專利名稱：從含煤、油頁巖、焦油瀝青砂和油的巖層中回收烴或熱能的水槽的制作方法
技術領域：
本發明涉及從含碳或含烴巖石中回收烴及熱能。通常，用挖掘方法采煤和褐煤，用鉆探含油巖石產油。隨著世界范圍液體燃料烴儲量的銳減，加速了從油頁巖、煤、焦油瀝青砂和其它含碳、含烴巖石中提取烴。這些巖石被挖出來后進行提純、蒸餾、氫化。在工廠里對油頁巖、煤油瀝青砂等的加工是眾所周知的，這種成本昂貴的采礦和方法對于長期以來想獲得廉價的液體燃料來說是不經濟的，進而，大量地開采油頁巖和焦油瀝青砂所造成的環境問題使得這種采礦方法不能令人接受。
流行的原地法有利于環保，在過去的幾十年內，從油頁巖、焦油瀝青砂和煤里開采烴及從含油層里二次回收烴的原地法開采技術不斷地加以改進，提出了幾百種專利技術，所采用的方法如(1)增加含烴和含碳地層的孔隙度和滲透率的方法，致使烴能從地下流出或被泵出。該方法包括(a)水破裂法。(b)爆破法。(c)大面積的掘下部礦層法，引起上層礦床塌陷到坑道里或這些坑道的結合部位。
(2)注入流體至注入井的方法，這樣做造成水動力勢能，迫使注入的流體替代含油層中的烴，以便使烴流入生產井，然后再提取。該類方法一種最常用的方法是通過涌水的二次開采法。
(3)提供一種熱源的方法，如排放蒸氣或其它的意在增加地下溫度的方法；旨在降低含油層、焦油瀝青砂或煤中烴的粘度，于是，烴能充分地從地下流出或被泵出，該方法通常稱之為熱激發法。
(4)注入流體至注入井的方法，旨在造成一個水動力勢能，迫使注入的流體與含碳或含烴巖石接觸，引起烴能流入生產井，再被提取。
通用的原地法采用一種或幾種方法相結合的方法。從油頁巖里開采含碳物質的方法統稱頁巖燃燒法，已在美國專利3661423、4106814、4109719、4147389、4151877、4158467和DE4153110中敘述過，這些方法是方法(1)和(2)相結合為原地蒸餾法。在目前，由于這些方法不經濟，故在商業上已不采用了。
其它的原地法，如排入蒸氣法，熱激發法、煤的氣化作用、焦油瀝青砂的氫化作用、原地燃燒作用等代表了這些方法的其它組合(也就是美國專利號4085803、4089373、4089374、4093027、4088188、4099568、4099783、4114688、4133384、4148359、4149595、4476932、4574884、4598770、4896345、5207271、5360068和國際公開WO 95/06093)。這些方法都要將流體或一種熱源通過注入井直接注入含碳或含烴地層，再從生產井產烴或熱氣。通常這些井是垂直鉆入一個含烴地層，流體或熱流從一個井水平地流入另一個井，從該注入井的一個點源橫向流入一個生產井的這種呈線性路線的流動方式使得這種注入法的效益是很低的，因為大部分主巖有旁流。
美國專利4410216、4116275、4596770、4610303和5626191建議用水平鉆井或在與含烴地層，如焦油瀝青砂或煤平行的方向上鉆井的方法來增加(開采)效益。這種定向的方法為能浸透到鉆孔周圍表面的流體或熱能提供了一個線性源頭。該方法的缺憾是向含烴地層的有限滲透，這樣就必須打很多鉆孔。此外，對流體或熱液及它們的流速、穿透深度及原地的物理條件，如溫度和化學反應速度等都難以系統地進行控制。
1997年5月7日在我們申請中公開了一種“提取金屬或純化鹽類的原地化學反應器”。
本發明之目的是改進原先的原地反應器，促進煤(包括褐煤)、油頁巖、焦油瀝青砂和其它含碳礦床的物理和化學變化，在減少這些礦床的粘性之后生產烴，或者產生以熱燃燒產物形式的熱能，這些熱能可被回收或轉化成其它形式的能源，如電能。
本發明涉及水槽，它們可使流體注入一個有源含水層，在水槽的水動力勢能驅動下，從有源含水層進入可開采的含煤、褐煤、油、焦油瀝青或其它烴的主巖。流體驅動液體烴和/或與主巖中的煤、褐煤、油、焦油瀝青反應，生成可采的烴和/或熱的燃燒產物。然后，這些產物通過天然地或人工地可滲透的主巖，流入位于該有源含水層另一側的主巖選體旁的一個滲透含水層中，這樣，可對它們進行開采。
