CN1875168B - 从不可渗透的油页岩中采收碳氢化合物 - Google Patents

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Abstract

一种经济的方法，其用于油页岩的或其它深埋地下的、包含稳定烃的、不可渗透的资源的现场熟化和开采。使用水平或竖直井来制造竖直裂缝。相同的或其它井被用来注入被加压的并且被加热不超过370℃的流体，以及用来返回冷却的流体以进行再加热和再循环。对所述油页岩的传热，随着所述页岩中温度的升高而逐渐地将干酪根熟化为石油和天然气，其还以足够的小裂缝的形式提高了页岩的渗透性。渗透性的提高使得页岩流入到井裂缝中，在井裂缝中混合着加热的流体的产品被收集，并在加热流体再循环之前被分离。

Description

从不可渗透的油页岩中采收碳氢化合物
本申请要求于2003年11月3日申请的美国临时申请第60/516,779号的权利。
 技术领域
本发明一般涉及从地下的、包含于诸如油页岩的基本不可渗透的地质层之中的稳定原始材料中，在现场产生和采收烃类(hydrocarbon)石油和天然气。具体地说，本发明是经济地开采一直被认为是难于经济开采的此类矿藏的一种全面的方法。
背景技术
油页岩是一种低渗透性岩石，其包含了主要由干酪根或干酪根构成的有机物质，干酪根是石油和天然气的地质前体。众所周知，大量的油页岩遍布于世界各地。特别丰富和广泛分布的矿床存在于美国科罗拉多州的范围内。Oil Shale Technical Handbook，P.Nowacki(ed.)，Noyes Data Corp.(1981)是对这种资源不错的回顾，其还尝试去释放这种资源。开采油页岩的尝试主要集中在采矿和表面干馏。然而，采矿和表面干馏需要复杂的设施以及高强度的劳动。而且，还需负担高昂的成本，才能以环境可接受的方式来处理用过的页岩。结果，尽管在上个世纪60年代到80年代期间付出了极大的努力，这些方法还是被证明与开放市场的石油相比缺乏竞争力。
为了克服采矿和表面干馏方法的局限性，多种现场方法已经被提出。这些方法包括将热量和/或溶剂注入到地下油页岩中，其中，如果在目标区域中可渗透性不是自然存在的，已经制造出渗透性。加热方法包括热气体注入(例如，烟道气、甲烷一见J.L.Dougan的美国专利第3,241,611号一或者过热蒸汽)、电阻加热、电介质加热，或者注入可支持现场燃烧的氧化剂(见D.W.Peacock等人的美国专利第3,400,762号和M.L.Slusser等人的美国专利第3,468,376号)。渗透性开采方法包括采矿、碎化(rubblization)、水力压裂(见J.V.Vogel的美国专利第3,513,914号)、爆炸压裂(W.W.Hoover J等人的美国专利第1,422,204号)、热压裂(R.W.Thomas的美国专利第3,284,281号)、蒸汽压裂(H.Purre的美国专利第2,952,450号)，和/或多个井筒(wellbore)法。这些和其它之前提出的现场方法由于下述问题，被证明是不经济的：不充分热输入(例如，热气体注入)、低效热传递(例如，从井筒径向传热)、本身的高成本(例如，电子方法)，和/或不良的压裂和液流分布控制(例如，爆炸形成的裂缝网络和现场燃烧)。
Barnes和Ellington尝试在热气体被注入到所构造的竖直裂缝的情况下，以现实的眼光来看待油页岩的现场干馏的经济效果(Quarterly of the Colorado School of Mines 63，83-108，Oct.，1968)。他们相信向地层的传热是限制因素，更具体地说是传热所穿过的接触表面的区域。他们的结论是平行排列的竖直裂缝并不经济，尽管竖直裂缝的方法好于水平裂缝或从井筒进行径向传热的方法。
