用功率， 选择性变更分派给该一个 或更多加热器中每个的电压。 选择性变更电压包括基于确定的可用功率为分派给单独加热 器或加热器群的多分接头变压器指定分接头。 地下地层可包括油页岩地层、 柏油砂地层、 煤 地层和 / 或常规烃地层。
在另一通常方面中， 处理含有固体有机物的地下地层的方法包括 (a) 用一个或更 多原地加热过程加热在地下地层内的处理层段 ； (b) 为地下地层的处理确定一个或更多可 用资源 ； 以及 (c) 基于确定的可用资源并基于最优化模型， 选择性控制一个或更多电热器 的加热速率或与处理层段关联的另一过程参数， 最优化模型基于确定的可用资源输出最优 过程控制。
该方面的实施可包括下面特征中的一个或更多。例如， 为地下地层的处理确定可 用资源可包括为地下地层的处理确定可用地表水和 / 或地下水中的至少一个。估计水可用 性可基于用于提供工艺用水的分水岭的预测融雪水。 选择性控制一个或更多电热器的加热 速率或与处理层段关联的其它过程参数可基于估计的水可用性。 一个或更多加热速率可响 应于估计的水可用性高于或低于预定值而降低。 一个或更多加热速率可响应于估计的水可 用性高于或低于预定值而提高。 加热速率可设定为由最优化模型确定并基于确定的可用资 源的值。确定的可用资源可包括可用的可再生能、 可用的地下水、 可用的地表水、 可用的生产设备， 和 / 或从处理层段生产的产品的售价中的一个或更多。选择性控制加热速率可包 括在从地下地层生产的预定产品或衍生产品的市场价相对于阈值或范围改变时控制加热 速率。选择性控制一个或更多加热速率可基于关于生产资源可用性的实时反馈动态执行。 可基于最优化模型提供的解并响应于确定的可用资源相对于阈值改变， 在处理层段中激活 另外的加热器。一个或更多原地加热过程可包括从， 用在高于 265 摄氏度的持续不变温度 引入地层的传热流体、 导电断裂或依赖导热作为主要传热机制的导电电阻加热元件加热地 层构成的集合中选择的至少一个加热过程。 从地层回收一种或更多地层水溶性矿物可通过 用水流体冲洗地层以在水流体中溶解一种或更多第一水溶性矿物， 从而形成第一水溶液来 实现。第一水溶液可被生产到地表， 并且水溶性矿物通过随后的过程例如脱水提取。可基 于确定用于处理地下地层的可用地表水或可用地下水中的至少一个开始冲洗地层。 冲洗地 层用于生产第一水溶液到地表可在充分加热地层并从地层生产烃之前或之后执行。 所述一 种或更多地层水溶性矿物可包括钠、 小苏打 ( 碳酸氢钠 )、 片钠铝石、 苏打灰或其组合。
根据另一通常方面， 有形的计算机可读存储介质包括在其上收录的计算机程序， 该计算机程序经配置而在由处理器执行时计算至少一个最优解， 用于基于运行利用可变的 间歇源功率、 公用事业价格和 / 或估计的可用生产资源中一个或更多的最优化模型选择性 调节地下地层内处理层段的一个或更多原地加热器的加热速率， 计算机可读存储介质包含 经配置而运行最优化模型从而输出至少一个最优解的一个或更多代码段。 有形的计算机可 读存储介质可包括在其上收录的计算机程序， 该计算机程序经配置而在由处理器执行时用 前述的方法计算在上文中描述的过程特征中的任何组合。 附图说明 因此可更好地理解本发明， 某些附图、 图表、 曲线图和流程图附加于此。然而， 注 意， 附图仅图解说明选择的实施例， 并因此不被认为限制范围， 因为这些实施例可承认其它 等效实施例和应用。
图 1 是说明性的地下区域的剖面等距视图。该地下区域包括限定地下地层的富有 机质岩体。
图 2 是表明在一个实施例中从富有机质岩层原地热回收油气的一般方法的流程 图。
图 3 是图解的油页岩地层和地层浸析操作的剖面侧视图， 该地层在地下水含水层 内， 或连接到地下水含水层。
图 4 是图解的加热器井布局的平面图。示出两层加热器井围绕各自的生产井。
图 5 是比较在模拟的原地干馏过程之前和之后的一吨格林河 (Green River) 油页 岩的柱状图。
图 6 是地下地层开发的示范地表处理设施的处理流程图。
图 7 是烃开发区的透视图。地下地层经电阻加热来加热。大量导电粒状材料已经 被注入在两个邻近井筒之间的地层中。
图 8A 是另一烃开发区的透视图。地下地层经电阻加热被再次加热。大量导电粒 状材料从多个水平完井的井筒注入地层。对应井筒通过单独量的导电粒状材料水平完井。
图 8B 是另一烃开发区的透视图。地下地层经电阻加热被再次加热。大量导电粒
状材料从一对水平完井的井筒注入地层。第三井筒通过该大量导电粒状材料水平完井。
图 9 是沿其纵轴打开的矿样的透视图。钢粒已经被放置在矿样内部形成的 “托盘” 里面。
图 10 示出已经被关闭并夹住以便试验的图 9 的矿样。电流流过矿样的长度从而 产生电阻加热。
图 11 提供一系列图表， 其中功率、 温度和电阻在图 9 的矿样加热期间作为时间的 函数测量。
图 12 表明流过已经断裂的地质地层的电流。箭头表明偏微分方程在 x 和 y 方向 上的电流增量。
图 13 是厚度 - 电导率地图， 示出模拟的断裂的平面图。两块钢板被安置在断裂内 环绕的导电粒状支撑剂内。 该地图被灰度化从而示出电导率乘穿过断裂的导电粒状支撑剂 厚度的乘积值。
图 14 是图 13 的厚度 - 电导率地图的另一视图。该地图以电导率乘厚度的更精细 增量进行灰度化， 从而区别支撑剂厚度的变化。
图 15 是电流移动进入和离开图 13 的断裂面的表示。该表示是电流源地图。 图 16 示出在图 13 的断裂内的电压分布。
图 17 示出在图 13 的断裂内的加热分布。
图 18 是厚度 - 电导率地图， 示出模拟断裂的平面图。两块钢板被再次安置在断裂 内环绕的导电粒状支撑剂内。 该地图被灰度化从而示出电导率乘穿过断裂的导电粒状支撑 剂厚度的乘积值。
图 19 是图 18 的厚度 - 电导率地图的另一视图。该地图用电导率乘厚度的更精细 增量进行灰度化， 从而区别在钢板周围的煅烧焦炭和更高电导率支撑剂， 或 “连接体” 之间 的乘积值。
图 20 是图 18 的厚度 - 电导率地图的另一视图。该地图用电导率乘厚度的进一步 更精细增量进行灰度化， 从而区别钢板周围的煅烧焦炭和更高电导率支撑剂之间的电导率 变化。
图 21 是电流移动进入和离开图 18 的断裂面的表示。该表示是电流源地图。
图 22 示出在图 18 的断裂面内的电压分布。
图 23 示出在图 18 的断裂面内的加热分布。
图 24 是厚度 - 电导率地图， 示出模拟断裂面的平面图。两块钢板被再次安置在断 裂面内围绕的导电粒状支撑剂内。 该地图被灰度化从而示出电导率乘穿过断裂的导电粒状 支撑剂的厚度的乘积值。
图 25 是图 24 的厚度 - 电导率地图的另一视图。该地图用电导率乘厚度进行更精 细增量灰度化， 从而区别在钢板周围的煅烧焦炭或 “连接体” 和更高电导率支撑剂。
图 26 是电流移动进入和离开图 24 的断裂面的表示。该表示是电流源地图。
图 27 示出在图 24 的断裂面内的电压分布。
图 28 示出在图 24 的断裂面内的加热分布。
图 29 是与常规烃和油页岩原地转化示范过程关联的估计温室气体排放的图形视 图。
图 30 是油页岩开发区的示意图， 油页岩开发区包括能够基于范围生产进度表而 被选择性控制从而单独变更加热速率例如功率输入的多个加热器 ( 或多个加热器群 )。
图 31 是美国科罗拉多州的 Piceance 溪分水岭的季节性水流的图形视图。
图 32 是美国科罗拉多州的科罗拉多河 (Colorado River) 分水岭的季节性水流的 图形视图。
图 33 是用原地加热过程处理地下地层的示范过程的流程图。
尽管将结合优选实施例描述本说明书， 但将理解本说明书不限于此。 相反， 本说明 书意图覆盖可包括在如通过所附权利要求定义的本公开的精神和范围内的全部变更、 修改 和等同物。 具体实施方式
在此描述的实施例中的一个或更多与这样的认识关联 ： 在商业油页岩开发的过程 中， 对某些资源的需求可在整个开发中波动。 因此， 本发明人已经确定可期望在资源丰富时 计划对资源 ( 动力、 水 ) 的需要， 和 / 或基于可变和 / 或稀有生产资源可用性的分析， 使操 作最优化。 背景技术讨论设置工业页岩石油生产设施的规模， 从而适应电力的基础负载， 和 / 或利用在峰值电力经济时利用该峰值电力 ( 在可用时 ) 的概念。 例如， 本发明人已经确定油页岩 ( 柏油砂、 煤地层以及其它基于重质烃的资源 ) 生 产操作可经设计而适应间歇动力， 因此操作可被最优化从而使整个间歇动力输入 ( 或者功 率输入 ) 范围的有效热传输最大化， 例如其中功率输入是变量而不是需求。在包括许多电 热器的巨大区域中向一个或更多加热器供应的功率和与一个或更多加热器关联的加热速 率可基于当时的可用功率被选择性控制。 单独加热速率的控制可基于涉及向油页岩生产设 施供应的可用功率供应的反馈动态实施， 例如油页岩生产设施可接收涉及可用动力供应的 实时信息 ( 例如可用功率， 并来自优选源， 例如 500MW 的风力可用 )， 因此可响应于可用的动 力供应来控制工业操作。
下面实施例中的一个或更多容许工业的非常规烃生产操作， 从而安排操作以使峰 值资源需求的时期对应该资源便宜且丰富的时候。例如， 当生产在油页岩地层的特别部分 结束时， 工艺用水通常用来冲洗系统的污染物， 并回收钠矿物。 安排需求水的时间对应在附 近江河具有许多流量时的雪融水时期会减少对稀有资源的需求。 如果操作被安排为在河流 干时需求水， 那么项目或被延迟， 或需要昂贵的存储设施。该最优化也可包括附近其它操 作， 例如油气生产、 小苏打或重碳钠盐开采等。水质也可随时间推移变化。
如上面提及的， 本发明人已经确定非常规烃资源的开发， 例如油页岩或重质烃的 目标区的开发， 也可包括优于大多数工业操作的间歇动力供应的使用。 例如， 在与非常规烃 资源关联的一些区域中可再生能以充足的量容易可用， 例如几千 MW 的风力在几百英里的 富油页岩矿床内可用。源自本地风电厂的动力可能能够从附近地区， 例如东南的怀俄明州 或东北的科罗拉多州， 通过现有高压输电线并以典型与发电关联的较少传输损耗传输延伸 通过 Piceance 盆地。
传统发电和配电操作， 例如对于公用事业公司， 依赖将可再生能 ( 例如风能 ) 合并 到公用事业公司的发电源组合。 然而， 由于可再生能量的间歇性质， 因此可再生发电通常限 于穿过 10-20％之间的水平。 另外， 公用事业公司必须使非可再生资源循环 ( 例如燃气涡轮
发电单元 ) 开关电网， 从而适应源自可再生电源的波动， 例如电力生成和需求必须保持平 衡从而维持电网稳定性， 因此提高调整、 递增的操作准备、 能量需求管理和预测、 卸去负荷 或存储解决方案的成本。 由于页岩的低导热率， 因此油页岩地层可长期在地层内存储热。 可 能对于公用事业公司是问题的间歇动力源可通过大规模油页岩操作适应， 该操作可在峰值 操作时期采用全部可用风力， 并且在风力下降的时期 ( 在风场的每日或季节性下降期间 ) 减少甚至停止加热。
油页岩操作可包括在整个油页岩加热区选择性分配间歇动力的动力管理例程。 在 油页岩设施处的动力分配可与动力预测 ( 例如基于每日或每小时风预报， 例如东南怀俄明 州的风电厂的风预报 ) 和 / 或在可再生能源处获得的实际的实时数据 ( 在为特定风电厂收 集动力的分站的风速计或实际检测的动力水平 ) 同步。由于动力循环地 ( 或非预期地 ) 整 天或整季节变化， 因此最优动力管理规划可在需求侧实施， 例如均匀减少整个处理区的动 力， 和 / 或在某些早期生产区中维持最小水平， 同时减少甚至关闭在以较晚生产作为目标 的外围区的动力。在传输损耗， 关于利用性的动力减少 / 负载管理， 和 / 或与碳足迹关联的 这些成本作为因素计入操作时， 到油页岩设施的动力的成本可能显著减少， 所述碳足迹通 常与加热非常规烃源关联。
最优化
例如， 开发和管理烃资源经常承担预计接收对应的巨大财政回报的多年巨大经济 投资。烃资源产出利润或损失主要取决于为资源开发和管理实施的战略和战术。资源开发 规划包括设计和 / 或选择强有力的战略和战术， 其在长期产出良好的经济结果。
资源开发规划可包括做出关于例如生产平台的大小、 时机和位置的决策， 以及随 后的扩张和连接的决策。关键决策可包括数量、 位置、 至平台的分配， 以及在每个矿区中钻 孔、 形成和 / 或完成生产井和加热器的时机 ( 例如井筒电热器或导电断裂 )。 后钻孔决策可 包括确定遍及多个生产井的生产速率分配。任何一个决策或行动可具有全系统的含意， 例 如， 遍及石油操作或储层传播积极或消极影响。 考虑到储层开发规划的前面提及方面， 其仅 是面对石油资源管理者的许多决策的少数代表， 人们可意识到规划的价值和影响。
基于计算机的建模为资源开发规划保持显著潜力， 特别在与先进的数学技术结合 时。基于计算机的规划工具支持在野外做出良好决策。一类规划工具包括基于处理各种信 息输入， 鉴别一组决策的最优解的方法。 例如， 示范的最优化模型可努力完成从具有定义的 约束组的已知可能性产生最优结果的解。 在开发含有富有机质岩石例如柏油砂、 油页岩和 / 或煤地层的烃资源的背景下， 本发明人已经确定示范的最优化模型可努力完成发现这样的 解： 它们产生最优加热速率 ( 包括在巨大的商业应用中的每个原地加热器的单独最优化加 热速率， 和 / 或遍及大量选择的资源， 并因此遍及多个加热器的平均加热速率 ) 从而实现完 工日期， 或响应功率输入、 最少用水的改变， 和 / 或在预定时间完成完工的各阶段， 例如控 制加热速率， 因此最优回收条件符合在油页岩操作附近的峰值水流。
本发明人已经识别可支持商业操作的若干最优化模型， 这些商业操作具有显著减 少温室气体排放和 / 或节约稀有资源例如水的可能性。第一独特最优化模型将功率输入， 例如源自电网或本地发电厂的源功率处置例如作为可随时间推移变化的变量。该模型对 于利用间歇动力源， 例如风能和 / 或太阳能， 例如源自公用电网的间歇动力源不仅作为峰 值资源， 也作为全部商业动力需求的实质贡献者特别有用， 例如 20％或更多的动力来源于间歇动力、 40％或更多的动力来源于间歇动力、 60％或更多的动力来源于间歇动力和 / 或 80％或更多的动力来源于间歇动力。不依赖化石燃料动力作为原始动力源， 而是可应用前 述的最优化模型， 从而在特殊时间基于源自电网的可用动力为单独加热器提供推荐的电压 / 功率输入， 例如取决于可用间歇动力的实时控制方案。 与背景技术建议的典型油页岩操作 相反， 通过处理功率输入作为变量 ( 并且不作为固定的功率需求 )， 油页岩操作可潜在利用 源于具有极少或没有碳足迹的发电源的电动力或电力。因此， 油页岩操作 ( 或其它重质或 常规烃操作 ) 可经适当应用最优化模型以便最优化油页岩资源的开发规划和管理， 特别是 包括在多年为多个资源区做出决策的那些开发规划和管理， 来实现极大的经济利益。
术语 “最优的” 、 “正在最优化” 、 “使……最优化” 、 “最优性” 、 “最优化” ( 以及派生词 和这些术语的其它形式和语言学上相关的单词与短语 )， 如在此使用的， 不意图限制要求本 说明书发现最佳解或者做出最佳决策。 尽管数学最优解可实际上达到全部数学可用的可能 性的最佳， 但最优化程序、 方法、 模型和过程的现实世界实施例可朝向这样的目标工作而不 曾实际达到完善。因此， 受益于本公开的本领域技术人员将认识到这些术语在本说明书范 围的背景下是更一般的。 这些术语可描述努力找到解， 其可以是最佳的可用解、 优选解或在 约束的范围内供应特定益处的解、 或连续改善、 或精炼、 或为目标搜索顶点或最大值、 或处 理从而减少补偿函数 ； 等等。
在某些示范实施例中， 最优化模型可以是函数或方程的代数系， 其包含 (1) 连续 或整数变化的决策变量， 其可限于特定域范围， (2) 基于输入数据 ( 参数 ) 和决策变量的约 束方程， 其在定义正在被解决的最优化问题的可行性的一组特定条件内限制变量的活性， 和 / 或 (3) 基于输入数据 ( 参数 ) 和正在被优化的决策变量的目标函数， 通过使目标函数 最大化或使目标函数最小化来最优化决策变量。在一些变化中， 最优化模型可包括不可微 分的、 黑箱函数或方程和其它的非代数函数或方程。
典型的 ( 确定性的 ) 数学最优化问题包括受关于问题变量的一组约束控制的某个 目标函数的最小化或最大化。这在科学和工程界通常称为数学规划。数学规划的子范畴包 括线性规划 (LP)、 混合整数规划 (MIP)、 非线性规划 (NLP) 和混合整数非线性规划 (MINLP)。 确定性的最优化模型通常以下面形式提出， 其中目标函数 “f” 受必须通过设定决策变量数 组 “x” 和 “y” 的值来满足的约束函数 “g” 的数组的控制来被最优化。在提出数学规划模型 时， 约束函数通常包括已知数据参数和未知变量值的结合。
min f(x， y)
i.