本發明從含煤、油頁巖、焦油瀝青砂或油里回收呈熱氣形式的熱能或烴。用于該系統中的水槽至少有一個有源含水層和一個滲透含水層及一個位于其兩者之間的主巖的一個礦體。每一個有源含水層和滲透含水層由主巖中一系列的鉆孔單獨地接到地表。設計連接有源含水層和地表的鉆孔，可將反應流體、燃料和氧氣輸至有源含水層。設計連接滲透含水層和地表的鉆孔，可將采取的熱能從滲透含水層輸至地表。水槽也有用于點燃有源含水層中的燃料和氧氣的設備，以便于采取來自主巖所需的烴和熱能。用于萃取的流體、燃料和氧氣，從地表壓入有源含水層，被點燃后，迫使其通過主巖而壓入滲透含水層。通過反應流體或燃料和氧氣燃燒形成的熱氣體或烴，通過獨立的鉆孔從滲透含水層輸至地表，其后，可按所需的各種類型而利用該能量。
本發明提出了一種用燃料、氧氣和/或化學試劑和主巖在原地反應生成烴的新穎的方法。附圖示出最常見的具水平含水層的水槽的設置，然而含水層也可以較水平方向稍微傾斜地設置。
圖1是一個用于處理很難滲透的主巖的原地反應器的縱橫剖面圖。
圖1A是圖1的第13部分a-a′剖面的分解圖。
圖2是一個原地反應器的平面設計圖。
圖3是圖1原地反應器的橫斷面圖。
圖4是具有一個“設計程序”剖面和一個“反應”剖面的雙重原地反應器的縱橫剖面圖。
圖中的字母有下列的意思d=有源含水層平均深度h=有源含水層和滲透含水層之間的間距d-h=滲透含水層平均深度h1=填砂井深s=有源含水層長度s′=滲透含水層長度t=有源含水層厚度t′=滲透含水層厚度
w=有源含水層寬度w′=滲透含水層寬度，近似w在本發明中，流體和/或熱是從一個天然的或人工的含水層(通常是水平的)穿過主巖流入一個平行的含水層，而現行的主巖破裂和/或加熱的烴的二次開采法使流體或熱在主巖中呈放射狀方向從一個井流入另一個井。含水層有兩方面的優點(1)由于流體流動方向垂直于大的橫剖面，故流量及流速大得多，(2)改變注入流體的流速及改變流體從人工含水層流出的速度，可控制原地反應器內的物理條件和化學反應進程。
含水層象電池或電元件的電極一樣，是一個水槽的極板，該含水層通常是水平的，但它們也能被做成偏離水平方向呈任何傾斜角度。該發明的新奇之處就在于用這樣一個水槽促使流體注入主巖及從巖中流出。通常僅用一、兩個水槽就夠了，但在某些情況下，可增加一些并聯或串聯的水槽。
二次開采法如涌水或注入蒸氣方法，能增加巖層中烴的產出量，其中水和蒸氣平行烴層呈放射狀方向從一個井流入一個可滲透的有源含水層。然后，流體或蒸汽通常呈垂直烴層方向，從一個人工有源含水層流到一個人工滲透含水層。為了產生這種效果，用現行的水破裂法使烴層面上下或平行于烴層面及與其斜交的表面產生破裂面。注砂或注入其它多孔物質至破裂面可形成人工含水層。通常在烴層下面可接受注入流體的一個多孔的可滲透的含水層構成有源含水層。通常在該烴層之上能接受主巖釋放的烴(也就是被注入的水或蒸氣替代的烴)的一個多孔的可滲透的含水層是滲透含水層。于是，兩個含水層建在一個水槽的兩個相對端。注入該有源含水層中的水或蒸氣將流過含烴層，驅使烴進入一個滲透含水層，再從那里流入或經滲透含水層的鉆孔泵出。
有些地方是通過原地燃燒來替代地下采礦或應用石油回收技術開采含碳或烴的物質來生產熱能可能更經濟些(也就是美國專利第5626191號)。由于現行的方法不能充分有效地得到廣泛地應用，用原地燃燒法可生產熱能，該方法可將燃料或其它燃燒物質注入一個人工的地下含水層，引起燃燒，再注氧至這樣的含水層，以維持燃燒作用。為了獲得這種結果，用目前通用水破裂方法在主巖上或下產生破裂面。然后砂石和多孔物注入到破裂面。注入到有源含水層中的含氧液和/或氣體將流進主巖中的碳和烴內，并與其發生反應。然后，該燃燒產物以熱氣體的形式流入滲透含水層，此后，它們經鉆孔流出或被泵出，再進一步進行加工，這樣，熱能就被回收。