先前提出的现场方法几乎都排他地集中在浅层资源，由于薄过载层向下施加较小的压力，因此其中任何构造的裂缝都是水平的。对于浅层资源，由于在适当的快速高温分解温度下(大于约270℃)液体或浓厚的气体所需的压力要大于裂缝压力，因此液体或浓厚的气体加热介质被大量地从中排除。注入性能接近于理想气体的任何蒸汽是不良加热介质：对于一种理想气体，升高温度会使其密度成比例地降低，这使得每单位体积的总体注入热量基本保持不变。然而，M.Prats的美国专利第3,515,213号，以及Barnes和Ellington的文章考虑了构造竖直裂缝，其指向了深层矿藏。然而，在这些参考中都没有公开如本发明中所公开的最大化注入的流体的体积热容量的需求。Prats公开优选地使用石油可溶解的流体，其可有效地提取有机成分，而Barnes和Ellington指出需要注入超高温(约2000
Figure 048323712_0
)气体。
Prats的专利或许更接近本发明，其以概括性的方式描述了使用双层完井通过竖直裂缝来循环蒸汽的现场油页岩熟化方法，其中的蒸汽是温度为600
Figure 048323712_1
(315℃)的“挥发性的油页岩烃”或占主要部分的芳香烃(aromatic hydrocarbon)。此外，Prats指出了对在400-600的温度时“可泵抽吸的”(pumpable)流体的需求。然而他没有描述操作的细节和全油田实现的细节，而这些均为经济和优化实践的关键。实际上，Prats指出在两个井之间穿过地层的渗透性区域来循环流体，要优于此种设计。
在J.W.Marx等人的美国专利第2,813,583号中，描述了一种通过穿过水平支撑裂缝的并被加热到400-750
Figure 048323712_3
之间来循环蒸汽，采收稳定烃的方法。水平裂缝在两个竖直井之间形成。该专利描述了非水加热的使用，但也指出温度处于800-1000
Figure 048323712_4
之间是必要的，因此指出蒸汽或热水是优选的。该专利没有讨论涉及与使用水相关的无机垢和地层分解的问题，但如在本发明中所公开的，上述问题可通过使用烃类加热的流体而被避免。
在J.V.Vogel的美国专利第3,358,756号中，描述了一种类似于Marx的方法，其用于利用穿过井间水平裂缝的热循环，来采收稳定烃。Vogel建议在约950下，使用热苯来注入，并在至少在约650时采收。然而，苯是一种相当昂贵的物质，要是能购买就不会从产生的烃中来提取。因此，即使在从苯中分离销售产品时有少量的损耗，即：即使少量苯存留在销售产品中，都是不能被接受的。此专利中并没有描述高质量、成本有效地从开采的流体中分离苯的装置。
在Van Meurs等人的美国专利第4,886,118号中，描述了一种用于在温度大于600℃时，利用井筒加热器来进行页岩油现场开采的方法。该专利描述了是如何通过加热石油和天然气的地层，在原来不可渗透的油页岩中产生渗透性的。不同于本发明，该专利的井筒加热器只在有限的表面(即井的表面)提供热量，这就需要很高的温度和紧密的井间距，以向地层中注入足够的热能，促进适当快速熟化。高的局部温度阻碍了从加热注入井中开采石油，这就需要分出只开采的几套井。在S.L.Wellington等人的美国专利第6,581,684号中，扩展了Van Meurs专利中的观点，但没有专利提出利用穿过裂缝循环的热流体来加热。
有一些讨论优化现场干馏条件以获得具有优选的成份的石油和天然气的信息资源。D.J.Johnson的博士论文(DecompositionStudies of Oil Shale，University of Utah(1966))是早期但详尽的参考文献，对该论文的总结可以在期刊文章″Direct Production of a Low PourPoint High Gravity Shale Oil″，I&EC Product Research and Development，6(1)，52-59(1967)中找到。