s.t.g(x， y) ≤ 0
求解问题至数学最优化可包含发现决策变量的值， 使得全部约束被满足， 其中基 本数学上不可能通过改变变量值同时仍保持关于全部约束的可行来改善目标函数的值。 在 问题的 “已知” 固定参数中的一些在实践中实际上不确定时， 对于确定性的最优化问题的解 可以是次最优的， 或可能甚至是不可行的， 尤其是如果问题参数取最终不同于经选择用作 输入到被求解的最优化模型中的输入的那些值。 本实施例可利用 LP、 MIP、 NLP 和 / 或 MINLP 的任何结合。
资源开发规划的最优化过程可以是挑战性的， 即使假设原地加热器和表面设施的 经济效果和状态是完全已知的。通常， 大量的软硬约束应用于甚至更大量的决策变量。然而实际上， 在资源， 状态、 经济效果和 / 或决策过程的其它分量中存在不确定性， 其使最优 化过程复杂化。
该示范实施例使用原地转化过程的模型， 从而确定输入参数， 例如到断裂的电流 或井压怎样影响生产率、 产品质量和操作费用。 模型也预测怎样由改变影响其它测量的量， 例如井温度。这允许模型的验证， 并可潜在鉴别要避免的未来状况。在本发明的一个实施 例中， 该改变可通过计算机自动实施。在 Electrofrac 断裂上的电压和电流表可用来使进 入一组断裂的功率平衡。这是令人期望的因此井温度不迅速上升。模型也可用于项目的开 发阶段， 从而同样最优化资本支出。该示范实施例允许管理含有几百口井的大规模油页岩 开发。没有另外的技术， 大规模开发的管理可能是挑战性的。
在商业油页岩开发的过程中， 许多操作参数可被改变得更好， 以降低成本、 提高产 品质量或提高生产率。期望系统的方法改变操作参数， 从而最优化开发的收益率。在一些 情况下， 加热元件的电阻率可随时间变化 ( 例如， 在热膨胀发生时或在元件材料的电阻率 随温度改变时 )。没有控制， 加热元件提供的加热速率也可改变。在其它情况下， 产出流体 的成分可改变并且降低销售价值或有效用作本地燃料的能力。 为多组井主动调节停留时间 ( 例如流速 ) 可证明全部产出流体的更稳定成分。 油页岩储层的温度 ( 或动力 ) 可用各种方式控制。参考图 30， 示范性商业油页岩 操作包括众多电阻加热器 ( 或被单独控制的加热器的群， 或每个群被单独控制 )。加热器 通过一个或更多逐级降压变压器电气并联到母线， 例如三相交流 (AC) 电。取决于使用的加 热器类型， 每个加热器的阻抗或电阻不同。例如， 导电断裂具有独特几何形状 ( 并因此使处 理体积变化 )、 独特电阻率、 导热率， 等等。经多分接头变压器， 例如针对一个或某些电阻加 热器的一个变压器， 加热器可每个都单独连接到母线， 或在子群中连接到母线。 基于从处理 层段接收的实际温度测量， 可自动选择分接头， 并因此调整输出电压。因此， 施加到储层的 电压更高 / 更低、 功率更多 / 更少， 温度就升高得更快 / 更慢。此外， 可采用更复杂的算法 来最优化整个系统动力分配。由于在某时间总可用电力总是受限制， 因此该算法可计算关 于温度反馈、 给定的加热分布、 功率限制或预定处理进度表的施加到每个加热器或加热器 群的电压 ( 或功率 )， 例如生产受到控制因此资源不迟于某日期 ( 其可最优符合在图 31 和 32 中示出的峰值水流 ) 被热解或生产， 因此在峰值生产资源可用期间可开始回收工作， 例 如源自附近气密封操作的再循环水或从本地分水岭洪峰抽取的水。
使油页岩资源开发最优化的方法可包括基于可变的功率输入 ( 创造各种控制方 案的功率输入范围或多个功率输入 ) 定义最优化的目标， 例如最大生产、 最少用水、 最少温 室气体排放、 最大净现值、 每个加热器的最优加热速率。构建开发的模型， 其计算目标。该 模型包括热传输和 / 或热能模型， 例如基于地层的导热率、 期望的温度升高和处理体积或 质量的传导模型， 例如 Q ＝ m*cp*ΔT， 用于定义热能， Q 是热能， m 是质量， cp 是比热， 并且 T 是期望的温度改变。 密度和体积可代替质量， 从而基于处理体积而不是直接使用质量计算。 AC 电路的电压、 电流和功率方程可用来描述通过多分接头变压器选择性连接的单独加热器 的关系。例如， 在电阻器中转换的功率 p， 例如电能转化为热的转化率可描述为 p(t) ＝ iv 2 2 ＝ v /R ＝ i R。
对于每个加热器可应用的另外 AC 功率方程， 例如可用来确定加热器的最优结合 ( 每个变化电阻 )， 从而用来获得生产区的最大期望加热速率的电压、 电流和功率方程包括
例如 ： V ＝ Vosin 2 ∏ ft(AC 电压方程 )， I ＝ Iosin 2 ∏ ft(AC 电流方程 )， 以及 P ＝ VI ＝ 2 2 2 VoIosin 2 ∏ ft(AC 功率方程 )， 以及 Prms ＝ VrmsIrms ＝ V rms/R ＝ I rmsR( 平均功率 )。例如， 加 热器 1、 11 和 20 可产生总的组合电阻， 对于给定功率输入， 相比加热器 2、 17 和 105 的组合， 该组合电阻是矿区操作更期望的。 另外， 由于可在矿区中与电阻加热元件一起经历， 因此加 热元件的实际电阻可随时间推移改变， 例如电阻加热器的电阻值可随周围环境改变 ( 贯穿 地层选择剖面的热解的温度、 压力、 岩石力学以及周围流体改变 )。
接下来， 为模型选择输入参数。在一个或更多优选实施例中， 功率输入已知 ( 不作 为需求计算 )， 并在最优化模型中用作约束或输入。 最优化模型的该方面没有在建议使用间 歇动力源例如可再生能的背景技术的任何系统中描述或建议。相反， 背景技术系统中的每 个似乎集中于便宜的峰值动力可用时增加动力。 本实施例预期针对负载卸载和峰值负载操 作的最优化。输入参数可包括以下中的一个或更多 ： 加热器中每个的电阻 ( 或阻抗 )、 功率 因数 ( 由于导电的电阻加热器或导电断裂是高电阻装置， 因此功率因数可能为高， 例如在 0.7 到 1.0 的范围内 )、 加热器中每个的关联处理体积、 每个加热器关联的地层的热性质， 例 如基于油页岩费希尔检测 (Fischer Assay) 的地层中油页岩的导热率或比热， 以及整个处 理区的功率输入 ( 这可基于实时反馈， 该实时反馈关于特定量的可用廉价或来源于低碳足 迹的能量的可用性， 例如在时间 t1 到时间 t2 可用的 500MW 可再生能的可用性 )。该模型然 后用来预测目标和其它期望输出的值， 例如为每个加热器提供期望的加热速率。 例如， 对于 100 个加热器在具有 300MW 可用风力的时期运转的矿区， 可能建议 1-30 加热器在时间间隔 期间 ( 并且关联确定的功率水平 ) 关闭， 31-50 加热器接分接头从而实现最大加热速率， 并 且加热器 51-100 空闲 / 接分接头从而在源自公用电网的相对低的可用功率时期实现相对 低的加热速率。也可基于其它输入参数选择加热器， 例如加热器 1-30 处在预处理时期 ( 使 油页岩地层从 20 摄氏度提升到 270 摄氏度的非热解预热时期 )， 加热器 31-50 在热解温度 270-400 摄氏度的近完成状态， 以及加热器 51-100 在生产的最终阶段或接近完成 ( 因此在 热的热前缘继续移动通过地层的剖面时容许甚至更低的加热速率 )。
( 多个 ) 模型方案在矿区中的实施可包括调节加热速率从而实现期望的效果。源 自矿区的输出也可被连续监测， 从而动态更新模型 / 方案， 并因此控制加热速率。例如， 由 于功率输入在整个一天的过程波动， 因此将获得实时温度、 电压、 电流和功率输入并且输入 到最优化模型， 从而确定接下来的期望控制方案。获得反馈数据的预定间隔可以从几毫秒 到几小时， 甚至几天的范围变化， 例如源自关于可用功率的电网的反馈更可能是在大约几 毫秒到几秒。可重复前面规程中的每个， 直到获得期望的目标和 / 或输入停止改变， 例如， 功率输入在恒定风速期间稳定， 并因此满足全部功率需求。能量成本也可化为因子进入最 优解， 例如离开电网可用的低成本风能可在非高峰时期被利用， 并在相同能量的当前定价 在几天甚至几个月之后致使热源与加热过程不协调时被避免。因此， 源自第一风电厂群的 最低成本风能可在第一时限期间被利用， 并且分离的风电厂群功率输出可在第二时限期间 被利用。
针对经历富有机质岩石电加热的矿区的实时矿区管理的示范方法可包括在矿区 中安装至少一个传感器从而估计地下电加热元件的电阻率、 将至少一个传感器耦合到位于 矿区的 CPU 存储器、 将 CPU 编程从而收集和存储源自耦合的传感器的数据、 将 CPU 编程从而 至少部分分析数据并控制到一个或更多地下加热元件的电功率输入 ； 以及提供对数据的远程访问。加热元件可以是电阻加热器， 并且电功率可被控制从而维持目标加热速率。控制 的加热元件邻近电阻率被估计的加热元件。如果电阻率超过预定值， 那么目标加热速率可 以是零。流速的控制可基于包含热解反应动力学、 停留时间估计和原地温度或其它热解条 件的模型。
本说明书建议使用导电材料作为电阻加热器， 例如用于导电断裂。 可替换地， 井筒 加热器例如由 Vinegar 在美国专利 No.4,886,118 或美国专利 No.6,745,831 中描述的井筒 加热器可被用于任何前述实施例中， 该两个专利每个都全部并入本文作为参考。关于优选 实施例， 电流主要流过由导电材料构成的电阻加热器。在电阻加热器内， 电能转化为热能， 而且能量通过导热运输到地层。
参考图 30-33， 处理含有固体有机物的地下地层的示范方法包括 (a) 在地下地层 内用一个或更多原地电热器加热处理层段 ； (b) 在规则的预定间隔为电热器确定可用功 率； 以及 (c) 基于在每个规则的预定间隔的确定可用功率， 并基于输出每个电热器在确定 的可用功率的最优加热速率的最优化模型， 选择性控制一个或更多电热器的加热速率。
参考图 30， 实施所描述方法的示范系统 3000 包括功率控制器， 例如包括逐步降低 和分配源自公用电网的动力到地层的逐级降压变压器、 容许单独加热器开启 / 关闭或具有 变更电压的单独功率控制器 ( 或多分接头变压器 )， 从电网接收数据例如关于实时功率输 入的数据的反馈模块、 配电母线， 获得实时温度、 电压或电流测量的传感器， 以及主处理器 ( 独立的或基于服务器的 ) 和 / 或专家系统， 其可操作连接到最优化模型， 以基于确定的功 率输入实施各种控制方案。也可依靠在当地或附近提供的基本负载发电厂， 例如燃烧基础 天然气的涡轮式发电机供应或加强动力， 该涡轮式发电机例如以从同时进行的操作或从附 近气密封操作产生的天然气为动力运转。
参考图 30-33， 处理含有固体有机物的地下地层的示范方法 3300 包括 3310 在地下 地层内用一个或更多原地电热器加热处理层段， 3320 在规则的预定间隔为电热器确定可用 功率， 以及 3330 基于在每个规则的预定间隔的确定可用功率， 并基于输出电热器中每个在 确定可用功率的最优加热速率的最优化模型， 选择性控制一个或更多电热器的加热速率。 该方面的实施可包括下面特征中的一个或更多。例如， 方法 3300 可包括 3340 运行最优化 模型， 从而基于第一功率输入为一个或更多电热器确定最优加热速率。最优化模型可在确 定源自电源的可用功率之前运行。可用功率可包括实时的可用功率数据， 例如来源于公用 电网或直接源自电源 ( 风电厂或发电厂 )， 或可用功率可包括即将到来时期的预测可用功 率， 例如涉及在即将到来的 72 小时东南怀俄明州的可能风条件的预报 ( 以及预期的可用功 率 )。
参考图 30， 用于油页岩或其它重质烃处理操作的示范性供电、 传输和配电系统 3000( 电源和传输系统的各部分示意表示 ) 包括间歇动力供应 3010， 例如来源于常规动力 源 ( 燃煤、 燃气、 燃油、 水电、 核能 ) 的基本负载动力和至少一个间歇动力源 ( 例如来源于风 电厂的风能、 来源于太阳能电厂的太阳能和 / 或地热能 ) 的任意组合。基本负载动力如完 全的话也可通过送入系统 3000 的完全分离的系统供应， 例如通过分离的分站或并联配电 系统。 间歇动力供应可脱离公用电网来供应， 例如与公用电网配合， 或直接从经传输线网络 直接连接到系统 3000 的一个或更多风电厂供应。主功率控制器 3030 包括任何数量的分配 和控制设备， 例如包括一个或更多变压器， 其可能使传输电压逐级下降到更适合系统 3000的分配组件内的单独加热器 ( 或加热器群 ) 的配电电压。主功率控制器 3030 可包括或连 接到一条或更多配电母线 3040， 其通常使进入的动力从电源分离到多个连接， 例如直接分 离到单独加热器或加热器群 3090。配电母线 3040 也可通过另外的功率控制器 3050 连接 到一个或更多加热， 功率控制器 3050 含有功率分配和功率控制硬件和软件。主功率控制 器 3030 以及可选地， 单独的加热器或加热器阵列的一个或更多功率控制器 3050 可包括一 个或更多断路器和开关， 因此在必要时， 主功率控制器 3030( 或子功率控制器 3050) 分站可 从传输电网断开， 或分离的配电线可从分站断开。系统 3000 也包括通常用任选的数据总线 3060 代表的数据组件， 其经配置和主功率控制器 3030 往来发送、 接收和 / 或传输数据， 并 向加热器的单独功率控制器 3050 发送、 接收和 / 或传输数据。主功率控制器 3030 也具有 通过通信链路 3020 从公用事业公司 ( 管理动力源 ) 接收数据和向公用事业公司发送数据， 或直接向参与的动力源例如参与的核电站、 ( 多个 ) 风电厂和 / 或 ( 多个 ) 太阳能电厂传 输数据的能力， 这些动力源是至系统 3000 的基本负载和 / 或间歇动力的任何组合的来源， 并且不必需通过分离的公用事业公司运行。主功率控制器 3030 和可选的单独功率控制器 3050 含有实施前述实施例的一个或更多方面的硬件和软件。例如， 最优解的库可存储在控 制器 3050、 3030 中的一个或更多内。一个或更多控制器 3050、 3030 也可包括允许数据处理 从而同样创造最优解的处理能力， 例如运行最优化例程， 从而基于通过提供反馈 3020、 3030 的数据组件， 并通过上面描述的 3060 感测的可用功率为加热器 3090 确定单独加热速率的 最优解。 因此， 主功率控制器 ( 和可选的任何数量的控制器 3030) 可包括在其上收录计算机 程序的有形的计算机可读存储介质， 该计算机程序经配置而在由处理器执行时基于运行利 用可变的间歇源功率、 实用价格和 / 或估计的可用生产资源中一个或更多的最优化模型计 算至少一个最优解， 用于选择性调节地下地层内处理层段的一个或更多原地电热器的加热 速率。 计算机可读存储介质包含经配置而运行最优化模型从而输出至少一个最优解的一个 或更多代码段。有形的计算机可读存储介质可包括在其上收录的计算机程序， 该计算机程 序经配置以在由处理器执行时用前述的方法计算在上文中描述的过程特征中的任何结合。
参考图 30-33， 系统 300 和方法 3000 的多个变体容许选择性控制的加热速率可 从最优解的库选择， 该最优解的库通过基于源自动力源的多个不同的、 可用的功率值运行 最优化模型预确定。最优化模型的运行可包括为每个电热器确定最优加热速率， 并确定在 10MW 到 600MW 之间范围内的多个功率输入。 最优化模型可在确定源自动力源的可用动力之 后运行。动力源可包括通过公用电网提供电力的一个或更多电源。每个电阻加热器的功率 系数可在 0.7 到 1.0 之间， 动力可以是三相 AC 电， 并且每个加热器都可以通过变压器可操 作连接到为处理层段服务的配电分站。电热器可包括一个或更多井筒加热器。电热器可包 括一个或更多导电断裂。可运行最优化模型， 从而基于输入到处理层段的第一功率输入确 定最优加热速率， 并且可获得在即将到来时期的计划间歇能量的预测， 例如计算或从外部 源接收。即将到来的时期可以是即将到来的 4 小时、 8 小时、 12 小时、 24 小时、 48 小时和 / 或 72 小时 ( 例如东南怀俄明州的 7 天可再生能预报 )， 或更多时间周期。可运行最优化模 型， 从而基于在即将到来时期的计划间歇能量的预测产生最优解的库， 例如为即将到来的 72 小时时期的脱离电网的源自多个优选风电厂的预期可用风能产生一组操作控制方案。