在工廠用于對這些巖石的加工工藝不斷地發展著-原地蒸餾作用、碳化作用、氫化作用或其它方法可從煤、油頁巖、焦油瀝青砂中提取烴和熱氣體。由于這些方法只能在比周圍環境溫度高的情況下進行，故對于蒸餾作用、碳化作用。氧化作用等的原地化學反應器必須升至高溫。對于一個原地化學反應器高溫時的原地化學反應來說，必須由一個地下熱源來使地下增溫。燃燒的主巖能構成這樣一個熱源。
特別是在原地化學反應需要加入試劑到該原地反應器的有源含水層的情況下，則需要在某處有另一個原地反應器產生熱源，它通常是在原來的原地化學反應器的下面。前面的含碳物質燃燒使得后面的生熱增溫，致使主巖中的碳和注入流體在后者中發生化學反應，使后者的主巖能有效地發生碳化作用、蒸餾作用或氫化作用，從而生產出烴。
為了用原地化學反應來回收煤、油頁巖、焦油瀝青砂等中的烴，可能要用兩個原地反應器。設計一個反應器用做化學反應器。流體或化學試劑導入有源含水層，流經水槽與含煤、油頁巖或焦油瀝青砂的主巖反應，然后再流到滲透含水層。經過升溫和/或注入流體與主巖間的化學反應，則主巖里的含碳物質可被碳化、蒸餾和氫化。
兩個反應器系統中另一個反應器被設計用做對主巖中的含碳物質進行原地燃燒的一個熱反應器，該主巖位于用作注氧的有源含水層(加不加燃料均可)和一個滲透含水層之間。該反應器溫度升至足夠使其上層反應器內發生碳化作用、蒸餾作用或氫化作用。
可通過改變注入到化學反應器有源含水層的流體的組分來調整該上層化學反應器內注入流體和主巖間的化學反應速度，可按要處理的主巖需要確定化學反應器之有源含水層內流體的組分。控制熱反應器中的反應速度可調整化學反應器的溫度，注入一個合適的流速及合適的含氧量的流體至熱反應器的有源含水層中實現該調整。流入該化學反應器的滲透含水層中反應完了的流體經鉆孔輸至地表。從油頁巖中蒸餾出來的烴或從焦油瀝青砂的焦油瀝青中氫化出來的烴可運到煉廠去進一步加工。煤或其它含碳巖石的燃燒產生的熱氣體所釋放的熱能可生產蒸汽去驅動渦輪機及發電。
蒸餾作用、碳化作用或氫化作用之后，仍殘存在一個或兩個原地反應器內的剩余的碳(焦碳)、焦油瀝青或其它含碳物質可與注入到有源儲層中的流體再發生化學反應，也可以用原地燃燒法將其熱能呈熱氣體的形式回收。
在實施本發明時，圖1示出的原地反應器10裝有人工有源含水層13和人工滲透含水層16，位于有源含水層13和滲透含水層16之間的主巖21。泵入水破裂作用的流體至一系列平行的水平鉆成的井11及14形成縱裂隙12和15，造成該人工含水層，將砂或其它多孔物質30填入12和15，使其產生微孔隙。液體燃燒19和/或固體燃料29可與該有源含水層中的多孔物質混合。在該有源含水層13中安裝一個點燃料的板機，并在有源含水層13和滲透含水層16中也安裝溫度監測器17和18。流入滲透含水層中的反應液經鉆孔輸到地表。通過板動壓縮倉26上面的活塞25可將流體注入有源含水層，通過輔助鉆孔27和閥28或通過活塞25中的一個閥也可將壓縮流體注入有源含水層中。
圖2示出了平行于該原地反應器滲透含水層的一個剖面，原地反應器長為s、s′，寬為w、w′，還示出用水平鉆技術鉆成的鉆孔23、井11、井14的位置。近于垂直注入井11的鉆井27用于補給有源含水層中的壓縮流體。
圖3示出了水平鉆進的井11和井14及近于垂直鉆進的井27所造成的水平破裂12和15用于填放多孔物質，以形成有源含水層13和滲透含水層16。
圖4示出了至少有兩對有源含水層和兩對滲透含水層的雙原地反應器的反應剖面有其有源含水層13和滲透含水層16，加熱剖面有其有源含水層33和滲透含水層36。泵入水破裂液至水平鉆井11和14，做成人工含水層，以便產生能被砂或其它多孔物質充填，造成微孔隙的水平破裂12和15。在有源含水層33中安裝一個點燃燃料的板機，在有源含水層13、16和滲透含水層33和36中也安裝溫度監測裝置17、18和37、38。流入反應剖面滲透含水層16中的反應完了的流體經鉆孔23輸到地面。圖中破折號彎線表明水平鉆井位置。可鉆一個輔助鉆孔43，使其成為反應器上部的熱氣從滲透含水層36流至有源含水層13的通道。