在其它发现中，Johnson发现增加压力会降低开采的石油的含硫量，而高含硫量是影响石油价值的关键缺陷。类似的结论在之后的A.K.Burnham和M.F. Singleton的文章”High-Pressure Pyrolysis of Green River Oil Shale，″Geochemistry andChemistry of Oil Shales：ACS Symposium Series(1983)中被描述。最近，S.L.Wellington等人的美国专利第6,581,684号以温度和压力函数的形式，给出了石油质量的相互关系。这些相互关系在低压(小于约300psia)情况下是适当依赖于压力的，但在更高压下这种依赖性就会低很多。因此，本发明优选较高的压力，根据Wellington的理论，压力的控制对硫的百分比没有影响。Wellington研究的主要是通过钻孔来加热页岩。
从诸如油页岩的、包含干酪根的岩石来开采石油和天然气，存在三个问题。第一，干酪根必须转化为可流动的石油和天然气。需要在相当大的区域内供给足够的热量，以使高温分解在合理的时间内发生，从而完成该转化过程；第二，在包含干酪根的、可能具有极低渗透性的岩石中，必须产生渗透性；以及第三，用过的岩石必须不会造成不适当的环境或经济的负担。本发明提供了一种方法，其经济地解决了所有这些问题。
发明内容
在一个实施方案中，本发明是一种用于深埋地下的、包含稳定烃的、不可渗透的、诸如油页岩的地层中，熟化和开采石油和天然气的现场方法，其包括以下步骤：
(a)压裂深地层的一个区域，制造出多个基本竖直的、平行的、被支撑的裂缝；
(b)在压力下将加热的流体注入到每个竖直裂缝的一部分中，并从每个裂缝的不同部分中回收注入的流体，以进行再加热和再循环；
(c)混合着注入的流体，采收通过加热矿床而熟化的石油和天然气。加热还导致烃类矿床渗透性的提高得足够高以使开采的石油和天然气流入裂缝中；
(d)从注入的流体中分离石油和天然气。
此外，本申请还描述了许多与上面描述的基础工序相兼容的增效特征。
附图说明
参考下面的详细描述以及附图，将可更好地理解本发明及其优点，其中：
图1是一幅流程图，其显示了本发明方法的主要步骤；
图2说明了从竖直井制造的竖直裂缝；
图3是一幅俯视图，其说明了与竖直井相关的竖直裂缝的一种可能的排列；
图4说明了插入到两个相交的扁平裂缝的竖直井的双层完井；
图5A说明了水平井与竖直裂缝的联合使用；
图5B是一幅俯视图，其说明了图5A中的配置为何对雁形裂缝具有稳健性；
图6说明了水平注入、开采以及裂缝井与相互平行的竖直裂缝垂直相交；
图7说明了通过两个较小的竖直裂缝的结合，来制造出一条在两个水平井之间的液流通道；
图8说明了对多个穿过长竖直裂缝的、双管水平井的完井的使用，从而允许加热的流体具有短液流通道；
图9将一般油页岩区域的模拟转换显示为时间的函数，其中典型的油页岩区域处于两个间隔25米的裂缝之间，温度为315℃；以及
图10显示了沿裂缝长度的、不同加热时间的预计变暖情况(warmup)。
本发明将结合它的优选实施例来被详细描述。然而，下面的细节描述的范围(extent)是特定于具体实施例的或特定于本发明的特定应用的，这仅仅是出于说明而非限定的目的。相反的，它将覆盖所有在本发明精神和范围内的、由所附权利要求定义的可选实施例、修正以及等同情况。
具体实施方式