可 运 行最 优化模型， 从而为 每个电热器 确定 最优 加热 速率， 并确 定在 0MW 到 1000MW 之间范围内的多个功率输入。在规则的预定间隔为电热器确定可用功率可包括从公用电网接收数据， 其表示源自电网的可用功率、 可用功率的源， 和 / 或与源自电网的可用 功率的利用率中的一个或更多。 为电热器确定可用功率包括确定在特别地理区中的可用风 能。为电热器确定可用功率可包括接收关于一个或更多风电厂及其可用功率的数据。接收 的数据可包括预测风速、 实际的实时风速、 可用风能和 / 或利用率中的一个或更多， 并且可 基于源自所接收数据的风速、 实际的实时风速、 可用风能和 / 或利用率中的一个或更多， 控 制选择性受控的加热速率。为电热器确定可用功率包括确定在特别地理区中的可用太阳 能。为电热器确定可用功率包括接收关于一个或更多太阳能发电设施及其可用功率的数 据。接收的数据可包括预测的太阳能、 可用风能和 / 或利用率中的一个或更多。基于确定 的可用功率选择性控制一个或更多电热器的加热速率可包括基于确定的可用功率并基于 源自最优化模型的最优解， 切换一个或更多电热器到加热或不加热状态。选择性控制一个 或更多电热器的加热速率包括响应于确定的可用功率下降， 从加热器减负荷。选择性控制 一个或更多电热器的加热速率包括基于确定的可用功率， 选择性变更分派给该一个或更多 加热器中每个的电压。 选择性变更电压包括基于确定的可用功率为分派给单独加热器或加 热器群的多分接头变压器指定分接头。 地下地层可包括油页岩地层、 柏油砂地层、 煤地层和 / 或常规烃地层。
在另一通常方面中， 处理含有固体有机物的地下地层的方法包括 (a) 在地下地层 内用一个或更多原地加热过程加热处理层段 ； (b) 为地下地层的处理确定一个或更多可用 资源 ； 以及 (c) 基于确定的可用功率并基于最优化模型选择性控制一个或更多电热器的加 热速率或与处理层段关联的另一过程参数， 该最优化模型基于确定的可用资源输出最优过 程控制。
该方面的实施可包括下面特征中的一个或更多。例如， 为地下地层的处理确定可 用资源可包括为地下地层的处理确定可用地表水和 / 或地下水中的至少一个。估计水可用 性可基于用于提供工艺用水的分水岭的预测融雪水。 选择性控制一个或更多电热器的加热 速率或与处理层段关联的其它过程参数可基于估计的水可用性。 一个或更多加热速率可响 应于估计的水可用性高于或低于预定值而降低。一个或更多加热速率可响应于估计的水 可用性高于或低于预定值而提高。加热速率可设定为由最优化模型确定， 并基于确定的可 用资源的值。确定的可用资源可包括可用的可再生能、 可用的地下水、 可用的地表水、 可用 的生产设备， 和 / 或从处理层段生产的产品的售价中的一个或更多。选择性控制加热速率 可包括在从地下地层生产的预定产品或衍生产品的市场价相对于阈值或范围改变时控制 加热速率。 选择性控制一个或更多加热速率可基于关于生产资源可用性的实时反馈动态执 行。可基于最优化模型提供的解并响应于确定的可用资源相对于阈值改变， 在处理层段中 激活另外的加热器。一个或更多原地加热过程可包括从用在高于 265 摄氏度的持续不变温 度引入地层的传热流体、 导电断裂或依赖导热作为主要传热机制的导电电阻加热元件加热 地层构成的集合中选择的至少一个加热过程。 从地层回收一种或更多地层水溶性矿物可通 过用水流体冲洗地层以在水流体中溶解一种或更多第一水溶性矿物， 从而形成第一水溶液 来实现。第一水溶液可生产到地表， 并且水溶性矿物通过随后的过程例如脱水提取。可基 于确定用于处理地下地层的可用地表水或可用地下水中的至少一个开始冲洗地层。 为生产 第一水溶液到地表而冲洗地层可在充分加热地层并从地层生产烃之前或之后执行。 所述一 种或更多地层水溶性矿物可包括钠、 小苏打 ( 碳酸氢钠 )、 片钠铝石、 苏打灰或其结合。该方面的实施可包括下面特征中的一个或更多。例如， 该方法可包括运行最优化 模型， 从而基于第一功率输入确定最优加热速率。运行最优化模型可包括为每个电热器确 定最优加热速率， 并确定在 10MW 到 600MW 之间范围内的多个功率输入。电热器可包括电阻 加热器。每个电阻加热器的功率系数可在 0.7 到 1.0 之间。动力可以是 AC 或 DC 电。动力 可以是单相或三相 AC 电。每个加热器都可通过变压器， 例如通过多分接头变压器可操作地 连接到为处理层段服务的配电分站。电热器可以是井筒加热器。电热器可包含导电断裂。 运行最优化模型从而确定最优加热速率可基于输入到处理层段的第一功率输入。 运行最优 化模型可包括为每个电热器确定最优加热速率， 并确定在 0MW 到 1000MW， 或更优选 10MW 到 600MW， 或更优选 100MW 到 600MW， 或更优选 100MW 到 500MW 之间范围内的多个功率输入。在 规则的预定间隔为电热器确定可用功率可包括从公用电网接收数据， 其表示源自电网的可 用功率、 可用功率的来源， 和 / 或与源自电网的可用功率关联的利用率中的一个或更多。为 电热器确定可用功率包括确定特别地理区， 例如怀俄明州、 科罗拉多州或具有最优可再生 能的其它地区中的可用风能。 为电热器确定可用功率可包括接收关于一个或更多风电厂及 其可用功率的数据。接收的数据可包括预测的风速、 实际的实时风速、 可用风能和 / 或利用 率中的一个或更多。为电热器确定可用功率可包括确定在特别地理区中的可用太阳能。为 电热器确定可用功率可包括接收关于一个或更多太阳能发电设施及其可用功率的数据。
接收的数据可包括预测的太阳能、 可用风能和 / 或利用率中的一个或更多。基于 确定的可用功率选择性控制一个或更多电热器的加热速率可包括基于确定的可用功率并 基于源自最优化模型的最优解， 切换一个或更多电热器到加热或不加热状态。选择性控制 一个或更多电热器的加热速率可包括响应于确定的可用功率下降， 从加热器卸去负载或减 负荷。选择性控制一个或更多电热器的加热速率可包括基于确定的可用功率， 选择性变更 分派给一个或更多加热器中每个的电压。 选择性变更电压包括基于确定的可用功率为分派 给单独加热器或加热器群的多分接头变压器指定分接头。地下地层可以是油页岩地层、 柏 油砂地层、 煤地层、 常规烃地层或其任何组合。
上述方面中的一个或更多的实施包括下面特征中的一个或更多。例如， 为地下地 层的处理确定可用资源可包括为地下地层的处理确定可用地表水和 / 或地下水。可基于 用于发源或提供工艺用水的分水岭的预测融雪水估计水可用性， 例如通过在本申请的图 31 和 32 中示出的季节性流量估计。基于估计的水可用性选择性控制一个或更多电热器的加 热速率或和处理层段关联的其它过程参数， 例如电压或利用的加热器的数量。一个或更多 加热速率可响应于估计的水可用性高于或低于预定值而降低。 一个或更多加热速率可响应 于估计的水可用性高于或低于预定值而提高。加热速率可设定为通过最优化模型确定， 并 基于确定的可用资源的值。确定的可用资源可包括可用的可再生能、 可用的生产设备， 和/ 或从处理层段生产的产品的售价中的一个或更多。 选择性控制加热速率可包括在从地下地 层生产的预定产品或衍生产品的市场价相对于阈值或范围已经改变时控制加热速率。 选择 性控制一个或更多加热速率可基于关于生产资源可用性的实时反馈动态执行。 前述方法可 包括基于最优化模型提供的解并响应于确定的可用资源相对于阈值改变， 在处理层段中激 活另外的加热器。
在另一通常方面中， 有形的计算机可读存储介质包括在其上收录的计算机程序， 该计算机程序经配置以在通过处理器执行时计算至少一个最优解， 以便基于运行利用可变的间歇源功率、 公用事业价格和 / 或估计的可用生产资源中一个或更多的最优化模型选择 性调节地下地层内处理层段的一个或更多原地电热器的加热速率， 计算机可读存储介质包 含经配置而运行最优化模型从而输出至少一个最优解的一个或更多代码段。
参考图 1-28， 本说明书是从富有机质岩石 ( 即源岩、 油页岩 ) 生成烃的过程。 该过 程利用富有机质岩石的电加热。 通过输送导电材料到其中应用该过程的含有有机物地层中 的断裂， 创造原地电热器。在描述本说明书时， 使用术语 “水力断裂” 。然而， 本描述不限于 用于水力断裂。本描述适合用于以本领域技术人员认为适合的任何方式创造的任何断裂。 在本说明书的一个实施例中， 如连同附图描述的， 导电材料可包含支撑剂材料 ； 然而， 本说 明书不限于此。
图 1 示出所述过程的例子应用， 其中热量 10 经基本水平的水力断裂 12 输送， 水力 断裂 12 用实质砂粒尺寸的导电材料颗粒支撑 ( 没有在图 1 中示出 )。电压 14 施加到穿透 断裂 12 的两个井 16 和 18 的两端。AC 电压 14 是优选的， 因为与 DC 电压相比， 交流电更容 易被生成， 并使电化学腐蚀最小化。 然而， 电能的任何形式， 非限制地包括 DC， 适合在本说明 书中使用。支撑的断裂 12 充当加热元件 ； 经过它的电流通过电阻加热生成热量 10。热量 10 通过热传导传递到围绕断裂 12 的富有机质岩石 15。 结果， 富有机质岩石 15 被充分加热， 从而将在岩石 15 中含有的油母质转化为烃。然后使用众所周知的生产方法生产生成的烃。 图 1 用单个水平水力断裂 12 和一对垂直井 16、 18 示出本说明书的过程。本说明书的过程 不限于在图 1 中示出的实施例。可能的变化包括使用水平井和 / 或垂直断裂。商业应用可 包括在井网或行列地层中的多个断裂和若干井。 使本说明书和用于含有机物的地层的其它 处理方法区别的关键特征是原地加热元件由输送电流通过含有导电材料的断裂来创造， 以 使材料内的电阻率生成充足热量， 从而使有机物的至少一部分热解为可生产烃。
可采用通过断裂中的导电材料生成电压 / 电流的任何手段， 如本领域技术人员熟 悉的。尽管富有机质岩石类型可变， 但生成可生产烃需要的加热量和对应的所需电流量可 通过本领域技术人员熟悉的方法估计。例如， 格林河油页岩的动力学参数表明对于每年 100℃ (180 ℉ ) 的加热速率， 完全的油母质转化在大约 324℃ (615 ℉ ) 的温度发生。百分 之五十的转化在大约 291℃ (555 ℉ ) 的温度发生。 靠近断裂的油页岩在几个月内将被加热 到转化温度， 但其可能需要若干年达到生成经济储备要求的热穿透深度。
在热转化过程期间， 油页岩渗透性可能增加。这可在固体油母质转化为液体或气 体烃时， 由流动可用的增加的孔隙体积导致， 或在油母质转化为烃并在封闭系统内经历大 体积增加时， 其可由断裂地层导致。 如果初始渗透性太低以至不允许烃释放， 那么剩余的孔 隙压力最终导致断裂。
生成的烃可经输送电力到导电断裂的相同井生产， 或可使用另外的井。可使用生 产可生产烃的任何方法， 如本领域技术人员熟悉的方法。
如在此使用的， 术语 “烃” 指代具有含键合到氢的碳的分子结构的有机材料。烃也 可包括其它元素， 例如但不限于卤素、 金属元素、 氮、 氧和 / 或硫。
如在此使用的， 术语 “烃流体” 指代是气体或液体的烃或烃的混合物。例如， 烃流 体可包括在地层条件下、 在处理条件下或在环境条件下 (15℃和 1 个大气压 ) 是气体或液体 的烃或烃的混合物。 烃流体可包括例如石油、 天然气、 煤层甲烷、 页岩油、 热解油、 热解气、 煤 的热解产物以及气态或液态的其它烃。如在此使用的， 术语 “产出流体” 和 “生产流体” 指代从包括例如富有机质岩层的 地下地层去除的液体和 / 或气体。生产流体可包括但不限于热解页岩油、 合成气、 煤的热解 产物、 二氧化碳、 硫化氢和水 ( 包括蒸汽 )。产出流体可包括烃流体和非烃流体。
如在此使用的， 术语 “可冷凝烃” 意指在 25℃和一个绝对大气压下冷凝的那些烃。 可冷凝烃可包括碳数多于 4 的烃的混合物。
如在此使用的， 术语 “不可冷凝烃” 意指在 25℃和一个绝对大气压下不冷凝的那些 烃。不可冷凝烃可包括碳数少于 5 的烃。
如在此使用的， 术语 “重质烃” 指代在环境条件 (15℃和 1 个大气压 ) 下高粘度的 烃流体。重质烃可包括高粘度烃流体， 例如重油、 柏油和 / 或沥青。重质烃可包括碳和氢， 以及较小浓度的硫、 氧和氮。 另外的元素也可以以痕量存在于重质烃中。 重质烃可通过 API 重力分类。重质烃通常具有低于大约 20 度的 API 重力。例如， 重油通常具有大约 10 到 20 度的 API 重力， 而柏油通常具有低于大约 10 度的 API 重力。重质烃的粘度在 15℃通常高于 大约 100 厘泊。
如在此使用的， 术语 “固体烃” 指代在地层条件下天然发现基本是固体形式的任何 烃材料。非限制例子包括油母质、 煤、 次石墨、 沥青岩和天然矿物蜡。 如在此使用的， 术语 “地层烃” 指代在富有机质岩地层中含有的重质烃和固体烃。 地层烃可以是但不限于油母质、 油页岩、 煤、 沥青、 柏油、 天然矿物蜡和沥青岩。
如在此使用的， 术语 “柏油” 指代粘度在 15℃通常高于大约 10， 000 厘泊的粘性烃。 柏油的比重通常大于 1.000。柏油可具有小于 10 度的 API 重力。 “柏油砂” 指代具有其中 柏油的地层。
如在此使用的， 术语 “油母质” 指代固体的、 不可溶的烃， 其主要含有碳、 氢、 氮、 氧 和硫。油页岩含有油母质。
如在此使用的， 术语 “沥青” 指代在二硫化碳中基本可溶的非结晶固体或粘性烃材 料。
如在此使用的， 术语 “石油” 指代含有可冷凝烃混合物的烃流体。
如在此使用的， 术语 “地下” 指代在地表下面出现的地质层。
如在此使用的， 术语 “富烃地层” 指代含有多于痕量的烃的任何地层。例如， 富烃 地层可包括以高于体积百分比 5 的水平含有烃的部分。位于富烃地层中的烃可包括例如石 油、 天然气、 重质烃和固体烃。
如在此使用的， 术语 “富有机质岩” 指代贮藏固体烃和 / 或重质烃的任何岩基体。 岩基体可包括但不限于沉积岩、 页岩、 粉砂岩、 砂、 石英蛇纹状岩、 碳酸盐和硅藻土。富有机 质岩石可含有油母质。
如在此使用的， 术语 “地层” 指代任何有限的地下区域。地层可含有一个或更多 含烃层、 一个或更多不含烃层、 任何地下地质地层的覆盖层 (overburden) 和 / 或下伏层 (underburden)。 “覆盖层” 是在感兴趣的地层上面的地质材料， 而 “下伏层” 是在感兴趣的地 层下面的地质材料。覆盖层或下伏层可包括一种或更多不同类型的基本不可渗透的材料。 例如， 覆盖层和 / 或下伏层可包括岩石、 页岩、 泥岩或湿润 / 密实碳酸盐 ( 即， 没有烃的不可 渗透的碳酸盐 )。覆盖层和 / 或下伏层可包括相对不可渗透的含烃层。在一些情况下， 覆盖 层和 / 或下伏层可以是可渗透的。
如在此使用的， 术语 “富有机质岩层” 指代含有富有机质岩石的任何地层。富有机 质岩层包括例如油页岩地层、 煤地层和柏油砂地层。
如在此使用的， 术语 “热解” 指代通过施加热量破坏化学键。 例如， 热解可包括通过 单独的热量或通过与氧化剂结合的热量， 使化合物转为一种或更多其它物质。热解可包括 通过添加氢原子、 水、 二氧化碳或一氧化碳修改化合物的性质， 氢原子可从分子氢获得。热 量可被转移到地层的剖面从而导致热解。
如在此使用的， 术语 “水溶性矿物” 指代在水中可溶的矿物。水溶性矿物包括例如 小苏打 ( 碳酸氢钠 )、 苏打灰 ( 碳酸钠 )、 片钠铝石 (NaAl(CO3)(OH)2) 或其组合。实质的可 溶性可需要加热的水和 / 或非中性的 pH 溶液。
如在此使用的， 术语 “地层水溶性矿物” 指代在地层中天然发现的水溶性矿物。
如在此使用的， 术语 “下沉” 指代地表相对于地表的初始高度向下移动。
如在此使用的， 术语层的 “厚度” 指代在层剖面的上边界和下边界之间的距离， 其 中该距离垂直于该剖面的平均倾斜测量。
如在此使用的， 术语 “热断裂” 指代在地层中创造的断裂， 其通过地层的一部分和 / 或地层内流体的膨胀或收缩直接或间接导致， 该膨胀或收缩依次由提高 / 降低地层和 / 或 地层内流体的温度导致， 和 / 或通过加热引起提高 / 降低地层内流体的压力导致。热断裂 可传播到比受热区明显较冷的邻近区域中， 或在该邻近区域中形成。
如在此使用的， 术语 “水力断裂” 指代至少部分传播到地层的断裂， 其中该断裂通 过注入受压流体到地层产生。尽管使用术语 “水力断裂” ， 但在此的本描述不限于在水力断 裂中使用。本描述适合用于以本领域技术人员认为适合的任何方式创造的任何断裂。断裂 可通过注入支撑材料人工保持开放。水力断裂可基本水平定向、 基本垂直定向或沿任何其 它平面定向。
如在此使用的， 术语 “井筒” 指代通过钻孔或插入管道到地下， 在地下制作的孔。 井 筒可具有基本圆形的剖面或其它剖面形状 ( 例如， 环形、 椭圆形、 正方形、 矩形、 三角形、 长 条形或其它规则的或不规则的形状 )。如在此使用， 术语 “井” 在指代地层中的开口时， 可与 术语 “井筒” 交换使用。
本说明书在此关于某些特定实施例描述。然而， 下面的详细描述针对特定实施例 或特定使用， 在这个意义上， 其意图仅示例说明并且不解释为限制本说明书的范围。
如在此讨论的， 本说明书的一些实施例包括或具有涉及回收自然资源的原地方法 的应用。可从包括例如油页岩地层的富有机质岩层回收自然资源。富有机质岩层可包括地 层烃， 其包括例如油母质、 煤和重质烃。在本说明书的一些实施例中， 自然资源可包括烃流 体， 其包括例如地层烃如页岩油的热解产物。 在本说明书的一些实施例中， 自然资源也可包 括水溶性矿物， 其包括例如小苏打 ( 碳酸氢钠或 2NaHCO3)、 苏打灰 ( 碳酸钠或 Na2CO3) 和片 钠铝石 (NaAl(CO3)(OH)2))。