本發明的原地反應器可進行三類加工工藝(1)當注入一個有源含水層中的一種流體經巖層流入一個滲透含水層時，通過對巖層中的烴的機械置換來對其進行二次回收，(2)當注入一個有源含水層中的流體經主巖流入一個滲透含水層時，在升溫(減少烴的粘性)或主巖中的碳或烴燃燒(碳化作用、蒸餾作用)之后回收含碳巖石中的烴或熱能，(3)當升溫時，一種流體發生化學反應后，從煤、油頁巖或焦油瀝青砂中回收烴，該流體注入一個有源含水層，流經主巖(氫化作用)引起一種烴或烴餾分流入一個滲透含水層。三種情況敘述如下。
(1a)從很難滲透油藏中烴的二次回收通過涌水或注入蒸氣的二次回收法來生產含烴巖層中的烴，那里的水或蒸氣是平行于烴層呈放射狀流動。而對于本發明的二次回收來說，流體呈垂直烴層的一個方向流動。對于淺部油藏油的二次回收，用兩個平行的天然含水層或修建兩個人造含水層，它們之中的一個在含烴層之上，一個在其之下(圖1、2和3)。修建人工含水層所利用的原理是地下巖石中一個張裂隙或一個破裂面將產生最大的擠壓方向，通過增加注入至兩個平行的水平鉆井11中流體的靜水壓，在地下淺處造成一個水平擠壓力，該水平鉆井跨度為wm，深dm、水平長Sm。由人工張力產生的一個面積為w×s的張裂隙12，在不到1000m深度上的破裂面應該呈水平方向。將砂或其它多孔物質注入裂隙中，使其成為如圖1所示的厚度為t的有源含水層13。然后流體被注入由另一對水平鉆14產生的具有w′m跨度的平行井中，但它僅鉆至一個較淺的深度(d-h)，構成另一個水平張裂隙15。將砂或其它多孔物質加入兩個平行井之間的裂隙15里，裂隙就成為如圖1所示的一個滲透含水層16。
如果需要增加兩個含水層之間的含油主巖21的孔隙度和滲透率，可進一步地破裂它。可將惰性流體泵入兩個含水層去造成水破裂作用，由這種垂直方向擠壓產生的主巖21中的張裂隙呈垂直方向或近于垂直方向，于是來自有源含水層13的流體向上流動，流至滲透含水層16。為了開始二次回收，將水和蒸氣注入有源含水層13，又將水從滲透含水層16泵出，在這兩個含水層間建立一個垂直方向的水力梯度。迫使流體從該有源含水層流入油藏，驅動使主巖21中的烴到滲透含水層，從那里，它再流入或被泵入鉆到滲透含水層16中的鉆孔23中。
(1b)從很難滲透油藏中烴的二次回收當油藏比較難滲透時，烴的二次和/或三次回收可通過與油藏的床層面平行流動來回收。有源和滲透含水層可建成與水平方向成一角度的注入床和生產床，和通過垂直或傾斜鉆井而不是水平鉆井來節約費用。
當生產油田有傾斜或垂直井時，有源和滲透含水層可在選自注入對和生產對的兩對井之間建成。井用水泥處理并制成不可滲透除了在每個井穿過生產油藏的厚度面向其它對的井的方向的裂縫之外。壓縮流體被泵入到注入井對以在每個井的裂縫方向形成垂直(或稍傾斜)的水裂面。水裂面可被挖掘并引入多孔物質到每個井中，直到兩個注入井的水裂面形成有源含水層。同樣的方法可在一對生產井之間形成滲透含水層。在開始噴射時，流體被泵入到注射井并從生產井泵出，因而形成水力梯度使油藏中的烴從有源油藏流到滲透油藏。熱促進器可安裝到有源和滲透含水層以在由于升溫使油藏中的烴的粘度下降后提高烴回收效率。使用含水層對可使回收效率從目前25-40％提高到60-90％。
(2)原地燃燒法回收含碳巖石中的熱能當前，煤通過洞采，運至地面裝船，運到城市的動力工廠去發電，鉆探產的油從鉆孔流出或被泵到地面，用管道輸至城市工廠去發電。由于回收和運輸成本昂貴，僅較富的資源可經濟地進行開采，而薄煤層和貧脊的油田里的烴只好保存在地下。此外，用現行的方法對較富資源的生產也決不是百分之百地有效，在一次和二次開采后，油藏中多數的烴還保存在地下。因此，當石油保存在地下不能有效地對其進行開采時，甚至有一多半的油藏可能仍保存在地下時，油田就荒廢了。
從油頁巖中回收熱能的現行方法一直歸于頁巖燃燒法范疇。常用的方法是挖掘一定量的油頁巖(也就是美國專利3661423號)造成油頁巖頂部坍塌，一種使塌陷的頂形成一個多孔和可滲透的巖屑堆的方法。將含氧流體泵入該油頁巖巖屑中去點燃該油泵巖里的一些烴，而燃燒的頁巖的熱量降低了該油頁巖里其它烴的粘性，至使烴能從巖石中流出而被回收。這些方法一直是大石油公司所用的經典的方法，但是也不斷發現，大規模地開采在目前來說是不經濟的，而且，當前從油巖中產油是無意義的。