本发明是一个现场方法，其用于从深埋地下的、包含稳定烃的、不可渗透的、诸如而非限定于油页岩的地层中，产生和采收石油和天然气。地层最初估计和确定为是基本上不可渗透的，这是为了阻止加热地层流体的损失，也可保护其不会对相邻含水层造成可能的污染。本发明包括对油页岩或其它稳定烃类源的现场熟化，其使用了穿过平行支撑着竖直裂缝的密井距(10-60米，更大或更小)循环的热液体或气体的注入(在本发明的一些实施例中，在裂缝入口出的大致温度范围是260-370℃)。在本发明的一些实施例中注入的加热的流体主要是超临界的“石脑油”，其是作为来自开采的分离物/蒸馏物而获得的。具有代表性地，这种流体将具有70-210个原子质量单位的平均分子重量。可选择地，所述加热的流体可以是其它烃类流体，或者是诸如饱和蒸汽的非烃类流体，该蒸汽的压强优选地在1200到3000psia(磅/平方英寸)之间。然而，蒸汽可能具有腐蚀性且存在无机垢的问题，较重的烃类流体趋向于具有较低的热稳定性。此外，诸如石脑油的流体可能持续地净化支撑剂中的污垢(见下文)，这在时间上减慢了渗透。热量被传导地传输到油页岩(使用油页岩作为示例)，油页岩基本上是不渗透流体的。产生的石油和天然气经过加热裂缝而被联合开采。需要可渗透性，以使产品流入由产生的石油和天然气以及热应力在岩石中产生的竖直裂缝中。25米区域的全熟化(full maturation)可期待发生在15年内，此过程中相对较低的温度限制了产生的石油裂解(crack)为气体，以及限制了从油页岩中的碳酸盐产生二氧化碳。主要目标资源是深层油页岩(大于约1000英尺)，以使压力对于注入的加热的流体的高体积热容量而言是足够的。这种深度在淡水含水层以下，可防止地下水的污染。
此外，本发明具有几个重要的特征，包括：
1)它避免了可能引起碳酸盐分解产生二氧化碳的高温(大于约400℃)和岩石塑性导致液流通道受阻。
2)通过与油页岩中自然层理面(bedding plane)充分平行地传输，最优化流动和热量扩散，这通过将竖直裂缝构造成加热和液流通道来实现。平行于层理面的热扩散比横穿层理面的热扩散高出达30％。这样，与水平裂缝相比，从加热的竖直裂缝将更快地把热量传输到地层中。而且，加热区域中产生的天然气将被导向水平裂缝的地层，水平裂缝提供渗透性通路。这些第二裂缝将为主要竖直裂缝提供良好的液流通道(通过相交)，但如果主要裂缝也是水平的，就不会提供这样的液流通道。
3)深地层(大于约1000英尺)是优选的。需要一定深度来提供足够的竖直-水平应力差，以允许构造间距很近的竖直裂缝。深度还提供足够的压力，以在所需温度下使注入的载热(heat-carrying)流体更稠密。此外，通过将高温分解区域置于含水层之下，深度减少了对环境的关注。
图1的流程图显示了本发明方法中的主要步骤。在步骤1中，深埋的油页岩(或其它烃)的矿床被压裂和支撑。从竖直井或水平井(图2显示了自竖直井22制造裂缝21)，使用诸如施加水压的、已知的制造裂缝方法(例如见Hydraulic Fracturing：再版号第28号，Society of Petroleum Engineers(1990))，来制造被支撑的裂缝。这些裂缝优选地平行并间隔开10-60米，以及更优选地间隔开15-35米。这将通常需要一定深度，其中竖直应力比最小的水平应力大至少100磅/平方英寸(psi)，以允许在不改变后来出现的裂缝方向的情况下，制造出数组平行的、具有指示间隔的裂缝。具有代表性地，这个深度大于1000英尺。使用至少2条，优选至少8条平行裂缝，以在所需的熟化温度以下，最小化注入的热量在底端区域中无效损耗的部分。裂缝被支撑，以在加热开始后保持液流通道的开放，加热会引起热膨胀并增加了闭合应力。有代表性地，支撑裂缝是通过将按尺寸分类的砂粒和工程颗粒连同压裂用流体，一起注入裂缝内来完成的。裂缝在低流量情况下的渗透性，应当限制为至少200达西，优选地限制为至少500达西。在本发明的一些实施例中，裂缝在进口和/或出口端被构造成具有更高渗透性(例如，通过改变使用的支撑剂)，以有助于注入的流体的均匀分布。在本发明的一些实施例中，用于制造裂缝的井还被用来注入加热的流体，以及回收注入的流体和产品。
与竖直井相关的裂缝的布置被交错用在本发明的一些实施例中，以最大化加热效率。而且，此交错使用减少了所引起的应力，以最小化相邻裂缝间的允许间隔同时保持平行定向。图3是一幅俯视图，其显示了竖直裂缝31这样的一种排列。