图 1 呈现说明性油页岩开发区 10 的透视图。开发区 10 的地表 12 被指明。在地 表下面是富有机质岩层 16。说明性的地下地层 16 含有地层烃 ( 例如油母质 )， 并可能含有 价值的水溶性矿物 ( 例如小苏打 )。理解该代表地层 16 可以是任何富有机质岩层， 包括含 有例如煤或柏油砂的岩基体。另外， 构成地层 16 的岩基体可以是可渗透的、 半渗透的或基 本不渗透的。本说明书在具有非常有限的流体渗透性， 或实际上没有流体渗透性的油页岩开发区中特别有利。
为进入地层 16 并从其回收自然资源， 形成多个井筒。在图 1 中， 井筒在 14 示出。 代表性井筒 14 相对于地表 12 基本垂直定向。然而， 理解井筒 14 中的一些或全部可偏离到 钝角甚至水平定向。在图 1 的排列中， 井筒 14 中的每个都在油页岩地层 16 中完成。完井 可以是裸孔或套管孔。井完成也可包括从其发出的支撑或未支撑的水力断裂。
在图 1 的视图中， 仅示出七个井筒 14。然而， 理解在油页岩开发项目中， 最可能钻 出众多另外的井筒 14。井筒 14 可相对紧密靠近设置， 分离 10 英尺到高达 300 英尺。在一 些实施例中， 提供 15 到 25 英尺的井间距。通常， 井筒 14 也在总深度从 200 到 5000 英尺的 浅深度完井。在一些实施例中， 作为原地干馏目标的油页岩地层在地表下大于 200 英尺的 深度， 或可替换地在地表下大于 400 英尺的深度。可替换地， 转化和生产可在 500 和 2500 英尺之间的深度发生。
井筒 14 可针对某些功能被选择， 并可被指定为注热井、 注水井、 产油井和 / 或水溶 性矿物溶液生产井。在一个方面中， 井筒 14 被设定尺寸从而以指定顺序服务于这些目的中 的两个、 三个或全部四个。合适的工具和设备可循序放入井筒 14 和从其去除， 从而服务于 各种目的。
流体处理设施 17 也被示意示出。配备流体处理设施 17 从而通过一条或更多管道 或流线 18 接收从富有机质岩层 16 产生的流体。流体处理设施 17 可包括适合接收和分离 从受热地层产生的油气和水的设备。 流体处理设施 17 可进一步包括这样的设备 ： 其用于在 从富有机质岩层 16 回收的产出水中分离出溶解的水溶性矿物和 / 或迁移的污染物种类， 包 括例如溶解的有机污染物、 金属污染物或离子污染物。污染物可包括例如芳香烃， 如苯、 甲 苯、 二甲苯和三甲苯。污染物也可包括多环芳香烃例如蒽、 萘、 屈和芘。金属污染物可包括 含有砷、 硼、 铬、 汞、 硒、 铅、 钒、 镍、 钴、 钼或锌的种类。 离子污染物种类可包括例如硫酸盐、 氯 化物、 氟化物、 锂、 钾、 铝、 氨和硝酸盐。
为回收油气和钠 ( 或其它 ) 水溶性矿物， 可采取一系列步骤。图 2 呈现表明在一 个实施例中， 从富有机质岩层 100 原地热回收油气的方法的流程图。理解源自图 2 的步骤 中一些的次序可改变， 而且步骤的顺序仅是为了说明。
首先， 在开发区 10 内鉴别油页岩 ( 或其它富有机质岩石 ) 地层 16。该步骤在框 110 中示出。 可选地， 油页岩地层可含有小苏打或其它钠矿物。 在油页岩地层内的目标开发 区可通过测量油页岩的深度、 厚度和有机质丰富度或对它们进行建模， 以及评估富有机质 岩层相对于其它岩石类型、 结构特征 ( 例如断层、 背斜 (anticline) 或向斜 (syncline)) 或 水文地质单元 ( 即含水层 ) 的位置来鉴别。这通过创造和解释深度、 厚度和有机质丰富度 以及源自可用试验和来源的其它数据的地图和 / 或模型来实现。这可包括执行地质表面勘 测、 研究露头或露出地面的岩层 (outcrops)、 执行地震勘测和 / 或钻孔， 从而从地下岩石获 得岩芯样品。可分析岩石样品从而评定油母质含量和烃流体生成能力。
可使用各种数据从露出地面的岩层或岩芯样品探知富有机质岩层的油母质含量。 这样的数据可包括有机碳含量、 氢指数以及修改的费希尔检测分析。 也可经岩石样品、 露出 地面的岩层或地下水流的研究评定地下渗透性。此外， 可评定开发区到地下水的连通性。
接下来， 遍及目标开发区 10 形成多个井筒 14。该步骤在框 115 中示意示出。井 筒 14 的目的在上面阐述并且不需要重复。然而， 注意对框 115 的井筒形成步骤来说， 只有一部分井需要初始完成。例如， 在项目开始需要注热井， 同时还不需要大多数产烃井。可在 转化开始时引入生产井， 例如在加热的 4 到 12 个月之后。
理解石油工程师为井筒 14 开发最优深度和排列的战略， 这取决于预期的储层特 性、 经济约束和工作进度约束。另外， 工程人员将确定什么井筒 14 用于初始地层 16 加热。 该选择步骤由框 120 表示。
关于注热井， 存在施加热量到富有机质地层 16 的各种方法。本方法不限于采用的 加热技术， 除非在权利要求中特定陈述。加热步骤通过框 130 一般表示。优选地， 对于原地 过程， 生产区的加热在几个月， 甚至四年或更多年的时期内发生。
地层 16 被加热到足以使油页岩的至少一部分热解的温度， 从而使油母质转化为 烃流体。大部分地层目标区可加热到 270℃到 800℃之间。可替换地， 目标体积的富有机质 地层被加热到至少 350℃， 从而制造生产流体。该转化步骤在图 2 中通过框 135 表示。得到 的液体和烃气体可精炼为类似于普通商业石油产品的产品。 这样的液体产品包括运输用燃 料例如柴油、 喷气发动机燃料和石脑油。生成的气体可包括轻质烷烃、 H2、 CO2、 CO 和 NH3。
油页岩的转化在原来不可渗透的岩石中的油页岩剖面中创造渗透性。优选地， 框 130 和 135 的加热和转化过程在长久的时期发生。 在一个方面中， 加热期从三个月到四年或 更多年。同样作为框 135 的可选部分， 地层 16 可被加热到如果小苏打存在则足以使小苏打 的至少一部分转化为苏打灰的温度。 施加从而熟化油页岩并回收油气的热量也使小苏打转 化为碳酸钠 ( 苏打灰 )， 相关的钠矿物。转化小苏打 ( 碳酸氢钠 ) 为苏打灰 ( 碳酸钠 ) 的过 程在此描述。
和加热步骤 130 有关， 岩层 16 可选被断裂从而帮助传热或后来的烃流体生产。可 选的断裂步骤在框 125 中示出。断裂可通过在地层内通过施加热量创造热断裂实现。通过 加热富有机质岩石并使油母质转为油气， 地层的各部分的渗透性经热断裂地层和随后生产 从油母质生成的烃流体的一部分提高。可替换地， 可使用称为水力断裂的过程。水力断裂 是在油气回收领域已知的过程， 其中断裂流体在井筒内被加压到高于地层的裂压， 因此在 地层内扩展断裂面， 从而减轻在井筒内生成的压力。水力断裂可用来在地层的各部分中创 造另外的渗透性， 和 / 或用来为加热提供平面源。
标题为 “Methods of Treating a Subterranean Formation to Convert Organic Matter into Producible Hydrocarbons” 的国际专利公开 WO 2005/010320 描述水力断裂 的一个使用， 其通过引用全部并入本文。 该国际专利公开教导使用导电断裂来加热油页岩。 通过形成井筒然后使井筒周围的油页岩地层水力断裂来构造加热元件。 所述断裂用形成加 热元件的导电材料填充。 煅烧的石油焦炭是示范性合适导电材料。 优选地， 在从水平井筒延 伸的垂直方向上创造断裂。电可通过导电断裂从每个井的跟部传导到趾部。电路可通过与 接近趾部的垂直断裂中的一个或更多交叉的额外水平井完成， 从而供应相反的电极性。WO 2005/010320 过程创造通过施加电热人工熟化油页岩的 “原地烤炉” 。热传导加热油页岩到 超过 300℃的转化温度， 导致人工熟化。
注意美国专利 No.3,137,347 也描述使用粒状导电材料连接地下电极， 以便油页 岩的原地加热。 ‘347 专利预想粒状材料是热量的主要源， 直到油页岩经历热解。 此时， 据说 油页岩自身变为导电的。 要求电流经过油页岩材料自身引起的在地层内生成的热量和传导 到周围地层的热量， 以生成烃流体以便生产。作为烃流体生产过程 100 的部分， 某些井 14 可被指定为油气生产井。该步骤通过 框 140 描述。油气生产可以直到确定油母质已经被充分干馏从而允许油气从地层 16 最大 回收才开始。在一些实例中， 专用生产井直到注热井 ( 框 130) 已经运转若干周或月的时期 之后才被打钻。因此， 框 140 可包括另外井筒 14 的地层。在其它实例中， 选择的加热器井 被转为生产井。
在某些井筒 14 被指定为油气生产井之后， 从井筒 14 生产石油和 / 或天然气。石 油和 / 或天然气生产过程在框 145 示出。在该阶段 ( 框 145)， 任何水溶性矿物， 例如小苏打 和转化的苏打灰可保持基本截留在岩层 16 中作为油页岩岩床内细微散布的晶体或矿瘤， 并且不被生产。然而， 一些小苏打和 / 或苏打灰可溶解在地层内的热转化 ( 框 135) 期间创 造的水中。因此， 生产流体可不仅含有烃流体， 也含有水流体， 水流体含有水溶性矿物。在 此情况下， 生产流体可在地表设施被分离为烃流和水流。可从水流回收此后水溶性矿物与 任何迁移污染物种类。
框 150 呈现油气回收方法 100 中可选的下个步骤。这里， 某些井筒 14 被指定为水 或水流体注入井。水流体是具有其它种类物质的水溶液。水可构成 “盐水” ， 并可包括元素 周期表的 I 和 II 族元素的氯化物、 硫酸盐和碳酸盐的溶解的无机盐。有机盐也可存在于水 流体中。水可以可替换地是含有其它种类物质的淡水。其它种类物质可存在从而更改 pH。 可替换地， 其它种类物质可反映希望从地表浸析的种类物质中不饱和的微咸水的可用性。 优选地， 注水井从用于注热或用于石油和 / 或天然气生产的井筒的一些或全部中选择。然 而， 框 150 的步骤的范围可包括钻仍另外的井筒 14， 以便用作专用注水井。在该方面， 可期 望沿开发区 10 的外围完成注水井， 以便创造高压的边界。
接下来， 水或水流体可选地通过注水井注入并进入油页岩地层 16。该步骤在框 155 示出。水可以是蒸汽或加压热水的形式。可替换地， 注入的水可以是冷的， 并在其接触 先前的受热地层时变热。注入过程可进一步引起断裂。该过程可在含小苏打层段中创造指 状洞穴和角砾化区域， 该层段在距注水井筒的某个距离， 例如高达 200 英尺之外。在一个方 面中， 气帽例如氮可维持在每个 “洞穴” 的顶部， 从而防止垂直生长。
连同指定某些井筒 14 作为注水井， 设计工程师也可指定某些井筒 14 作为水或水 溶性矿物溶液生产井。该步骤在框 160 中示出。这些井可与用来先前生产烃或注热的井相 同。这些回收井可用来生产溶解的水溶性矿物和其它种类物质， 包括例如迁移污染物种类 的水溶液。例如， 溶液可以是主要为溶解苏打灰的溶液。该步骤框 165 中示出。可替换地， 单井筒可被用来注水， 然后回收钠矿物溶液。因此， 框 165 包括使用相同井筒 14 用于注水 和溶液生产的选项 ( 框 165)。
迁移污染物种类的迁移的临时控制， 尤其是在热解过程期间， 可经由放置注入井 和生产井 14 以使加热区外的流体流最小化来获得。通常， 这包括在加热区周围放置注入 井， 以便导致防止加热区里面的流动离开该区域的压力梯度。
图 3 是图解的油页岩地层的剖面图和地层浸析操作， 该地层在地下水含水层内， 或连接到地下水含水层。 四个分离的油页岩地层区在油页岩地层内示出 (23、 24、 25 和 26)。 含水层在地面 27 下面， 并分类为上含水层 20 和下含水层 22。在上下含水层之间是弱透水 层 (aquitard)21。可见地层的某些区域是既是含水层或弱透水层， 也是油页岩区。示出多 个井 (28、 29、 30 和 31) 垂直向下穿过含水层。井中的一个用作注水井 31， 而另一个用作产水井 30。这样， 水循环 32 通过至少下含水层 22。
图 3 用图表示出水循环 32 通过被加热的油页岩体积 33， 其位于含水层 22 内或连 接到含水层 22， 并且烃流体先前从其回收。 经注水井 31 引入水迫使水进入先前加热的油页 岩 33， 并且水溶性矿物和迁移污染物种类被清理到产水井 30。可然后在设施 34 中处理水， 其中水溶性矿物 ( 例如， 小苏打或苏打灰 ) 和迁移污染物可基本从水流去除。水然后被重 注入油页岩体积 35， 并且地层浸析重复。使用水的该浸析意图继续， 直到迁移污染物种类 的水平在先前加热的油页岩区 33 内处于环境可接受的水平。这可需要地层浸析的 1 次循 环、 2 次循环、 5 次循环或更多循环， 其中单次循环表示近一个孔隙体积水的注入和生产。理 解在实际油页岩开发中可存在众多注水井和产水井。此外， 系统可包括监测可在油页岩加 热阶段、 油页岩生产阶段、 浸析阶段期间， 或在这些阶段的任何结合期间被利用的井 (28 和 29)， 从而监测迁移污染物种类和 / 或水溶性矿物。
在一些矿区中， 可在多于一个地下地层中存在地层烃例如油页岩。 在一些实例中， 富有机质岩层可由岩石层分隔开， 岩石层没有烃， 或另外具有极少或没有商业价值。因此， 可期望处于烃开发的矿区的操作员从事关于地下富有机质岩层中的哪个作为目标， 或其中 岩层应该被开发的次序的分析。 可基于各种因素为开发选择富有机质岩层。 一个这样的因素是地层内含烃层的厚 度。更大的生产区 (pay zone) 厚度可表示更大的烃流体潜在体积生产。含烃层中的每个 都可具有根据例如地层含烃层形成条件变化的厚度。因此， 如果富有机质岩层包括具有对 于产出流体的经济生产足够的厚度的至少一个地层含烃层， 那么通常选择富有机质岩层用 于处理。
如果一起紧密隔开的若干层的厚度对于产出流体的经济生产是足够的， 那么也可 选择富有机质岩层。例如， 地层烃的原地转化过程可包括选择和处理具有大于约 5 米、 10 米、 50 米甚至 100 米厚度的的层。 这样， 在富有机质岩层上面和下面形成的层的热损失 ( 作 为总注热的部分 ) 可少于源自地层烃薄层的这样的热损失。然而， 在此描述的过程也可包 括选择和处理这样的层 ： 其可包括基本没有地层烃的层或地层烃薄层。
也可考虑一个或更多富有机质岩层的丰富度。丰富度可取决于许多因素， 这些因 素包括含地层烃层形成的条件、 在该层中地层烃的量和 / 或在该层中地层烃的成分。薄且 丰富的地层烃层相比更厚、 较不丰富的地层烃层可以能够生产显著更有价值的烃。 当然， 从 厚且丰富的地层生产烃是期望的。
富有机质岩层的油母质含量可使用各种数据从露头或岩芯样品探知。 这样的数据 可包括有机碳含量、 氢指数以及修改的费希尔检测分析。 费希尔检测是标准方法， 其包括在 一小时中加热含地层烃层的样品到近 500℃， 收集从加热的样品生产的流体， 以及确定产出 流体的量。
地下地层渗透性也可经岩石样品、 露头或地下水流的研究评估。 此外， 可评估开发 区到地下水源的连通性。因此， 可基于地层基体的渗透性或多孔性选择富有机质岩层进行 开发， 即使地层的厚度相对薄。
在选择地层进行开发时可考虑石油工程师已知的其它因素。 这样的因素包括已勘 探区的深度、 地下淡水到含油母质区的地层学接近度、 厚度的连续性以及其它因素。例如， 评估的地层内流体生产含量也影响最终的体积产量。
在从油页岩矿区生产烃流体时， 可期望控制热解流体的迁移。 在一些实例中， 这包 括使用特别在矿区周围的注入井例如井 31。 这样的井可注入水、 蒸汽、 CO2、 受热甲烷或其它 流体， 从而朝向生产井向内驱动碎油母质流体。 在一些实施例中， 物理屏障可放置在处于开 发的富有机质岩层的区域周围。物理屏障的一个例子包括创造冷冻壁。通过使制冷剂循环 通过外围井从而极大降低岩层温度来形成冷冻壁。 这依次防止在矿区外围存在的油母质的 热解和油气向外迁移。冷冻壁也导致沿外围地层中的天然水冷冻。
在本领域中已知使用地下冷冻来稳定弱固定的土壤， 或提供流体流动的屏障。 Shell 勘探与生产公司 (Shell Exploration and Production Company) 在若干专利中已 经讨论用于油页岩生产的冷冻壁的使用， 包括美国专利 6,880,633 和美国专利 7,032,660。 Shell 的 ‘660 专利使用地下冷冻以在原地油页岩生产期间防护地下水流和地下水污染物。 公开所谓冷冻壁使用的另外专利是美国专利 3,528,252、 美国专利 3,943,722、 美国专利 3,729,965、 美国专利 4,358,222、 美国专利 4,607,488 和 WO 专利 98996480。
如上面提及的， 若干不同类型的井可用于富有机质地层， 包括例如油页岩矿区的 开发。例如， 富有机质地层的加热可通过使用加热器井实现。加热器井可包括例如电阻加 热元件。从地层生产烃流体可通过使用为流体生产完成的井实现。注入水流体可通过使用 注入井实现。最后， 水溶液生产可通过使用溶液生产井实现。