從碳或含碳巖石中，如褐煤、煤和焦油瀝青砂中產烴的現行方法一直被稱之為碳化、蒸餾和氫化的方法。大量的專利透露了從煤、油頁巖和焦油瀝青砂中提取烴的方法，大的石油公司為了產烴投入大量資金發展新技術去開發大儲量的用于生產烴的焦油瀝青砂，所有這些都需要用工廠的方法，既不經濟又污染環境。
目前產的大部分化石燃料都在城市動力工廠里用于發電而被燒掉。為了滿足對該能源的需求，不需要將產生熱能的物質運到地表和發電廠。當燃燒產物以熱氣形式的能源供給發電廠的時候，可用原地燃燒方法來回收煤、油頁巖和焦油瀝青砂。由于進行燃燒作用的供氧困難，故必須改進目前的頁巖燃燒方法，以便達到這個目的。原先的頁巖燃燒法試圖迫使含氧流體直接進入主巖工作區。現在所述的帶水槽的原地反應器被設計成將燃料和氧氣(有無輔助燃料均可)間接地注入一個多孔的和可滲透的人工儲存中去，也就是一個有源含水層中去。不斷地將注入的流體供給鄰近的主巖，使其在原地持續地氧化或燃燒。
改變該有源含水層中供氧速度可調整燃燒速度，隨后也改變了原地溫度，這樣，在可控制的條件下，可控制燃燒的溫度和壓力，使頁巖燃燒能繼續進行。呈熱氣形式的燃燒產物經天然地或人工地產生的裂隙進入該滲透含水層，該產物從這里再經排放鉆孔排出或被泵出，而后通過管道輸到一個發電廠。為了燃燒含碳或含烴巖石，興建兩個平行的人工含水層，一個在欲燃燒的主巖上面，一個在欲燃燒的主巖下面(圖1、2和3)。所運用的原理是地下巖石里的一個張裂隙或一個破裂面將構成一向的最大擠壓力，增加流入由水平鉆產生的兩個平行井11中的流體的靜水壓力，能在地下淺處產生水平方向的擠壓力。兩個平行井的跨度為Wm，深度為dm，水平長度為sm。由人工產生的張力，形成兩個平行井11之間的范圍為W×S水平裂隙12和小于1000m深的破裂面12通常是水平方向。填入裂隙中的砂或其它多孔物質構成厚度為tm的人工有源含水13。然后，將流體注入由水平鉆進產生的另一對平行井14，該平行井跨度為W′m，但是鉆到一個較淺的深度(d-h)，構成另一個水平張裂隙15，將砂或其它多孔物質填入兩個平行井14之間的該水平裂隙15，構成滲透含水層16。
用砂充填注入井11或用砂礫鋪滿注入井11。用砂將注入井與大氣中空氣隔絕，這樣有源含水層中的燃燒作用就不會點燃空氣引發控制不住的火情。注入井14填不填砂取決于從滲透含水層16流出的流體的性質和溫度。在含水層中安裝測溫裝置17、18。燃料19可與注入物質混合，在該有源含水層13中安裝點火的機械板機20。若需要增加兩個含水層間被燃燒主巖的孔隙度和滲透率，可進一步破碎主巖。可將惰性流體泵入兩個含水層中，引起主巖水破裂。呈垂直方向的擠壓應力造成主巖21中的張裂隙呈垂直方向或近于垂直方向，于是該主巖燃燒時，流體從有源含水層13向上流入滲透含水層16。然而，可將流體從兩個含水層里抽出來，以便使其在地下燃燒開始時呈正常的靜水壓力。
為了開始燃燒過程，將含氧流體從地表壓入有源含水層13，在那里機械板機20點燃流體，使其和有源含水層正上方的含碳或含烴的主巖21反應。由于上(滲透)含水層的壓力是靜水壓，當流體從滲透含水層16泵出時，該壓力小于靜水壓，于是，在有源含水層13和滲透含水層16之間建立了一個水力勢能梯度。呈熱氣體形式的燃燒產物既可以通過向上燃燒前端22掃過主巖，如果主巖21原來就一直發生破裂的話，則熱氣體也可以通過該裂隙。流經主巖流體的速度取決于它的滲透率，也可以改變注氧至有源含水層13的泵壓來調整流速。改變有源含水層13中的供氧速度也可以調整燃燒的溫度。
燃燒的最終產物可能是水蒸汽、二氧化碳或煤氣的一種混合物，這取決于操作者預定的溫度。然后，流入滲透含水層16中的燃燒產物經鉆孔23被導至地表。其最終產物的使用者可用其熱能進行加熱或將其轉化成其它形式的能量，如機械能或電能。