在图1的步骤2中，一种加热的流体被注入到至少一条竖直裂缝中，并通常在同一条裂缝中、从充分远离注入点的位置被回收，以使发生所需的向地层的传热。所述流体具有代表性地被表面加热炉和/或在锅炉中加热。注入和回收沿着可能是水平或竖直的井发生，其可能与用来制造裂缝的井相同。这些井将已经结合步骤1被钻出以产生裂纹。根据实施例，其它井不得不被钻到与步骤2相关的裂缝中。所述加热的流体可能是一种浓密蒸汽物质，该物质在环境表面(ambientsurface)条件下是一种液体。所述加热的流体优选地具有大于30000kJ/m3的体积热密度，以及更为优选地具有大于45000kJ/m3的体积热密度，其通过将在裂缝进口温度下的质量焓与在270℃下的质量焓之差，乘以裂缝进口温度下的质量密度来计算。受压的石脑油就是这种优选的加热的流体的一个例子。在本发明的一些实施例中，该加热的流体是所开采油页岩的沸点馏分。无论何时使用加热的烃流体，热量高温分解的降解半衰期应当在裂缝温度下被确定，其优选地为至少10天，以及更为优选地为至少40天。一种降解或焦化抑制剂可被添加到循环加热的流体中：例如，甲苯、1，2，3，4-四氢化萘(tetralin)、1，2，3，4-四氢喹啉或噻吩。
当使用除蒸汽以外的加热的流体时，注入流体的经济学考虑是需要可行地尽可能多地回收用于再加热和再循环流体。在其它实施例中，地层可在一段时间由一种流体所加热，接着再切换到另一种。例如，在开始时可能使用蒸汽来最小化在地层产生烃类之前，对输入石脑油的需求。可选择地，切换流体有益于去除在井中或裂缝中生成的水垢和污垢。
有效使用循环加热的流体的关键在于将液流通道保持较短(小于约200m，根据流体性质)，这是因为否则该流体就会在返回之前在实际高温分解温度以下冷却，这会导致每条裂缝部分上没有产出。尽管使用多条连接井的小而短的裂缝，可解决上述问题，但是从经济角度考虑，需要构造大的裂缝以及最小化井的数量。下面的实施例，均考虑的是在保证加热的流体具有可接受的短液流通道时，大裂缝的设计方案。
在本发明的一些实施例中，如示于图4的，竖直裂缝的液流通道是通过竖直双层完井41获得的，在其上面的完井42中，所述加热的流体从井筒的外环面经过射孔(perforation)被注入到地层中；在其下面的完井43中，冷却的流体被回收，在完井43冷却流体通过内导管44被送回到地面。竖直裂缝可通过两条或更多条“扁平”裂缝45和46的会聚而被制造。(Prats专利描述使用一条单独的裂缝)。这种处理方法可以通过显著减少压裂过程中所需的射孔数而简化和加快井完成的过程和速度。图5A说明了一个实施例，在其中裂缝51纵向沿水平井52布置，其被其它的水平井53分割。注入穿过一组井发生，并经过其它井回收。如图所示，井53可能用来将热流体注入到裂缝中，而井52用来使冷却的流体返回到地面再加热。井53竖直成对排列，每个对中的一个在回收井52之上，另一个在回收井52之下，这就趋于提供更均匀加热的地层。竖直井处理方法需要非常紧密的间隔(小于约0.5-1英亩(acre))，其对于环境敏感区域而言，或者仅仅由于经济的原因是不可被接受的。使用水平井极大地减少表面管道系统以及总的井占用面积。竖直井的优点可见于图5A，其中所描述的基本呈正方形的区域表面沿着一边具有注入井，并沿着相邻的一边具有回收井；但是该方形区域的内部却没有井。进入和回收加热路线被分开，其去除了双层完井的交叉换热的问题。在图5A中，裂缝可使用井52来产生，所制造的裂缝基本平行于产生的水平井。这种处理方法即使对于在图5B的俯视图中说明的雁形裂缝(即由于水平井52未精确地按照裂缝方向排列，而形成了非连续裂缝54)，也可提供稳健性；上述雁形裂缝在对地面下情况没有准确认识的情况下容易发生。