在上面列出的不同井可用于多于一个目的。即， 初始为一个目的完成的井可后来 用于另一目的， 由此降低项目成本和 / 或减少执行某些任务需要的时间。例如， 生产井中的 一个或更多也可用作注入井， 以便后来注入水进入富有机质岩层。 可替换地， 生产井中的一 个或更多也可用作溶液生产井， 以便后来从富有机质岩层生产水溶液。
在 其 它 方 面 中， 生产井 ( 以及在一些情况下加热器井 ) 可初始用作除水井 (dewatering wells)( 例如， 在加热开始之前和 / 或在加热初始开始时 )。另外， 在一些情 况下除水井可后来用作生产井 ( 以及在一些情况下用作加热器井 )。 同样， 除水井可被放置 和 / 或设计， 使得这样的井可后来用作生产井和 / 或加热器井。加热器井可经放置和 / 或 设计使得这样的井可后来用作生产井和 / 或除水井。生产井可经放置和 / 或设计使得这样 的井可后来用作除水井和 / 或加热器井。相似地， 注入井可以是初始用于其它目的 ( 例如， 加热、 生产、 除水、 监测等 ) 的井， 并且注入井可后来用于其他目的。相似地， 监测井可以是 初始用于其它目的 ( 例如， 加热、 生产、 除水、 注入等 ) 的井。最后， 监测井可后来用于其他 目的例如水生产。
期望以预规划的布局和井网为油页岩矿区排列各种井。例如， 加热器井可用各种 井网排列， 包括但不限于三角形、 正方形、 六边形和其它多边形。 该井网可包括正多边形， 从 而促进其中放置加热器井的地层的至少一部分均匀加热。该井网也可以是直线驱井网。直 线驱井网通常包括加热器井的第一线性阵列、 加热器井的第二线性阵列， 以及在加热器井 的第一与第二线性阵列之间的生产井或生产井的线性阵列。 在加热器井中散布的通常是一 个或更多生产井。注入井可同样布置在单元的重复井网内， 该单元可相似于或不同于为加 热器井使用的单元。
减少井数量的一个方法是使用单井作为加热器井和生产井。 通过使用单井用于有 序目的来减少井数量可减少项目成本。一个或更多监测井可布置在矿区中的选择点。监测 井可用测量井筒中流体的温度、 压力和 / 或性质的一个或更多装置配置。在一些实例中， 加热器井也可用作监测井， 或相反被仪表化。
减少加热器井数量的另一方法是使用布井系统。 可使用从生产井等距隔开的加热 器井的规则井网。井网可形成等边三角形阵列、 六边形阵列或其它阵列布局。可布置加热 器井的阵列以使每个加热器井之间的距离小于约 70 英尺 (21 米 )。 地层的一部分可用基本 平行于烃地层边界布置的加热器井加热。
在可替换实施例中， 可布置加热器井的阵列以使每个加热器井之间的距离小于约 100 英尺、 或 50 英尺、 或 30 英尺。无关于加热器井的排列或其之间的距离， 在某些实施例 中， 布置在富有机质岩层内的加热器井对生产井的比可大于约 5、 8、 10、 20 或更多。
在一个实施例中， 至多一层加热器井围绕单独的生产井。这可包括具有交替行的 生产井和加热器井的排列， 例如 5 点、 7 点或 9 点阵列。 在另一实施例中， 两层加热器井可围 绕生产井， 但其中加热器井交替， 因此对于离开更远加热器井的流动的大部分， 存在畅通的 路径。可采用流动和储层模拟， 从而在原地生成的烃流体从其起源点迁移到生产井时评估 其路径和温度历史。
图 4 提供图解的加热器井排列的平面图， 该排列使用多于一层的加热器井。结合 源自油页岩开发区 400 的烃生产使用加热器井排列。在图 4 中， 加热器井排列采用由第二 层加热器井 420 围绕的第一层加热器井 410。在第一层 410 中的加热器井在 431 指出， 同时 在第二层 420 中的加热器井在 432 指出。
示出生产井 440 在井层 410 和 420 的中心。注意井的第二层 420 中的加热器井 432 相对于生产井 440 偏离井的第一层 410 中的加热器井 431。目的是为转化的烃提供流 径， 其使加热器井的第一层 410 中加热器井附近的行程最小。这依次最小化从油母质转化 的烃在烃从第二层井 420 流动到生产井 440 时的二次裂化。
在图 4 的图解排列中， 第一层 410 和第二层 420 每个都定义 5 点布局。然而， 理解 可采用其它布局， 例如 3 点或 6 点布局。在任何情况下， 包含第一层加热器井 410 的多个加 热器井 431 放置在生产井 440 周围， 而包含第二层加热器井 420 的第二多个加热器井 432 放置在第一层 410 周围。
在两个层中的加热器井也可被排列， 以使通过来自第二层 420 中每个加热器井 432 的热量生成的烃的大部分能够迁移到生产井 440， 而不充分接近经过第一层 410 中的加 热器井 431。 在两个层 410、 420 中的加热器井 431、 432 可被进一步排列， 以使通过来自第二 层 420 中每个加热器井 432 的热量生成的烃的大部分能够迁移到生产井 440， 而不经过充分 提高地层温度的区域。
减少加热器井数量的另一方法是使用在特殊方向上， 特别是在确定提供最有效导 热率的方向上延长的布井系统。可通过各种因素影响热对流， 例如地层内的层面 (bedding planes) 和应力。 例如， 热对流可在垂直于地层上最小水平主应力的方向上更有效。 在一些 实例中， 热对流可在平行于最小水平主应力的方向上更有效。延长可在例如直线驱井网或 点井网中实践。
关于油页岩矿区的开发， 可期望根据步骤 130 和 135 的热行进通过地下是一致的。 然而， 由于各种原因， 在地下地层中地层烃的加热和熟化可以不均匀进展， 尽管加热器井和 生产井规则排列。 油页岩性质和地层结构中的异质性可导致某些局部地区在热解方面更有 效或较不有效。此外， 由于油页岩加热和熟化而发生的地层断裂可导致优选路径的不平均分布， 并因此增加到某些生产井的流动， 并减少到其它生产井的流动。 因为某些地下区可接 收多于必需热能的热能， 而其它区接收少于所需的热能， 所以不平均的流体熟化可以是不 期望的条件。这依次导致生产流体的不平均流动和回收。生产的石油质量、 总生产率和 / 或最终回收可降低。
为检测不平均流动条件， 生产和加热器井可用传感器仪表化。传感器可包括测量 温度、 压力、 流速和 / 或成分信息的设备。源自这些传感器的数据可经简单规则处理或输入 到详细的模拟， 从而做出关于怎样调节加热器井和生产井以改善地下动态的决策。生产井 动态可通过在井上控制背压或节流来调节。加热器井动态也可通过控制能量输入来调节。 传感器读数有时可意味着井或井下设备的机械问题， 其需要修理、 替换或放弃。
在一个实施例中， 源自两个或更多井的流速、 成分、 温度和 / 或压力数据用作输入 到计算机算法的输入， 从而控制加热速率和 / 或生产率。在井的邻近或在井的附近的未测 量条件然后被估计并用来控制井。 例如， 基于源自一组井的热、 流动和成分数据估计原地断 裂行为和油母质熟化。 在另一例子中， 基于压力数据、 井温度数据和估计的原地应力评估井 完整性。 在相关实施例中， 通过仅用仪器配备一个子组的井并使用结果插入、 计算或估计在 未仪表化井的条件， 减少传感器的数量。某些井可仅具有一受限组的传感器 ( 例如， 仅井口 温度和压力 )， 而其它井具有多得多的一组传感器 ( 例如， 井口温度和压力、 底孔温度和压 力、 生产成分、 流速、 电特征、 套管应变等 )。
如上面提及的， 存在施加热量到富有机质岩层的各种方法。 例如， 一个方法可包括 布置在井筒中或井筒外面的电阻加热器。 一个这样的方法包括在套管或未套管的井筒中使 用电阻加热元件。 电阻加热包括使电力直接经过导电材料以使电阻损耗导致其加热导电材 料。其它加热方法包括使用井下 (downhole) 燃烧室、 原地燃烧、 射频 (RF) 电能或微波能。 还有其它方法包括注入热流体进入油页岩地层从而直接加热该地层。 该热流体可以循环或 不循环。
地层加热的一个方法包括使用其中电流经过电阻材料的电阻器， 该电阻材料使电 能作为热量消耗。 该方法不同于其中高频率振荡电流在附近材料中感应电流并导致它们加 热的电介质加热。电热器可包括绝缘导体、 在开孔中布置的延长构件， 和 / 或在导管中布置 的导体。公开使用电阻加热器从而原地生产油页岩的早期专利是美国专利 No.1,666,488。 ‘488 专利在 1928 年授予 Crawshaw。1928 年以来， 已经提出井下电热器的各种设计。说明 性的设计在美国专利 No.1,701,884、 美国专利 No.3,376,403、 美国专利 No.4,626,665、 美 国专利 No.4,704,514 和美国专利 No.6,023,554 中给出。
针 对 重 油 储 层 的 电 加 热 方 法 应 用 的 回 顾 由 R.Sierra 和 S.M.Farouq Ali 的 “Promising Progress in Field Application of Reservoir Electrical heating Methods” ， Society of Petroleum Engineers Paper 69709， 2001 给出。该参考文献的全 部公开并入本文作为参考。
原地电阻加热器的某些先前设计利用固体的、 连续的加热元件 ( 例如金属线或条 带 )。然而， 这样的元件可缺少长期、 高温应用例如油页岩熟化必需的坚固性。在地层加热 和油页岩熟化时， 发生岩石的显著膨胀。 这导致在与地层交叉的井上的高应力。 这些应力可 导致井筒管和内部组件的弯曲和拉伸。就地胶结 ( 例如， 美国专利 4,886,118) 或包装 ( 例 如， 美国专利 2,732,195) 加热元件可提供对应力的一些防护， 但一些应力仍可传输到加热元件。 尽管在这些例子中应用上面的过程以从油页岩生成烃， 但该思想也可应用于重油 储层、 柏油砂或气体水合物。在这些实例中， 供应的电热用来降低烃粘度或熔化水合物。美 国专利 6,148,911 讨论使用导电支撑剂来从水合物地层释放气体。也已知使用盐水作为电 导体和加热元件在地层两端施加电压。然而， 据信使用地层盐水作为加热元件不适合页岩 转化， 因为加热元件被限制于在水的原地沸点下的温度。因此， 在水蒸发时电路失效。
加热富有机质岩层的目的是使固体地层烃的至少一部分热解， 从而创造烃流体。 可通过使富有机质岩层 ( 或在地层内的区域 ) 升高到热解温度， 使固体地层烃热解。在某 些实施例中， 地层的温度可缓慢升高超过热解温度范围。 例如， 原地转化过程可包括加热富 有机质岩层的至少一部分， 从而以每天小于选择量的速率 ( 例如， 大约 10℃、 5℃、 3℃、 1℃、 0.5℃或 0.1℃ ) 升高该区域的平均温度到高于约 270℃。在进一步的实施例中， 可加热该 部分以使选择区的平均温度可小于约 375℃， 或在一些实施例中， 小于约 400℃。可加热地 层以使在地层内的温度达到 ( 至少 ) 初始热解温度， 即， 在热解开始发生的温度范围下端的 温度。
热解温度范围可取决于地层内地层烃的类型、 加热方法学和热源的分布变化。例 如， 热解温度范围可包括在大约 270℃和大约 900℃之间的温度。可替换地， 大部分地层目 标区可加热到 300℃到 600℃之间。在可替换实施例中， 热解温度范围可包括在大约 270℃ 到大约 500℃之间的温度。
优选地， 对于原地过程， 生产区的加热在几个月， 甚至四年或更多年的时期发生。 可替换地， 地层可被加热一到十五年， 可替换地 3 到 10 年、 1.5 到 7 年或 2 到 5 年。 大部分地 层目标区可被加热到 270 到 800℃之间。优选地， 大部分地层目标区被加热到 300 到 600℃ 之间。可替换地， 大部分地层目标区被最终加热到低于 400℃ (752 ℉ ) 的温度。
在油气资源的生产中， 可期望使用生产的烃作为进行的操作的动力源。这可应用 于从油页岩开发油气资源。 在该方面， 当电阻加热器结合原地油页岩回收使用时， 需要大量 动力。
电力可从使发电机旋转的涡轮机获得。 通过利用从矿区生产的气体向燃气轮机供 以动力可能是经济上有利的。 然而， 这样的产出气体必须被仔细控制以不损坏涡轮机， 导致 涡轮机熄火或生成过多污染物 ( 例如 NOx)。
燃气轮机的问题的一个来源是在燃料内存在的污染物。 污染物包括固体、 水、 作为 液体存在的重组分和硫化氢。另外， 燃料的燃烧性能是重要的。考虑的燃烧参数包括热值、 比重、 绝热火焰温度、 可燃度极限、 自燃温度、 自燃延迟时间和火焰速度。 Wobbe 指数 (WI) 经 常被用作燃料质量的关键测量。WI 等于较低热值对气体比重平方根的比率。控制燃料的 Wobbe 指数到目标值和例如 ±10％或 ±20％的范围可允许简化的涡轮机设计和提高的性 能最优化。
燃料质量控制可对于其中生产的气体成分可随矿区寿命改变， 并且除轻质烃之外 气体通常具有显著量的 CO2、 CO 和 H2 的油页岩开发有用。期望商业规模的油页岩干馏， 以生 产随时间改变的气体成分。
在涡轮机燃料中的惰性气体可通过增加质量流， 同时维持火焰温度在期望范围内 来增加发电。此外， 惰性气体可降低火焰温度， 并因此减少 NOx 污染物生成。从油页岩熟化
生成的烃可具有显著的 CO2 含量。因此， 在生产过程的某些实施例中， 燃料气体的 CO2 含量 在地表设施中经分离或增加来调节， 从而最优化涡轮机性能。
也可期望为低 BTU 燃料实现某个含氢量， 从而实现合适的燃烧性质。在此的过程 的某些实施例中， 燃料气体的 H2 含量在地表设施中经分离或增加来调节， 从而最优化涡轮 机性能。利用低 BTU 燃料在非油页岩地表设施中调节 H2 含量在专利文献中讨论 ( 例如， 美 国专利 No.6,684,644 和美国专利 No.6,858,049， 其全部公开并入本文作为参考 )。
如提及的， 例如通过热解在富有机质岩层内加热地层烃的过程可生成流体。热生 成的流体可包括在地层内蒸发的水。另外， 加热油母质的行为生产趋向于在加热时膨胀的 热解流体。生产的热解流体可不仅包括水， 也包括例如烃、 碳的氧化物、 氨、 分子氮和分子 氢。 因此， 在地层的受热部分内的温度升高时， 在受热部分内的压力也可作为增加的流体生 成、 分子膨胀和水蒸发的结果增加。 因此， 在油页岩地层中的地下压力和热解期间生成的流 体压力之间存在一些必然的结果。这依次表明可监控地层压力， 从而检测油母质转化过程 的进展。
在富有机质岩层内受热部分内的压力取决于其它储层特性。 这些特性可包括例如 地层深度、 距加热器井的距离、 富有机质岩层内地层烃的丰富度、 加热程度， 和 / 或距生产 井的距离。 可期望油页岩矿区的开发者在开发期间监控地层压力。 在地层内的压力可在许多 不同位置确定。这样的位置可包括但可不限于井口和在井筒内的变化深度。在一些实施例 中， 可在生产井测量压力。在可替换实施例中， 可在加热器井测量压力。在另一实施例中， 可在专用监控井的井下测量压力。
加热富有机质岩层到热解温度范围的过程不仅增加地层压力， 也增加地层渗透 性。应该在实质的渗透性在富有机质岩层内生成之前达到热解温度范围。初始缺乏渗透性 可防止生成的流体从地层内热解区运输。这样， 在热量从加热器井初始传递到富有机质岩 层时， 在富有机质岩层内的流体压力可在该加热器井附近升高。这样的流体压力升高可通 过例如在地层中至少一些地层烃的热解期间生成流体导致。
可替换地， 可允许由热解流体或地层中生成的其它流体的膨胀生成的压力升高。 这假设到生产井或其它压力吸收点的开放路径在地层中不存在。在一个方面， 可允许流体 压力升高到或者高于岩层静态应力。在此实例中， 在含烃地层中的断裂可在流体压力等于 或超过岩层静态应力时形成。例如， 断裂可从加热器井形成到生产井。由于生产流体通过 生产井生产， 因此断裂在加热部分内生成可减小在该部分内的压力。
一旦热解在富有机质岩层内已经开始， 那么流体压力可取决于各种因素变化。这 些因素包括例如烃的热膨胀、 热解流体生成、 转化率， 以及从地层收回生成的流体。 例如， 在 地层内生成流体时， 在孔隙内的流体压力可升高。从地层去除生成的流体可然后降低地层 的附近井筒区内的流体压力。
在某些实施例中， 由于例如地层烃热解和从地层生产烃流体， 因此富有机质岩层 的至少一部分的质量可减少。同样， 该地层的至少一部分的渗透性和多孔性可增加。从油 页岩有效生产油气的任何原地方法都在原来非常低渗透性的岩石中创造渗透性。 创造渗透 性发生的范围通过大量膨胀来图解说明， 如果从油母质生成的流体不能流动则必须容纳该 膨胀。该概念在图 5 中图解。