(3)用原地化學方法提取煤、油頁巖或焦油瀝青砂中的烴烴是石化工業或其它工業必須的原料，于是，巖石中的碳和烴作為烴產品(而不是熱能)被回收，用原地碳化作用、蒸餾作用或氫化作用這樣的回收手段是經濟可行的。為了在高溫下進行這樣的原地化學方法，該原地反應器也起著一個旨在提高地下溫度的加熱器的作用，以便在一個所需的溫度下化學反應能在一個上部反應器內進行。
在某些情況下，特別是化學試劑必須被導入反應器內進行一個化學反應的時候，需要兩個原地反應器一個是帶有源含水層13的“加熱器”，燃料和/或氧氣注入該含水層以提高地下溫度，一個是有著一個有源含水層13的“反應器”，化學試劑被導入該含水層，使主巖21和注入液發生化學反應(圖4)。可興建兩個原地反應器系統，通常，一個在另一個的頂部，每個按前面描述的同樣方式修建。由注入井11和井14中的流體的水破裂作用產生兩個水平破裂面12和15，它們分別在主巖21的上、下(圖1)。注入砂或其它多孔物質至裂隙中，使其轉變成有源含水層13和滲透含水層16，然后安裝測溫裝置17和18去監控主巖化學加工時的溫度梯度。若需要增加這兩個含水層間進行化學加工主巖的孔隙度和滲透率，可進一步對其破裂。當主巖燃燒時，可將惰性流體泵入兩個含水層里，引起主巖的水破裂作用，并使流體從有源含水層13流入滲透含水層16。主巖水破裂之后，從兩個含水層中抽出部分的流體，以便在地下開始碳化作用，蒸餾作用或氫化作用時，流體再呈現正常的靜水壓。
總之，需要一個熱源，使原地反應器升溫，以便進行碳化作用、蒸餾作用或氫化作用，可使原地反應器下部的主巖燃燒成為熱源。若需要的話，還可以選擇另一種辦法，就是采用兩個反應器系統；一個做為“加熱器”，另一個做為“反應器”，下面的原地反應器起著“加熱器”的作用，加速上面原地反應器中的主巖“反應器”的化學反應。可按前面所述的辦法去興建原地“加熱器”，致使上面的原地化學反應器升溫，補充所消耗的熱能。由水破裂作用注入兩個水平鉆井31和34中的流體在一個燃燒的主巖41上、下形成兩個水平破裂面32和35。將砂或其它多孔物質注入構成有源含水層13和滲透含水層16的裂隙里。在含水層中安裝測溫裝置37和38去監控進行化學加工的主巖的溫度梯度。用機械板機40做為有源含水層33中的燃火開關。
按照所需之溫度，將固體燃料，如煤29或液體燃料19或砂或其它多孔物質30一起加進下有源含水層33內，再啟動板機點燃含水層33和36之間的主巖中的含碳物質。將含氧流體持續不斷地注入原地“加熱器”的有源含水層33內以維持燃燒，于是，地下就增溫。燃燒產物經上滲透層36和鉆孔43這樣渠道輸至地表。由于“加熱器”內含碳物質燃燒，于是使得上原地化學反應器升溫到所需的溫度。
在上層原地化學反應器主巖里的烴只是用于蒸餾作用而被加熱的情況下，一旦下面的主巖被加熱，則該原地“加熱器”的滲透含水層36可作為上層反應器的有源含水層13。在用化學方法處理上層原地化學反應器主巖內的碳和烴的情況下，將化學試劑加到它的有源含水層13內。原地“加熱器”的滲透含水層36應放置在比原地化學反應器的有源含水層13較淺些的地方。主要通過改變對“加熱器”的有源含水層33的供氧速度及改變流體流經含水層13和16之間的原地化學反應器內主巖的速度，可控制“加熱器”和上層反應器的溫度。
優選實施方案的描述(1)對十分難滲透油儲里的烴的二次回收在本發明的一個實施方案中，將疏松的物質，如石英砂或其它多孔物質，途徑水平鉆孔11和14及水破裂作用所產生的裂隙12和15，壓入如圖1所示的一個水槽里，以便形成一個多孔隙的和可滲透的人工儲層。被注入的疏松的物質在裂隙12中構成一層，為有源含水層13。若需要增加兩個含水層13和16之間主巖21含油層的孔隙度和滲透率，可對主巖進一步地破裂。惰性流體可被泵入兩個含水層，引起水破裂作用，由此產生的巖石21內的張裂隙呈垂直方向，以便流體從有源含水層13向上流入滲透含水層16。
為了開始二次回收，將水和蒸氣注入有源含水層13，而將流體從滲透含水層16泵出，在兩個含水層之間形成一個通常呈垂直方向的水力梯度，迫使流體從有源含水層13流入主巖21的一個含油層內，驅使含油層21中的烴流入或泵出鉆到滲透含水層16的鉆孔23。