图6显示了一个实施例，在其中产生的竖直裂缝64与用来制造裂缝的水平井61基本垂直，但该水平井并不用来注入和采收。水平井62被用来注入加热的流体，该流体流下竖直裂缝，并经过水平井63流回到地面。其大小的显示代表了多个实施例中的一个。在这个实施例中，裂缝可间隔约25米的距离(没有显示所有的裂缝)。在可替换性实施例中(未示出)，钻的井可以以大致倾斜的角度与裂缝相交。(裂缝平面的定向由页岩内的应力来决定)。这个替换性实施例的优点在于井与裂缝平面相交，是以高度偏心的椭圆替代了圆，这增大了井和裂缝之间的液流面积，从而加强了热循环。
图7说明了本发明的一个实施例，在其中两条相交的裂缝71和72在两个水平井之间延伸和会聚。穿过其中一个井注入，并穿过另一个井来采收。两条裂缝的会聚增加了这样的可能性，即井73和74之间将具有需要的流通通道，而不是仅仅从一个井进行压裂并试图将裂缝与其它井相连或相交。
图8说明了一个实施例，其特征在于具有一条相对长的、被一个单独的水平井82横穿的裂缝81；所述水平井具有两条内部导管(或一根内导管和一个外环面区域)。所述井具有多个完井(示出了6个)，每个完井按照交替的顺序被在一根导管及另一根导管上制作。一根导管输送热流体，以及另一根导管回收冷却的流体。挡板(Barrier)被放置在井中，以隔离井的注入部分和井的回收部分。这种配置的一个优点在于它在保持热流体的液流通道83相对较短的情况下，使用了一个单独的、可能很长的水平井。此外，该配置不太会出现这样的情况：即裂缝的不连续或井与裂缝之间流通不良的位置将影响到整个流体循环。
由于井与裂缝相交的构造，所述裂缝被加压到高于钻井泥浆压力，以防止泥浆渗透到裂缝中损害它的渗透性。与传统的油气藏(hydrocarbon reservoir)或自然可渗透的油页岩不同，当目标地层基本上是不可渗透的时，对所述裂缝加压是可能的。
进入到裂缝中的流体优选地处于260-370℃之间：上述较高的温度是为了限制地层在高温下塑性变形的趋向，以及控制加热的流体高温分解的降解；上述较低温度限制是为了在合适时间内发生熟化。所述井可能需要进行隔热，以使该流体在不过多损失热量的情况下到达裂缝。
在本发明的优选实施例中，液流在穿过大部分裂缝区域时是强非达西的(即Ergun方程中的v2项对压力下降的贡献超过25％)，其促进了液流在裂缝中更均匀的分布，并抑制了窜槽。这个标准意味着要选择可以给予高密度和低粘度的循环液流组合物和条件，以及大的支撑剂颗粒尺寸。Ergun方程在用于计算通过颗粒的填充床的压力下降非常有名，该方程如下：
dP/dL＝[1.75(1-ε)ρv2/(ε3d)]+[150(1-ε)2μv/(ε3d2)]
其中P是压力，L是长度，ε是孔隙度，ρ是流体密度，v是表观液流速度(superficial flow velocity)，μ是流体粘度，以及d是颗粒直径。
在优选实施例中，裂缝中的流体压力在大多数时间内，保持大于50％的裂缝开口压力(fracture opening pressure)，并且优选地大于80％的裂缝开口压力，以最大化流体密度和最小化地层蠕变的和降低裂缝中液流容量的趋势。这个压力的保持是通过设定注入压力来实现的。
在图1的步骤3中，开采的石油和天然气混合着加热的流体被采收。尽管页岩最初基本上是不可渗透的，但这是会变化的，随着地层温度由于来自注入流体的传热而上升，页岩的渗透性会提高。渗透性的提高是由于干酪根熟化转化为石油和天然气而膨胀引起的，并最终导致页岩中的小裂缝，在被施加的压力差作用下，小裂缝使石油和天然气移动到流体回收管道。在步骤4中，石油和天然气从注入的流体中被分离出来，其在地面进行是最为便利的。在本发明的一些实施例中，当达到足够的产量以后，来自开采的流体分离物或蒸馏物部分可被当作是注入的流体的组成部分来使用。在稍晚的、预期为约15年的时候，尽管油页岩可继续熟化并产生石油和天然气，但热量的加入可被停止，这使得达到热平衡成为可能以使温度分布均匀。
出于环境的原因，油藏截面的修补物(patchwork)以非熟化状态保留下来，以作为支撑物来缓解由于开采所带来的下沉。