图 5 提 供 比 较 模 拟 的 原 地 干 馏 过 程 之 前 50 和 之 后 51 的 一 吨 格 林 河 (Green River) 油页岩的柱状图。该模拟过程在 2400psi( 磅 / 平方英尺 ) 和 750 ℉ ( 大约 400℃ ) 在具有 22wt.( 重量 )％的总有机碳含量和 42 加仑 / 吨的费希尔检测的油页岩上执行。在 转化之前， 存在总共 16.5ft3 的岩基体 52。该基体包含 8.4ft3 的矿物 53， 即白云石、 石灰石 3 3 等， 以及嵌入在页岩内的 8.1ft 的油母质 54。作为转化的结果， 材料膨胀到 27.3ft 55。这 3 3 表示 8.4ft 的矿物 56( 与转化之前相同的数量 )、 6.6ft 的烃液体 57、 9.4ft3 的烃蒸汽 58 和 2.9ft3 的焦炭 59。可见大体积膨胀在转化过程期间发生。这又增加岩石结构的渗透性。
图 6 图解可经配置以处理产出流体的地表设施 70 的实施例的示意图。产出流体 85 通过生产井 71 从在 84 示意示出的地下地层生产。产出流体 85 可包括通过如在此描述 的任何方法生产的产出流体中的任何流体。地下地层 84 可以是任何地下地层， 包括例如含 有油页岩、 煤或柏油砂中任何一个的富有机质岩层。在图解的地表设施 70 中， 产出流体被 淬火 72 到低于 300 ℉、 200 ℉甚至 100 ℉的温度。这用于分离出可冷凝组分 ( 即， 石油 74 和水 75)。
源自原地油页岩生产的产出流体 85 含有可在地表设施 70 中分离的许多组分。产 出流体 85 通常含有水 78、 不可冷凝的烷烃种类 ( 例如， 甲烷、 乙烷、 丙烷、 丁烷、 异丁烷 )、 不 可冷凝的烯烃种类 ( 例如， 乙烯、 丙烯 )、 由 ( 除了别的以外， 烷烃、 石蜡、 芳香烃和多环芳香 烃 )、 CO2、 CO、 H2、 H2S 和 NH3 构成的可冷凝烃种类。在地表设施例如设施 70 中， 通过降温和 / 或增压， 可冷凝组分 74 可从不可冷凝的组分 76 分离。可使用通过环境空气或可用水 72 冷却的热交换器实现降温。可替换地， 热的产出流体可经与先前冷却的产出烃流体热交换 来冷却。压力可经由离心或往复压缩机增加。可替换地或联合地， 扩散器 - 膨胀器装置可 被用来从气体流冷凝出液体。分离可包括冷却和 / 或压力改变的若干阶段。
在图 6 的排列中， 地表设施 70 包括从烃蒸汽或气体 76 分离液体或石油 74 的分油 器 73。不可冷凝的蒸汽组分 76 在气体处理单元 77 中被处理， 从而去除水 78 和硫化物 79。 在气体厂 81 中， 从气体去除较重组分 ( 例如， 丙烷和丁烷 )， 从而形成液体石油气 (LPG)80。 LPG 80 可放入卡车或管线中以便销售。除可冷凝烃 74 之外， 水 78 可在降温或增压时脱离 气体 76。液体水可经重力沉降器或离心分离器从可冷凝烃 74 分离。反乳化剂可用来帮助 水分离。
地表设施也运转以在发电厂 88 中从剩余气体 83 生成电力 82。电力 82 可用作能 源， 用于通过在此描述的方法中的任何方法加热地下地层 84。 例如， 电力 82 可在例如 132kV 并在供应到位于地下地层 84 中加热器井 87 中的电阻加热器元 的高电压供应到变压器 86， 件 89 之前降低到较低电压例如 6600V。 这样， 加热地下地层 84 需要的动力的全部或部分可 从产出流体 85 的不可冷凝部分 76 生成。过剩气体， 如果可用， 那么可被输出用于销售。
在实施例中， 原地加热富有机质岩层的一部分到热解温度可提高该受热部分的渗 透性。例如， 由于施加热量导致的受热部分内形成热断裂， 因此渗透性可提高。随着受热部 分的温度升高， 水可由于蒸发而被去除。蒸发的水可从地层逃离和 / 或去除。另外， 作为在 宏观规模上从受热部分内地层烃的至少一些的热解生产烃流体的结果， 受热部分的渗透性 也可提高。 在此描述的某些系统和方法可用来处理相对低渗透性地层的至少一部分中的地 层烃 ( 例如， 在含有地层烃的 “致密” 地层中 )。这样的地层烃可被加热从而使地层选择区
中地层烃的至少一部分热解。加热也可提高选择区的至少一部分的渗透性。从热解生成的 烃流体可从地层生产， 由此进一步提高地层渗透性。
在通过传导加热选择区时， 富有机质岩层的受热部分内选择区的渗透性也可迅速 增加。例如， 不可渗透的富有机质岩层的渗透性在加热之前可小于约 0.1 毫达西。在一些 实施例中， 使富有机质岩层的至少一部分热解可增加该部分的选择区内的渗透性到大于约 10 毫达西、 100 毫达西、 1 达西、 10 达西、 20 达西或 50 达西。因此， 该部分的选择区的渗透 性可增加多于大约 10 倍、 100 倍、 1000 倍、 10000 倍或 100000 倍。在一个实施例中， 在加热 富有机质岩层之前， 富有机质岩层具有小于 1 毫达西， 可替换地小于 0.1 或 0.01 毫达西的 初始总渗透性。在一个实施例中， 在加热富有机质岩层之后， 富有机质岩层具有大于 1 毫达 西， 可替换地大于 10、 50 或 100 毫达西的加热后总渗透性。
关于从岩基体特别是浅深度的岩基体生产烃， 可存在关于地面沉降的关注。这对 于其中基体自身的一部分被热转化并去除的富有机质油页岩的原地加热特别准确。初始， 地层可含有固体形式的地层烃， 例如油母质。地层也可初始含有水溶性矿物。初始， 地层也 可对于流体流动基本不可渗透。
基体的原地加热使地层烃的至少一部分热解从而创造烃流体。 这依次在富有机质 岩层中熟化 ( 热解 ) 的富有机质岩带 (rock zone) 内创造渗透性。热解和提高的渗透性的 结合允许从地层生产烃流体。同时， 支持的基体材料的损耗也创造相对于地面的沉降的可 能。
在一些实例中， 寻求使沉降最小化以便避免环境或水文地质影响。 在该方面， 改变 地面的轮廓和地形， 即使几英寸， 可改变径流布局、 影响植物布局以及冲击分水岭。 另外， 沉 降具有损坏生产区中形成的生产或加热器井的可能。这样的沉降可在井筒套管、 水泥工业 和井下设备上创造损坏环向应力和压缩应力。
为避免或最小化沉降， 提出使地层烃的选择部分基本未热解。这用于保持一个或 更多未熟化的富有机质岩带。在一些实施例中， 未熟化的富有机质岩带可成形为延伸通过 富有机质岩层厚度的实质部分的基本垂直的矿柱 (pillars)。
地层内的加热速率和热量分布可经设计和实施以留下充足的未熟化立柱从而防 止沉降。 在一个方面， 在布网中形成注热井筒以使油页岩的未处理矿柱留在其间， 从而支持 覆盖层并防止沉降。
在一些实施例中， 通过原地转化过程生产的烃流体的成分和性质可取决于例如在 富有机质岩层内的条件变化。控制富有机质岩层中选择剖面的热量和 / 或加热速率可增加 或减少选择的产出流体的生产。
在一个实施例中， 可通过测量富有机质岩层的至少一个性质确定操作条件。测量 的性质可被输入到计算机可执行程序。 被选择从地层生产的产出流体的至少一个性质也可 被输入到计算机可执行程序。 该程序可操作用于从至少该一个或更多测量的性质确定一组 操作条件。该程序也可经配置以从选择的产出流体的至少一个性质确定该组操作条件。这 样， 确定的该组操作条件可经配置而增加选择的产出流体从地层的生产。
某些加热器井实施例可包括耦合到加热器井中的任何一个的操作系统， 例如通过 绝缘导体或其它类型连线耦合。操作系统可经配置而与加热器井接合。操作系统可从加热 器接收代表加热器井温度分布的信号 ( 例如， 电磁信号 )。另外， 操作系统可进一步经配置以本地或远程控制加热器井。例如， 操作系统可通过更改耦合到加热器井的设备的参数来 更改加热器井的温度。因此， 操作系统可监控、 更改和 / 或控制至少一部分地层的加热。
在一些实施例中， 在地层中的平均温度可能已经达到选择温度之后， 加热器井可 被降低和 / 或关闭。降低和 / 或关闭加热器井可减少输入输入能量成本， 基本抑制地层过 热， 并允许热量基本转移到地层的较冷区域。
在受热的富有机质岩层内的温度 ( 和平均温度 ) 可取决于例如和加热器井的接近 度、 地层的导热率和热扩散率、 发生的反应类型、 地层烃的类型以及水在富有机质岩层内的 存在改变。在矿区中建立监控井的点， 在井筒中可直接进行温度测量。进一步地， 在加热器 井， 邻近围绕的地层的温度被相当好地了解。 然而， 期望插入温度到温度传感器和加热器井 中间的地层中的点。
根据本说明书的生产过程的一个方面， 在富有机质岩层内的温度分布可使用数值 模拟模型计算。 数值模拟模型可通过插入已知数据点并假设地层传导率来计算地下温度分 布。另外， 数值模拟模型可用来在估计的温度分布下确定地层的其它性质。例如， 地层的各 种性质可包括但不限于地层的渗透性。
数值模拟模型也可包括在估计的温度分布下评估在富有机质岩层内形成的流体 的各种性质。例如， 形成的流体的各种性质可包括但不限于在地层中形成的流体的累积体 积、 流体粘度、 流体密度和在地层中形成的流体的成分。 这样的模拟可用来评估商业规模操 作或小规模矿区实验的成果。例如， 可基于但不限于可从研究规模操作生产的产物的总体 积评估商业规模开发的成果。
在本公开中， 提供使用电阻加热来加热地下地层的方法。电阻热量主要由从井筒 注入地层的导电材料生成。电流然后经过导电材料使得电能转化为热能。热能通过热传导 运输到地层从而加热富有机质岩石。
在当前公开的一个优选实施例中， 导电粒状材料被用作井下加热元件。粒状加热 元件能够抵抗在地层加热过程期间创造的地质机械应力。在该方面， 粒状材料根据需要可 容易改变形状而不损失导电率。 因此， 在此提供用于施加热量到地下地层的方法， 其中粒状 材料在相邻井筒内的导电构件之间提供电阻导电路径。然而， 可使用非粒状导电材料例如 适当胶化的导电液。
图 7 是烃生产区 700 的透视图。烃生产区 700 包括地下地层 715。地下地层 715 包含富有机质岩石。在一个实例中， 富有机质岩石含有油母质。
基本垂直的断裂 712 已经在地下地层 715 内产生。断裂 712 优选是水力形成的。 断裂 712 用导电材料的微粒 ( 没有在图 7 中示出 ) 支撑。限据在此的方法， 电流通过导电 材料发送从而在地层 715 内生成电阻热。
图 7 演示热量 710 从断裂 712 散发。为提供电流并生成热量 710， 电压 714 被施加 到两个邻近井 716 和 718 两端。断裂 712 与井 716、 718 交叉， 因此电流从第一井 ( 例如井 716) 行进通过断裂 712 到第二井 ( 例如井 718)。
可安排使电流经过断裂 712 的各种路线。在图 7 的排列中， AC 电压 714 是优选的。 这是因为与 DC 电压相比， AC 电压更容易生成并使电化学腐蚀最小化。然而， 电能的任何形 式， 包括但不限于 DC 电压适合用于在此的方法。
在图 7 的例子中， 在井筒 716 设立负极， 同时在井筒 718 设立正极。每个井筒 716、718 都具有到达地下地层 715 从而输送电流的导电部件。提供足以生成导致固体烃热解必 需的热量的电流量。例如， 格林河油页岩的动力学参数表明对于每年 100℃ (180 ℉ ) 的加 热速率， 完全的油母质转化在大约 324℃ (624 ℉ ) 的温度发生。百分之五十的转化在大约 291℃ (555 ℉ ) 的温度发生。断裂附近的油页岩在几个月内将被加热到转化温度， 但可能 需要若干年达到生成遍及地下体积的经济储量需要的热穿透深度。
在断裂 712 内， 粒状材料充当加热元件。在电流经过断裂 712 时， 通过电阻加热生 成热量 710。热量 710 通过热传导转移到围绕断裂 712 的地层 715。结果， 在地层 715 内的 富有机质岩石被充分加热从而使油母质转化为烃。然后使用已知生产方法来生产生成的 烃。
在图 7 的排列中， 示出地层 715 主要沿单垂直面。进一步地， 示出热量 710 从在该 垂直面内的断裂 712 内散发。然而， 理解地层 715 是三维地下体积， 而且热量 710 将传导穿 过该体积的一部分。
如上面描述， 图 7 描述使用单垂直面水力断裂 712 和一对垂直井 716、 718 的加热 过程。实际上， 许多井筒对 716、 718 与交叉断裂 712 一起完成。然而， 可提供其它井筒和完 井排列。例子包括使用水平井和 / 或水平断裂。商业应用可包括多个断裂， 并且在井网或 行列地层中放置多个井。
在热转化过程期间， 油页岩渗透性可能提高。这可由在固体油母质转化为液体或 气体烃时， 可用于流动的增加的孔隙体积导致。 可替换地， 在油母质转化为烃并在封闭系统 内经受实质体积增加时， 提高的渗透性可由形成断裂导致。 在该方面， 如果初始渗透性太低 以至不允许烃释放， 那么过剩的孔隙压力最终导致断裂发展。这些是除在井筒 716、 718 的 完成期间初始形成的水力断裂之外的断裂。
现在参考图 8A 和 8B， 图解加热地下地层的可替换排列 800A、 800B。首先， 图 8A 示 出包括地下地层 815 的烃生产区 805A。地下地层 815 包含富有机质岩石。这样的富有机质 岩石的例子是油页岩。
在图 8A 的排列中， 提供第一多个井筒 816。每个井筒 816 都具有垂直部分和偏离 的基本水平部分。再次经用导电材料微粒支撑的多个水力断裂输送热量。断裂在 812 示出 并基本垂直。每个水力断裂 812 都在井 816 水平部分的纵向 ( 或沿井 816 的水平部分伸 展 )。
也在烃生产区 800A 中提供分离的第二多个井 818。 这些井 818 也具有基本垂直部 分和基本水平部分。各个井 818 的基本水平部分与各自的断裂 812 交叉。
在图 8A 的排列中， 电压被施加到来自第一多个井 816 和第二多个井 818 的井对的 两端。在第一多个井中的井 816 包含负极， 而在第二多个井中的井 818 包含正极。当然， 也 可建立相反情况。电压 814 被施加到穿透断裂 812 的各自井 816、 818 两端。再次， AC 电压 814 是优选的。然而， 包括而不限于 DC 电压的任何形式电能适合用于本说明书中。
源自各自的多个井 816、 818 的对井构成单独电路。通过在断裂 812 内放置导电粒 状材料 “完成” 电路。这依次经电阻加热生成热量。该热量通过热传导传递到地下地层 815 内的富有机质岩石。结果， 富有机质岩石被充分加热从而使地下地层 815 中含有的油母质 转化为烃。然后通过生产井 ( 未示出 ) 来生产生成的烃。
注意在图 8A 中断裂 812 是垂直的。 相反， 第二多个井筒 818 的交叉部分是水平的。然而， 理解可颠倒该排列。这意味着断裂 812 可以是水平的， 而第二多个井筒 818 的交叉部 分是垂直的。在该后面排列中， 第二多个井筒 818 不必需偏离。作为实际问题， 断裂的定向 可取决于地下地层的深度。例如， 在 1,000 英尺或高于 1,000 英尺完成的一些格林河油页 岩地层趋向于创造水平断裂， 而低于约 1,000 英尺完成的地层趋向于创造垂直断裂。当然， 这高度取决于工作中的实际位置和地质机械力。
图 8B 示出包括地下地层 815 的烃生产区 805B。地下地层 815 包含可包括油母质 的富有机质岩石。在图 8B 的排列中提供第一多个井筒 826。每个井筒 826 都具有垂直部 分和偏离的基本水平部分。再次经用导电材料微粒支撑的多个水力断裂输送热量。断裂在 812 示出并基本垂直。每个水力断裂 812 都在井 826 水平部分的纵向 ( 或沿井 816 的水平 部分伸展 )。
也在烃生产区 800B 中提供分离的第二多个井 828。 这些井 818 也具有基本垂直部 分和基本水平部分。各自的井 828 的基本水平部分与各自的断裂 812 交叉。
在图 8B 的排列中， 电压被施加到从第一多个井 826 到第二多个井 828 中一个的两 端。在第一多个井中的井 826 可包含正极， 而第二井 818 可包含负极。当然， 也可建立相反 情况。电压 824 被施加到穿透断裂 812 的各自井 826、 828 两端。再次， 优选 AC 电压 824。 然而， 包括但不限于 DC 电压的电能任何形式适合用于该说明书中。
井 826、 828 一起工作从而构成单独电路。 通过在断裂 812 内放置导电粒状材料 “完 成” 电路。这依次经电阻加热生成热量。该热量通过热传导传递到地下地层 815 内的富有 机质岩石。结果， 富有机质岩石被充分加热从而使地下地层 815 中含有的油母质转化为烃。 然后通过生产井 ( 未示出 ) 来生产生成的烃。
注意在图 8B 中断裂 812 是垂直的。 相反， 第二多个井筒 828 的交叉部分是水平的。 在生产区 800B 中， 第二井筒 828 的水平部分和断裂 812 交叉， 断裂 812 与源自各自第一井 筒 826 的多于一个水平部分的多于一个断裂 812 关联。
在生产区 800A、 800B 中， 各种材料可用作导电粒状材料。第一， 可采用具有薄金属 涂层的砂子。第二， 可使用复合金属和陶瓷材料。第三， 可采用碳基材料。这些例子中的每 个都不仅导电， 也用作支撑剂。可使用不太期望作为支撑剂的若干另外导电材料。一个例 子是导电水泥。同样， 绿色或黑色碳化硅、 碳化硼或煅烧的石油焦炭可用作支撑剂。也注意 可利用上面材料的组合。 在该方面， 不需要导电材料是同质的， 但可包含两种或更多合适导 电材料的混合物。例如， 用作支撑剂的一种或更多导电材料可与非支撑剂的一种或更多导 电材料混合， 以便实现期望的电导率同时在指定预算内操作。