(2)通過含碳物質的原地燃燒作用回收地下含碳礦床中的熱能在本發明另一個實施方案中，將疏松的物質，如石英砂或其它多孔物質經水平鉆孔11和14及水平破裂作用所產生的水平裂隙12和15，壓入如圖1所示的一個水槽里，以便形成一個多孔隙的，可滲透的人工儲層。所注入的疏松物質在裂隙12中形成一層，作為被選擇用于燃燒的主巖底部的有源含水層13。為了在高溫下增加原地氧化作用，注入的疏松物質可能是一種砂、煤和/或液體燃料的混合物。
鉆深為dm的下部注入井11被鉆至有源含水層13的基部。安裝測溫裝置17和點火板機的機械裝置20于有源含水層13中。用潔凈的砂或砂礫24充填注入井11至h1以上的高度。井11內疏松膠結的或輕微壓實的可滲透的砂或砂礫用作(a)被泵入該有源含水層中的注入流體，如壓縮空氣或一種化學溶液的管道，和(b)作為一個絕緣體，以防由于地下燃燒引起鉆孔中空氣著火及頁巖燃燒時失控。重復鉆進和水破裂加工過程，以形成上滲透層16，井14中的砂無需膠結，但需要輔助鉆孔23來收集燃燒產品。
為了使流體通過兩個含水層13和16之間的主巖，可進一步地破裂主巖21，產生破裂的孔隙度和滲透率。在h1之上的井1的壁被水泥固結，并在該井中安裝一個活塞25，使其可在h2和h3之間移動，于是，形成了一個壓縮倉26；活塞向下移動，壓縮倉內的空氣或其它注入的流體，壓縮空氣或流體在壓力下，通過井24填砂部位流入有源含水層13。當該活塞向上移動時，倉26內壓力減小，來自外部的注入空氣或流體進入一個流體供應鉆孔27，當活塞壓縮未提供足夠的流量時，可供壓縮流體至壓縮倉26內，它從地表壓至鉆孔27和閥28而供給有源含水層13，或選擇從地表經活塞25的一個閥門而進入壓縮倉26。
欲開始點燃油頁巖、煤、褐煤或焦油瀝青砂，開啟圖1中的機械板手20引起有源含水層13內的燃料19燃燒及該層中與多孔物質30混合的煤29燃燒。控制供氧速度及原地燃燒作用的燃燒產物的產出率可調節原地反應器內的溫度。該方法可用于回收薄煤層、油頁巖、焦油瀝青砂或廢油田內殘存油里的烴。
(3)通過地下含碳物質的原地燃燒作用，加熱煤或焦油，使其發生碳化作用，從而回收其熱氣體。
當煤或焦油在隔絕空氣時，加熱至450℃以上時，它們開始分解，并轉化成氣體產物。當碳化作用不斷強化時，則分解的煤或焦油升溫，它們在700℃-800℃下蒸餾產生了水蒸氣混合的重氣體。水蒸汽是由煤中的氫、氧和濕氣轉化而成，它與壓縮的柏油蒸氣、烴等混合在一起。當分解的煤被加熱到900℃-1200℃的蒸餾高溫時，碳使水蒸氣分解成吸收熱引起降溫的氫和一氧化碳。然后，一氧化碳與水蒸氣反應，氧化成二氧化碳和氫氣，這個原理是基于工業上制造水氣體的方法，即將水蒸氣和空氣交替地吹入焦碳層，使其消耗，變形水氣體。
由于煤氣和水氣已被天然氣(甲烷)代替，故煤蒸餾法決不經濟。用水槽可使原地碳化作用在低溫或高溫下進行，制造的煤氣或水氣是基于經濟的能量耗損。進而，焦油瀝青砂中的焦油的碳化作用所產生的氫氣可供給上層化學反應器內的上層焦油瀝青砂，使其發生氫化作用。
化石燃料燃燒通常引起污染。可在工廠里處理原地燃燒作用產生的硫化氫和其它有毒氣體，使其成為固體廢掉而沉淀下來，使得僅二氧化碳成為廢氣。正如前面所述，修建一個原地反應器或兩個原地反應器系統，通過對地下含碳物質進行原地燃燒，使煤或焦油生熱發生碳化作用，從而可回收熱氣體。當“加熱器”內的燃燒產物不妨礙“反應器”內主巖的碳化作用時，“加熱器”的滲透含水層36也可以是“反應器”的有源含水層13。
(4)在一個原地“加熱器”中。通過原地燃燒地下含碳物質生熱，使油頁巖、焦油瀝青砂等發生蒸餾作用或氫化作用而回收烴。
由油頁巖、焦油瀝青砂等的蒸餾作用來回收烴的主要方法類型包括熱解作用(和水熱解作用)、溶劑萃取和氫化作用。在蒸餾油頁巖過程中，將破碎的頁巖放入蒸餾器內，在350℃-500℃下用氣體或水蒸氣裂解的有機質(油母巖)生成類似于石油的原油。正如美國專利4587006號和5041210所敘述的最近的方法是用新的一體化的水熱解作用或熱解作用技術，可產生改進質量的高產的液體烴產品，并且已經減少了所需的熱能。正如美國專利4130474號所敘述的那樣，可用溶劑在非常低的溫度下萃取油頁巖或焦油瀝青中的油母巖。在德國二戰結束前，在200atm和450℃條件下，用輔助的催化劑，大規模地做煤的氫化工作。正如美國專利5015366號和英國專利2110712號所述，該方法在近些年不斷地被改進，大量的精心設計的方法不斷地被發明以通過氫化作用從油頁巖和焦油中提取液體烴，例如在450℃-520℃和50巴的壓力下，通過一氧化碳、氫和蒸氣的作用可提取烴。但是，所有的這些方法都要在工廠進行加工，必須挖掘原料，破碎原料，在高壓釜里蒸餾或加工原料，工廠的加工工藝要用大量的能源和精制的設備，十分昂貴，而本發明旨在用這樣一種原地方法。
正如美國專利3001776號、3434757和3,661,423號所述，油頁巖的地下蒸餾法不斷地發展。但注氧至一個無孔隙的十分難滲透的油層成為主要難題。提了幾種常見的產生地下裂隙的方法(1)傳統的爆破或水破裂的破裂技術，(2)挖洞以坍塌空間。有些方法一直在試驗著，但是它們在目前似乎都不經濟。
可以修建一個或兩個原地反應器系統，通過對煤、油頁巖或焦油瀝青砂的熱解蒸餾作用或氫化作用來回收烴。將燃料和氧注入“加熱器”的有源含水層33，對煤、油頁巖或焦油瀝青砂進行燃燒。以一定的速度供氧以便“加熱器”的溫度能熱到使“反應器”內主巖達到所需的溫度。既可以從“加熱器”的滲透含水層提供作為有源含水層33的能源去進行蒸餾作用或氫化作用，和/或蒸汽和氫也可以從地表注入“反應器”的有源含水層13。
雖然用上述實施方案對本發明作了闡述，可以理解，本發明并不局限于此，就本發明范圍必須參見后附的權利要求書。
權利要求
1．從含煤、油頁巖、焦油瀝青砂或油的主巖層中回收烴和呈熱氣形式的熱能的一個地下系統，包括位于所說的地層內的一個水槽，所說的水槽至少有一個有源含水層和一個滲透含水層及位于所說的有源含水層和所說的滲透含水層之間的主巖，每個所說的有源含水層和所說的滲透含水層通過在所說的主巖內的一系列鉆孔聯到地表，連接所說的有源含水層和地表的所說的鉆孔可以運輸提取流體、燃料和氧氣至所說的有源含水層，連接所說的滲透含水層和地表所說的鉆孔能把提取的熱能從所說的滲透含水層運至地表，點燃位于所說的有源含水層內的燃料和氧氣的設備，通過所說的主巖將提取流體、燃料和氧從所說的有源含水層運到所說的滲透含水層的設備，經所說的鉆孔將所說的提取的熱能從所說的滲透含水層運至所說的地表設備。
2．根據權利要求1的地下系統，其中所說的有源含水層和滲透含水層通過水破裂作用形成。
3．根據權利要求2的地下系統，其中所說的有源含水層和滲透含水層通過加入多孔物質至所說的含水層裂隙來維持。
4．根據權利要求1的地下系統，其中所說的有源含水層和滲透含水層是有限定尺寸的水平的或傾斜的裂隙。
5．根據權利要求1的地下系統，其中連接所說的有源含水層至所說的地表的所說的鉆孔有活塞和閥門，以協助運輸提取流體、燃料和氧氣至所說的有源含水層。
6．根據權利要求1的地下系統，其中所說的水槽有一個下部第一有源含水層和一個下部第一滲透含水層、一個位于所說的第一滲透含水層之上的上部第二有源含水層和一個位于所說的第二有源含水層之上的第二滲透含水層。
7．一種從含煤、油頁巖、焦油瀝青砂或油的主巖中回收呈熱氣形式的熱能或烴的方法，包括經鉆孔壓入含燃料和氧的提取流體至一個有源含水層，點燃所說的有源含水層中的所說的燃料和氧氣，引起所說的已點燃的提取流體經所說的主巖壓至所說的滲透含水層，釋放出的熱氣和烴經鉆孔從所說的滲透含水層至所說的地表。
全文摘要
用一個水槽從含煤、油頁巖、焦油瀝青砂或油的主巖中回收烴或熱能的系統,它將一種反應流體壓入一個有源含水層,隨后從所說的主巖中提取熱能或烴,再使其流到所說的滲透含水層,最后,將烴和熱能輸至地表作為最終的利用。
文檔編號E21B43/30GK1212318SQ9811954
公開日1999年3月31日 申請日期1998年9月22日 優先權日1997年9月22日
發明者許靖華 申請人:塔里木科學采礦及探油公司