无关于成分， 导电材料优选符合若干标准。第一， 在预期的原地应力下， 粒状材料 的电阻率优选足够高从而提供电阻加热， 同时也足够低从而从一个井传导计划的电流到另 一个井。粒状材料也优选符合断裂支撑剂的通常标准， 例如充足的强度， 从而支持断裂开 放， 以及足以泵入断裂的低密度。最后， 过程的经济应用可设定可接受粒状材料的成本上 限。
在生产区 800A、 800B 的每个中， 提供生产井。图解的生产井 8400 在图 8B 中示出。 生产井 840 在地下地层 815 中完成， 从而运输烃流体到地表。
例子
为演示电流传输通过富有机质岩石中的断裂以便生成电阻热， 实施实验室试验。试验结果示出使用粒状材料的电阻加热使岩石的实验室样本中的油母质成功转为可生产 的烃。
现在参考图 9 和图 10， 从含有油母质的地下地层取得岩芯样品 900。 岩芯样品 900 是直径 1.39 英寸的三英寸长柱形油页岩。 油页岩的层理 (bedding) 垂直于岩芯 900 轴。 如 在图 9 中图解说明的， 岩芯样品 900 被切割为两个部分 932 和 934。较高面 936 落在部分 932 上， 同时较低面 938 对应部分 934。
具有大约 0.25mm(1/16 英寸 ) 深度的浅盘 935 被碾磨到样品部分 932 中， 并且包 含具有大约 0.1mm(0.02 英寸 ) 直径的 #170 铸钢丸的代理支撑剂材料 910 放置在浅盘 935 中。如图解说明的， 充足量的导电支撑剂材料 910 用于基本填充浅盘 935。
电极 937 放置在部分 932 的相反端。电极 937 从岩芯 900 的边界外面延伸到与支 撑剂材料 910 接触。
如在图 10 中示出， 样品部分 932 和 934 接触放置， 似乎重构岩芯样品 900。然后放 置岩芯 900 在不锈钢套管 940 中， 其中部分 932 和 934 用三个不锈钢软管夹 942 保持在一 起。软管夹 942 被拉紧从而施加应力到代理支撑剂 ( 见于图 9)， 正如需要支撑剂 910 来原 地支持实际应用中的应力。在施加任何电流之前， 在电极 937 之间的电阻被测量为 822Ω。 在样品 900 的二分之一中钻小孔 ( 未示出 )， 以便容纳热电偶。 热电偶用来在加热 期间测量岩芯样品 900 中的温度。热电偶粗略安置在浅盘 935 和岩芯样品 900 的外直径之 间的中间位置。
被夹住的岩芯样品 900 放置在具有玻璃内衬的压力容器 ( 图中没有示出 ) 中。玻 璃内衬的目的是收集从加热过程生成的烃。压力容器配备馈电器。压力容器被抽空并用 500psi 的氩充满， 从而为实验提供化学惰性气氛。在 18 到 19 安范围中的电流施加在电极 937 之间 5 小时。 在大约一小时之后， 岩芯样品 900 中的热电偶测量 268℃的温度， 并且此后 逐渐降低到大约 250℃。推断在浅盘 935 的位置达到的高温为从大约 350℃到大约 400℃。
在实验完成之后， 冷却岩芯样品 900 到环境温度， 打开压力容器。从其中进行该实 验的玻璃内衬的底部回收 0.15ml 的石油。从压力容器移开岩芯样品 900， 并且再次测量在 电极 937 之间的电阻。该实验后电阻测量为 49Ω。
在加热时期， 记录嵌入样品 900 中的热电偶处的功耗、 电阻和温度。图 11 提供图 示， 其示出作为时间的函数记录的功耗 1112、 温度 1122 和电阻 1132。
首先， 图 11 包括图表 1110。图表 1110 具有以瓦特为单位表示实验期间消耗的电 功率的纵坐标 1112。图表 1110 也具有以分钟示出实验经过时间的横坐标 1114。在横坐标 施加到岩芯样品 1114 上的总时间为 5 小时 (300 分钟 )。从图表 1110 可见， 在一小时之后， 900 的功率范围在 50 和 60W 之间。
接下来， 图 11 包括图表 1120。 图表 1120 具有以摄氏度表示在整个实验中， 在岩芯 样品 900( 图 9 和 10) 中热电偶处测量的温度的纵坐标 1122。图表 1120 也具有以分钟示出 实验期间经过时间的横坐标 1124。再次， 总时间为 5 小时。注意在实验期间温度 1122 达到 268℃的最大值。根据该值， 可推断沿浅盘 935 的温度应该达到 350-400℃的值。该值足以 导致热解。
最终， 图 11 包括图表 1130。图表 1130 具有以 Ω 表示的在实验期间电极 937( 图 9 和 10) 之间测量的电阻的纵坐标 1132。图表 1130 也具有再次以分钟示出实验期间经过
时间的横坐标 1134。仅在加热实验期间做出的电阻测量包括在图表 1130 中。关心的是， 在 样品 900 初始加热之后， 电阻 1132 相对恒定保持在 0.15 和 0.2Ω 之间。在实验期间， 绝没 有观察到电力连续性损失。实验前和实验后电阻测量 (822 和 49Ω) 被省略。
在岩芯样品 900 冷却到环境温度之后， 从压力容器去除并分解岩芯样品 900。 观察 到导电支撑材料 910 被灌入具有在实验期间从油页岩生成的类似柏油的烃或沥青的若干 位置。获取由于实验期间热膨胀在岩芯样品 900 中发展的裂纹的剖面。观察到邻近代理支 撑剂 910 的已转化油页岩的月牙形剖面。
现在回到图 7、 8A 和 8B， 到断裂加热元件的连接可用各种方式实施。 在这些排列的 每个中， 在沿邻近井筒的导电金属器件到断裂内的中间导电粒状材料之间提供连接点。沿 垂直井筒 ( 图 7)、 在水平井筒部分的跟部 ( 图 8A)、 在水平井筒部分的趾部 ( 图 8B) 进行这 样的点连接。
出现对这些电阻加热器井完井排列 700、 800A、 800B 中每个的关注。该关注涉及井 筒与导电粒状材料交叉的区域中非常高电流密度的可能性。该关注关系到图 7、 8A 和 8B 的 完井排列中的任何一个。
电流是描述沿流动路径的电子流的平均量。电力或电荷量的国际单位 (SI unit) 是库仑。库仑被定义为在一秒内经过承载一安培的电导体剖面的电荷的量。符号 Q 经常用 来表明电力或电荷的量。
电流可具有表示剖面的每单位面积电流的电流密度。在国际单位中， 这可表示为 2 安 /m 。电流密度矢量可表示为 i 并数学描述为 ：
i ＝ nqvd ＝ Dvd
其中 i ＝电流密度矢量 ( 安 /m2)
n ＝每体积计数的微粒密度 (m-3) ；
q ＝单独微粒的电荷 ( 库 ) ；
D ＝电荷密度 ( 库 /m3) 或 nq ； 以及
vd ＝微粒的平均漂移速度 (m/ 秒 )。
在井下电触点存在过大电流密度可导致在地下地层 715 或 815 内的不一致热分 布。 在该方面， 显著加热可主要在井筒与粒状材料的交叉附近发生， 在地下地层的剩余物内 留下不充分的电阻加热。
为解决该问题， 在此提出在井下接触点或在该接触点附近放置第二类粒状材料。 该第二类粒状材料具有不同于在大部分断裂中的导电粒状材料的电导率。 这样的排列可用 两种方式中的任意一种工作。如果第二材料具有更高电导率， 那么其可通过降低具有高电 流密度的接触点两端的压降来工作。在此实例中高电流密度仍存在， 但其不导致过多本地 热量生成。可替换地， 如果第二材料具有低得多 ( 甚至为零 ) 的电导率， 那么其可通过改变 优势电流路径来工作， 从而消除高电流密度的区域。
优选采用其中第二导电材料具有的电导率显著高于大部分断裂中导电材料的电 导率的第一选项。优选地， 第二导电材料的电导率是粒状材料的电导率大约 10 到 100 倍。 在一个方面中， 大部分断裂用煅烧焦炭填充， 同时直接在连接点的导电材料包含粉末金属、 石墨、 炭黑或其结合。粉末金属的例子包括粉末铜和钢。
例如， 在第一选项的示范实施例中， 例如其中第二导电材料具有的电导率显著高于在大部分断裂中导电材料的电导率， 本发明人确定具有按重量高达 50％水泥和石墨的粒 状混合物产生合适电阻率。 本发明人确定在该成分范围内的混合物的电导率是粒状支撑剂 材料的 10-100 倍。本发明人也确定水泥含量按重量高于 50％的成分提高混合物电阻率到 高于优选的电阻率范围。可被添加从而控制粒状混合物粘度的水通常被添加到粒状混合 物， 从而帮助导电材料合适分布到支撑剂填充的断裂。注入的粒状材料的压紧厚度也可通 过添加水到粒状混合物或从其去除水来获得， 例如更多的水在注入后将产生更薄更宽的散 布堆。 因此， 本发明人确定前述成分范围内的粒状混合物足够导电， 从而在用作上面描述的 第二导电材料的情况下不生成热点。
例如， 已经确定为适合用于井下电触点附近的上述第二导电材料的示范成分包括 10g 石墨 (75％干重量 .)、 3.3g Portland 水泥 (25％重量 ) 和 18g 水。为确定第一导电材 料 ( 代表在断裂内并在任何电连接之间的材料 ) 和第二导电材料之间体电阻率的差， 前述 10g 石墨、 3.3g Portland 水泥和 18g 水的混合物被注入在受到各种负载和应力固化 64 小 时的两块大理石板之间。实现的第二导电材料的整个充填厚度是近 0.01” 到近 0.028” 。第 二导电材料的电阻率为近 0.1638Ωcm， 其导电率是周围支撑剂的近 10-100 倍。 在各种负载 下第二导电材料的两种代表样品的电阻率在表 1 中示出。样品 A 包括 25％干重的水泥和 75％干重的石墨， 并且样品 B 包括 50％干重的水泥和 50％干重的石墨。对于所有受到的负 载， 样品 A 的电阻率一直低于第二样品的电阻率。尽管在两个样品中实现合适电阻率， 但优 选实施例包括含有重量 ( 干 ) 少于或等于 50％的水泥， 并且重量 ( 干 ) 等于或大于 50％的 石墨的混合物， 并且更优选是含有重量 ( 干 )25-50％的水泥， 并且重量 ( 干 )50-75％的石 墨的混合物， 或另一导电材料例如粒状金属、 金属涂覆的微粒、 焦炭、 石墨和 / 或其结合。
表1
为理解使用在连接点战略上放置粒状材料的效用， 考虑描述电流流动通过主体的 数学概念是有帮助的。图 12 演示流过地理地层中断裂面 1200 的电流。箭头表明在 x 和 y 方向上偏微分方程的电流增量。箭头 ix 表示在 x 方向上流动的电流， 箭头 iy 表示在 y 方向 上流动的电流。参考号 “t” 表示断裂 1200 在点 (x， y) 的厚度。
在断裂面 1200 中， 电流在 x 方向上从第一点位置 x 移动到第二位置 x+dx。电流值 从 ix+dix 改变。相似地， 电流在 y 方向上从第一点位置 y 移动到第二点位置 y+dy。电流值 从 iy 改变 diy。如果电流在位置 (x， y) 进入或离开断裂， 那么该源项可写作 Q(x， y)， 并具 2 有单位 A/m 。这表示在断裂中的点的电流来源。
在电流移动时电荷守恒。电荷守恒是电荷不被创造也不被消灭的原理 ； 电荷的量 总是守恒。根据电荷守恒理论， 绝缘系统的总电荷无关于系统自身内的改变保持守恒。电
荷守恒可使用偏微分方程数学表示 ：
其中 ix ＝在储层内 x 方向上的电流 iy ＝在储层内 y 方向上的电流 t ＝储层剖面厚度 Q(x， y) ＝在断裂中的点的电流源 根据欧姆定律 ：其中 ： ρ ＝储层中材料的电阻率
V ＝材料电压
如提及的， 高热量生成可在金属导体和导电粒状材料之间的点连接处发生。已经 开发用于估计具有电阻热的断裂的热量生成分布的数学过程。 这依次允许用于减少在井下 连接点的热量生成的可替换方法的建模。
在该数学过程中的第一步是提供导电率和厚度乘积的映射。这可表达为 ：
如在下面用图演示的， 该第一映射步骤遍及断裂平面实施。
该过程中接下来的步骤是提供输入和输出电流的映射。这些电流可表示为 ：
Q(x， y)
如在下面用图形演示的， 该第二映射步骤遍及断裂平面实施。
两个映射步骤提供输入地图。在创造地图之后， 可基于在断裂中的电压分布求解 支配电压的方程。支配电压的方程可表达为 ：
一旦计算电压分布， 那么可计算地层中的加热分布。 这根据热量生成方程完成， 如下：
使用在上面描述的数学过程， 在此提供三个不同例子或 “计算方案” ， 从而考虑电 源连接周围的高电流密度问题。计算方案涉及近 90 英尺 ×60 英尺、 用作为粒状电导剂的 煅烧焦炭填充的断裂。该断裂在其中心厚 0.035 英寸， 其厚度向其外围减少。到断裂内粒 状材料的连接可用钢板完成。进入和离开断裂的电流通过这些板引入。
结合三个计算方案提供各种图。在一些实例中图包括提供三个计算中使用的材 料电阻率的图注。在图注中， ρcoke 指代用于全部三个方案的大部分支撑剂材料的电阻率 ； 以及 ρsteel 指代钢板 ρconnector 指代在第二方案中的连接周围使用的更导电材料的电阻率 ； 的电阻率。当然， 由于这些板可从钢之外的导电材料制造， 因此这仅是说明性的。
模拟 1
如提及的， 对于在地层中导致热点的高电流密度问题的解决方案通过直接临近导 体和导电粒状材料之间的连接放置第一类粒状材料实施。为演示该方法的功效， 实施其中 没有中间材料的第一模拟， 意味着导电粒状材料同质。在钢板和同质导电材料之间提供直 接接触。
第一模拟的结果在图 13 到 17 中展示。首先， 图 13 提供厚度 - 电导率地图 1300， 其示出模拟断裂的平面图。断裂在 1310 示出。断裂 1310 用导电支撑剂填充。在该模拟中， 焦炭用作导电支撑剂。焦炭具有 ( 在 ρcoke 表示 )0.001Ω-m(ohm-m) 的电阻率。
在断裂 1310 内的 1320 示出两块钢板。这些表示左板 1320L 和右板 1320R。这些 板 1320 被模塑为四英尺长的板， 其三英寸宽， 1/2 英寸厚。焦炭围绕并直接接触钢板 1320 中的每块。钢板 1320 用来在断裂 1310 中输送电流并输送通过焦炭。板 1320 的电阻率 ( 在 ρsteel 表示 ) 为 0.0000005Ω-m。
地图 1300 进行灰度化， 从而遍及地图 1300 示出粒状支撑剂的电导率乘其厚度的 值。这意味着遍及断裂 1320 的平面图绘制断裂 1310 的电导率和厚度的乘积 (t/ρ)。该值 以安培 / 伏特 ( 安 / 伏 ) 测量。标度在 0-2,000 安培 / 伏特开始， 并达到 30,000-32,000 安 培 / 伏特。在该标度， 在断裂 1310 中的支撑剂完全落入 0-2,000 安培 / 伏特范围内。即， 厚度 - 电导率乘积一直在 0 和 2,000 安培 / 伏特之间。
板 1320 是高导电的。因此， 板 1320 的厚度 - 电导率示出在 30,000-32,000 安培 / 伏特的范围内。
图 14 是图 13 的厚度 - 电导率地图 1300 的另一视图。 地图 1300 以电导率乘厚度的 更精细增量灰度化， 从而区别断裂 1310 内支撑剂电导率 - 厚度的变化。 标度在 0.000-0.075 安培 / 伏特开始， 并达到 1.125-1.200 安培 / 伏特。在该标度， 在断裂 1310 内的厚度 - 电 导率乘积的变化变得明显。在另一外环， 厚度 - 电导率乘积在标度 0.000-0.075 安培 / 伏 特的最小范围内。在向内朝向断裂 1310 的中心移动时， 看见增加的厚度 - 电导率乘积的同 心带。在中心， 厚度 - 电导率值为大约 0.825 到 0.900 安培 / 伏特。
注意在断裂 1310 内焦炭的电导率是常数。因此， 演示的变化归因于断裂厚度变 化。断裂 1310 在外边缘薄， 并向其中心变得增厚。这趋向于模拟实际的断裂几何结构。
两块钢板 1320 也见于图 14 中。如结合图 13 提及的， 板 1320 的厚度 - 电导率乘 积落入 30,000-32,000 安培 / 伏特范围。因此， 板 1320 离开图 13 中的图表， 并简单显示为 白色。
接下来， 图 15 提供电流源地图 1300。 在此实例中， 地图 1300 示出电流移动进入和 离开断裂 1310。更特定地， 图 15 示出第一模拟的输入和输出电流。如表的示， 进入和离开 断裂 1310 的总电流为一安培 (amp)。在一个方面， 电流到达在左边的板 1320L， 并通过在右 边的板 1320R 离开。
图 15 包 括 单 位 为 A/ft2( 安 / 英 尺 2) 的 电 流 标 度。 该 标 度 从 -1.20--1.05 到 1.05-1.20。在中间， 标度移动通过 -0.15-0.00 和 0.00-0.15。可见除在两块钢板 1320 处 之外， 进入和离开断裂 1310 的电流为 0.0A/ft2。
图 16 展示源自 1 安培总电流的断裂 1310 中计算的电压分布。提供具有箭头的线 条从而表示遵循局部电压梯度的电流流动。如表示的， 在两块钢板 1320 之间断裂 1310 的 总电阻为 2.71Ω。在图 16 中提供以伏特 V 测量的标度。该标度从 -1.6--1.4 移动到 1.4-1.6。在中 间， 标度移动通过 -0.2-0.0 和 0.00-0.2V。 可见强负电压值在右板 1320R 直接存在， 并且强 正电压值在左板 1320L 直接存在。也可见在钢板 1320 处存在更高浓度的电流。
最终， 图 17 展示来自第一模拟的在断裂 1310 中的结果加热分布。地图 1300 的单 2 位是 W/ft 。提供表示从 0 到 16W/ft2 的值的灰度。如可见的， 在地图 1300 中的热量分布 示出 1000W 的总热量输入。1000W 的 60W( 热量的 6％ ) 在板 1320L、 1320R 末端的一英尺内 生成。
在模拟断裂 1310 内的热量生成远离钢板 1320 迅速下降。这表示许多能量在板 1320 处损耗而不生成充足的热而使否则存在于地层中的固体地层烃热解。 百分之六的热量 在断裂区 1310 的仅 0.14％中生成。结果， 表明过多加热紧邻近钢板 1320 发生。因此， 期望 使热量离开板 1320 分散的修改。
模拟 2
实施其中 “中间材料” 被放置在钢板和围绕的煅烧焦炭之间的第二模拟。 中间材料 是在导电连接周围放置的高导电材料。 “中间材料” 经模拟而具有是煅烧焦炭的电导率 100 倍的电导率， 或 0.00001 欧—米的电阻率。如示出的， 这消除遍及连接点周围高电流密度区 的高压降， 有效消除连接点周围的过多加热。 第二模拟的结果在图 18 到 23 中展示。首先， 图 18 提供厚度 - 电导率地图 1800， 其示出模拟断裂的平面图。断裂在 1810 示出。断裂 1810 再次用导电支撑剂填充。在该模 拟中， 焦炭被用作主导电支撑剂。焦炭再次具有 0.001Ω-m(ohm-m) 的电阻率 ( 在 ρcoke 表 示 )。
在断裂 1810 内的 1820 示出两块钢板。这些表示左板 1820L 和右板 1820R。焦炭 围绕钢板 1820 中的每块。这些钢板 1820 用来在断裂 1810 中输送电流并输送通过焦炭。
在该第二模拟中， 焦炭不直接接触钢板 1820 ； 相反， 连接的粒状材料在板 1820 周 围被使用。连接器材料的电阻率 ( 在 ρconnector 表示 ) 为 0.00001Ω-m。
地图 1800 被灰度化， 从而在遍及地图 1800 的各种位置示出导电粒状支撑剂 1820 的电导率乘其厚度的值。这意味着断裂 1810 的电导率和厚度的乘积 (t/ρ) 遍及断裂 1820 的平面图被绘图。该值以安培 / 伏特测量。标度在 0-2,000 安培 / 伏特开始， 并达到 30,000-32,000 安培 / 伏特。在该标度， 在断裂 1810 中的支撑剂完全落入 0-2,000 安培 / 伏特范围内。即， 厚度 - 电导率乘积一直在 0 和 2,000 安培 / 伏特之间。
图 18 的地图 1800 已经进行标度化， 从而区别在断裂 1810 中的导电粒状支撑剂和 构成电连接的两块钢板 1820。图 18 中的图注给出用于第二模拟中的材料的电阻率。ρcoke 指代大部分支撑剂材料的电阻率 ； ρconnector 指代在板 1820L、 1820R 周围直接使用的高导电 材料的电阻率 ； 以及 ρsteel 指代钢板 1820 的电阻率。
板 1820 被再次模塑为四英尺长、 三英寸宽、 1/2 英寸厚的板。 板 1820 高导电， 其中 板 1820 的厚度 - 电导率示出在 30,000-32,000 安培 / 伏特的范围。板 1820 显示为黑色。
图 19 是图 18 的厚度 - 电导率地图 1800 的另一视图。地图 1800 以电导率乘厚度 的更精细增量灰度化， 从而区别断裂 1810 内支撑剂电导率 - 厚度的变化。 标度在 0.00-2.50 安培 / 伏特开始， 并达到 37.50-40.00 安培 / 伏特。在该标度， 在主焦炭支撑剂和连接器支 撑剂之间的厚度 - 电导率乘积的变化变得明显。遍及断裂 1800 的大部分的电导率 - 厚度
乘积在标度 0.00-2.50 安培 / 伏特的最小范围内。然而， 在板 1820L、 1820R 周围可看到具 有更高电导率 - 厚度乘积的支撑剂的同心环。紧邻板 1820L、 1820R， 电导率 - 厚度乘积高 达 17.5 到 20.0 安培 / 伏特。在降到焦炭内 0.00 到 2.50 安培 / 伏特的最小范围之前， 这 些环离开板 1820L、 1820R 分散为 7.5 到 10.0 安培 / 伏特。
图 20 是图 18 的厚度 - 电导率地图 1800 的另一视图。 地图 1800 以电导率乘厚度的 更精细增量灰度化， 从而区别主支撑剂内支撑剂电导率 - 厚度的变化。 标度在 0.000-0.075 安培 / 伏特开始， 并达到 1.125-1.200 安培 / 伏特。遍及断裂 1810 的厚度 - 电导率乘积在 断裂 1810 的边缘为近似 0.000 到 0.075， 并在断裂 1810 的中心提高到大约 0.675 到 0.750。 然而， 具有更高电导率 - 厚度乘积的支撑剂的同心环再次可见。这些环显示白色， 并由于其 电导率超过 1.125 到 1.200 的最高范围， 因此这些环偏离标度。
在图 20 中不可从中间支撑剂区别板 1820， 因为它们也 “偏离图表” ， 意味着电导 率 - 厚度乘积高。
注意在断裂 1810 内焦炭的电导率是常数。因此， 见于图 20 中的电导率 - 厚度乘 积的演示变化归因于断裂厚度变化。断裂 1810 在外边缘薄， 并向其中心变得增厚。这趋向 于模拟实际的断裂几何结构。
接下来， 图 15 提供电流源地图 1800。 在此实例中， 地图 1800 示出电流移动进入和 离开断裂 1810。更特定地， 图 18 示出第二模拟的输入和输出电流。如表示的， 进入和离开 断裂 1810 的总电流为一安培。 在一个方面中， 电流进入在左边的板 1820L， 并通过在右边的 板 1820R 离开。除在钢板 1820R、 1820L 处之外， 进入和离开断裂 1810 的电流为零。 2
图 21 包括单位为 A/ft 的电流标度。该标度从 -1.20--1.05 达到 1.05-1.20。在 中间， 标度移动通过 -0.15-0.00 和 0.00-0.15。可见除在两块钢板 1820 处之外， 进入和离 2 开断裂 1810 的电流为 0.0A/ft 。
图 22 演示源自一安培总电流的断裂 1810 中计算的电压分布。提供具有箭头的线 条从而表示遵循局部电压梯度的电流流动。如表示的， 在两块板 1820 之间断裂 1810 的总 电阻为 1.09Ω， 表示围绕板 1820 的更高电导率材料相对于图 6 的地图 1300 降低了断裂中 的总电阻。
在图 22 中提供以伏特 V 测量的标度。该标度从 -0.64--0.56 移动到 0.56-0.64。 在中间， 标度移动通过 -0.08-0.0 和 0.0-0.08V。这些范围小于图 16 的对应地图 1300 中的 范围。这是因为断裂面 1810 中的总电阻更低。
从图 22 可见， 负电压值在右板 1820R 直接存在， 并且正电压值在左板 1820L 直接 存在。关心的是， 电流仍集中在板 1820 附近， 意味着在钢板 1820 处具有更高浓度的电流。 然而， 可看到电流路径在其进入和离开板 1820 周围的更高电导率区时弯曲。
最终， 图 23 演示来自模拟的在断裂 1810 中的结果加热分布。地图 1800 的单位是 2 W/ft 。提供表示从 0.0-0.2 到 3.0-3.2W/ft2 值的灰度。如可见的， 在地图 1800 中的热量 分布示出 1000W 的总热量输入。1000W 的仅 3.3W( 热量的 0.33％ ) 在连接板 1820L、 1820R 末端的一英尺内生成。这大大减少在图 17 中演示的第一模拟上的局部热量生成， 证明断裂 1810 的更均匀加热。
再次注意在板 1820L、 1820R 的各自末端指示适度的热量。然而， 这些热区不反映 整个断裂 1810 内的广泛加热， 并且不提供关注的原因。模拟 3
接下来， 实施其中不导电材料用作连接粒状材料的第三模拟。不导电材料特定放 置在模拟钢板的末端。不导电材料操作用以使地层中的电流重定向， 从而减轻钢连接周围 的过多加热。这是消除板周围高电流密度区中的高加热， 有效减少第一模拟中经历的过多 加热， 因此断裂接收更均匀热量分布的另一替换方法。
第三模拟的结果在图 24 到 28 中展示。首先， 图 24 提供电导率地图 2400， 其示出 模拟断裂的平面图。断裂在 2410 示出。断裂 2410 再次用导电支撑剂填充。在该模拟中， 焦炭被用作主导电支撑剂。焦炭的电阻率 ( 在 ρcoke 表示 ) 为 0.001Ω-m。
在断裂 2410 内的 2420 处示出两块钢板。这些表示左板 2420L 和右板 2420R。焦 炭围绕钢板 2420 中的每块。这些钢板 2420 用来在断裂 2410 中输送电流并输送通过焦炭。
在该第三模拟中， 焦炭不直接接触全部钢板 2420 ； 相反， 在板 2420 周围使用中间 粒状材料， 其中焦炭仅在板 2420 各自的末端与其接触。在此实例中， 粒状材料基本不导电。 因此， 焦炭的电阻率为 0.001Ω-m， 而粒状连接器材料的电阻率 ( 在 ρconnector 表示 ) 基本无 限。
地图 2400 进行灰度化， 从而在遍及地图 2400 的各种位置示出导电粒状支撑剂的 电导率乘其厚度的值。这意味着断裂 2410 的电导率和厚度的乘积 (t/ρ) 遍及断裂 2420 的平面图被绘制。该值以安培 / 伏特测量。
图 24 的地图 2400 已经被定标度， 从而区别在断裂 2410 中的焦炭和构成电连接的 两块钢板 2420。图 24 中的图注给出用于第三模拟中的材料的电阻率。ρcoke 指代大部分 支撑剂材料的电阻率 ； ρconnector 指代在第三模拟中在连接器 2420L、 2420R 周围使用的不导 电粒状材料的电阻率 ； 以及 ρsteel 指代钢板 2420 的电阻率。标度在 0-2,000 安培 / 伏特 开始， 并达到 30,000-32,000 安培 / 伏特。在该标度， 在断裂 2410 中的支撑剂的电阻率值 (ρcoke) 完全落入 0-2,000 安培 / 伏特范围内。即， 厚度 - 电导率乘积一直在 0 和 2,000 安 培 / 伏特之间。
在第三模拟中， 板 2420 被模塑为 27 英尺长、 三英寸宽以及 1/2 英寸厚的板件。相 比用于第二模拟的四英尺板 1820， 第三模拟的板 2420 非常长。 这是因为用于第三模拟的连 接粒状材料基本不导电。更长的板 2420 提供电流可进入断裂 2410 中通过的额外表面积。 板 1820 高导电， 其中板 1820 的厚度 - 电导率示出在 30,000-32,000 安培 / 伏特的范围内。 进入和离开断裂 2410 的电流通过板 2420 引入。
图 25 是图 24 的电导率地图 2400 的另一视图。地图 2400 以电导率乘厚度的更精 细增量灰度化， 从而区别断裂 2410 内支撑剂电导率 - 厚度的变化。标度在 0.000-0.075 安 培 / 伏特开始， 并达到 1.125-1.200 安培 / 伏特。遍及断裂 2410 的厚度 - 电导率乘积在断 裂 2410 边缘为近似 0.000 到 0.075， 并在断裂 2410 的中心提高到大约 0.675 到 0.750。然 而， 基本不导电的支撑剂的同心环在板 2420L、 2420R 的末端出现。由于这些环的电导率为 零， 因此其显示几乎白色。
图 25 的地图 2400 已经被定标度， 从而区别焦炭填充的大部分断裂 2410 中的电导 率 - 厚度的变化。焦炭支撑剂在 2425 表示。断裂 2410 内焦炭支撑剂 2425 的电导率是常 数。因此， 展示的电导率 - 厚度乘积的变化归因于断裂厚度变化。断裂 2410 在外边缘薄， 并向其中心变得增厚。这趋向于模拟实际的断裂几何结构。图 25 也示出不导电材料 (t/ρ ＝ 0) 已经在钢板 2420L、 2420R 的末端周围安放。 不导电粒状材料在 2427 表示。不导电粒状材料 2427 使从板 2420L、 2420R 到大部分支撑剂 2425 的电流流动中断。
板 2420 也在图 25 中可见。极高电导率板在图 25 中显示为白线， 表示偏离标度的 值。
接下来， 图 26 提供电流源地图 2400。 在此实例中， 地图 2400 示出电流移动进入和 离开断裂 2410。更特定地， 图 26 示出第三模拟的输入和输出电流。如表示的， 进入和离开 断裂 2410 的总电流为一安培。在一个方面中， 电流到达在左边的连接器 2420L， 并通过在 右边的连接器 2420R 离开。除在钢板 2420R、 2420L 处之外， 进入和离开断裂 2410 的电流为 零。
注意 27 英尺长的各自的连接器 2420L 和 2420R 在图 26 的视图中简化出现。这是 因为电流仅接近板件 2420 的末端供应。注意在图 26 中板件 2422L 和 2422L 的暴露部分在 相比图 25 中缩短。这表示其中施加电流。
图 26 包括单位为 A/ft2 的电流标度。该标度从 -1.20--1.05 达到 1.05-1.20。在 中间， 标度移动通过 -0.15-0.00 和 0.00-0.15。可见除在与导电支撑剂接触的两块钢板 2420 的一部分之外， 进入和离开断裂 2410 的电流为 0.0A/ft2。
图 27 展示源自一安培总电流的断裂 2410 中计算的电压分布。提供具有箭头的线 条从而表示遵循局部电压梯度的电流流动。 如表示的， 在两块钢板 2420 之间断裂 2410 的总 电阻为 2.39Ω。这稍微小于源自第一模拟的图 16 中普遍的 2.71Ω。因此， 尽管在板 2420 末端周围的不导电连接材料 2427 应该相对于图 6 的地图 1300 增加电阻， 但钢板长得多， 并 且其影响是降低断裂 2410 的总电阻。
在图 27 中提供以 V 测量的标度。该标度从 -1.28--1.12 移动到 1.12-1.28。在中 间， 该标度移动通过 -0.16-0.0 和 0.0-0.16V。
在图 27 中可见， 负电压值在右连接器 2420R 直接存在， 并且正电压值在左连接器 2420L 直接存在。关心的是， 电流仍集中在板 2420 附近， 意味着在钢板 2420 具有更高浓度 的电流。然而， 在存在不导电中间粒状材料 2427 的区域中没有看见电流路径。现在电流必 须围绕不导电材料 2427 流动， 有效减轻第一模拟的高度集中的电流。
最终， 图 28 展示来自模拟的断裂 2410 中的结果加热分布。 以 W/ft2 测量地图 2400 中的单位。提供表示从 0.0-0.2 到 3.0-3.2W/ft2 的值的灰度。如可见的， 在图 28 中地图 2400 中的热量分布示出 1000W 的总热量输入。 没有看见板 2420L、 2420R 周围的强烈热量生 成区域。事实上， 在安放不导电粒状材料 2427 的区域中热量生成基本为零。然而， 加热分 布不和见于图 23 中的第二模拟的加热分布几乎一样均匀。由于这个原因， 认为使用更高电 导率材料 ( 如在第二模拟中 ) 而不是不导电材料 ( 如在第三模拟中 ) 是优选的。
上面描述的过程在科罗拉多州的 Piceance 盆地中的烃回收具有优点。一些人已 经估计在美国西部的一些油页岩矿床中， 每英亩面积可回收高达一百万桶的石油。一个研 究估计在 Piceance 盆地油页岩地层含小苏打的部分内的油页岩资源为原地 4000 亿桶的页 岩油。总的来说， 仅 Piceance 盆地可存在高达一万亿桶的页岩油。
本说明书的某些特征依照一组数值上限和一组数值下限描述。 应认识到通过这些 限制的任何组合形成的范围在本说明书的范围之内， 除非另外指出。尽管从属权利要求中的一些根据美国实践具有单独依赖性， 但这样的从属权利要求任何中的每个特征都可和从 属于相同的单个或多个独立权利要求的其它从属权利要求中的一个或更多的每个特征结 合。
尽管显然在此描述的本说明书被良好计算从而实现在上面阐述的益处和优点， 但 认识到本说明书可被容易修改、 变化和改变而不背离其精神。
尽管本说明书的许多例子可应用于使油页岩中的固体有机物转为可生产烃， 但本 说明书的许多方面也可应用于重油储层或柏油砂。在这些实例中， 供应的电热用来减少烃 粘度。 另外， 尽管按照一个或更多优选实施例描述本说明书， 但理解可做出其它修改而不背 离在下面权利要求中阐述的本说明书的范围。
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