上面描述的方法基于模型计算，预期所有的干酪根将在约15年之内完成转换。图9显示了作为时间的函数的建模的干酪根转换(转换为石油、天然气，以及焦炭)，其用于典型的间隔为25米、温度保持在315℃的两条裂缝之间的油页岩区域。假定30加仑/吨，在一个100米×100米的加热区域内，假定为70％采收率时的平均产量约为56BPD(桶每天)。加热所需的循环石脑油的估计量为2000kg/mwidth(米宽度)/天，其中对于100m米宽的裂缝为1470BPD。
图10显示了同一系统的裂缝预计变暖情况。裂缝的入口加热起来很快，但需要很多年才能使其远端被加热到250℃。这一性能是由于循环流体在其穿过裂缝时损失热量所造成的。平坦曲线101显示了在加热的流体引入前沿着裂缝的温度分布。曲线102显示了加热0.3年后的温度分布；曲线103是0.9年之后的温度分布；曲线104是1.5年之后的温度分布；曲线105是3年之后的温度分布；曲线106是9年之后的温度分布；曲线107是15年之后的温度分布。
示于图9和10中的加热性能通过数值模拟来计算。具体地说，裂缝中的热流被计算和跟踪，由于注入的热流体向地层损失热量而被冷却，这导致了裂缝的温度在空间上的不均匀。干酪根的熟化速率被建模为一阶反应，其速率常数为7.34×109s-1(秒-1)，活化能为180kJ/mole(千焦/摩尔)。作为示例显示，加热的流体被假定具有恒定热容量3250J/kg℃，并且地层具有的热扩散系数为0.035米2/天。
之前的描述针对本发明的具体实施例说明性地描述了本发明。然而，对于本领域技术人员而言，对此处所描述的实施例的许多改进和变换都是显然的。例如，一些附图中显示的是单条裂缝，这是出于简化说明的目的。在本发明的优选实施例中，出于效率的原因，至少8条平行的裂缝被使用。类似地，一些附图显示了加热的流体在裂缝的较高点被注入，在较低点被收集，这也不是对本发明的一种限制。此外，液流可以被周期性地反向，以更均匀地加热地层。所有这些修正和变化，都在由所附权利要求限定的本发明的保护范围之内。

Claims (28)

1.一种用于从深埋地下的、包含稳定烃的不可渗透的地层中，熟化和开采石油和天然气的现场方法，其包括以下步骤：
(a)压力压裂含烃地层的一个区域，制造出多条基本竖直的、被支撑的裂缝；
(b)在压力下将加热的流体注入到每条竖直裂缝的第一部分中，并从每条裂缝的第二部分中回收所注入的流体，以进行再加热和再循环；所述注入压力低于所述裂缝开口压力；所述注入的流体被充分加热，以便进入每条裂缝的流体温度至少达到260℃但不高于370℃；以及在每条裂缝的所述第一和第二部分之间的间距小于或大致等于200米；
(c)在含烃地层的区域内，混合着所述注入的流体采收熟化的石油和天然气，是依靠所述注入的流体加热所述区域来完成的；这种加热还导致所述地层渗透性的增加，从而使石油和天然气流入所述裂缝之中；以及
(d)从所述回收的注入的流体中分离开采的石油和天然气。
2.根据权利要求1所述的方法，其中所述含烃地层是油页岩。
3.根据权利要求1所述的方法，其中所述裂缝基本平行。
4.根据权利要求3所述的方法，其中至少制造8条裂缝，这些裂缝在10-60米的距离范围内基本均匀地间隔开，支撑所述裂缝使其具有至少200达西的渗透性。
5.根据权利要求1所述的方法，其中至少使用一个井来制造所述裂缝，并从所述裂缝注入和回收所述加热的流体。
6.根据权利要求5所述的方法，其中所有的井是竖直井。
7.根据权利要求5所述的方法，其中所有的井是水平井。
8.根据权利要求5所述的方法，其中用来制造裂缝的井还被用于注入和回收。
9.根据权利要求5所述的方法，其中所述注入井和回收井在每条裂缝上具有多个完井，至少一个完井被用于注入所述加热的流体，以及至少一个完井被用来回收所述注入的流体。
10.根据权利要求9所述的方法，其中所述注入完井和回收完井被周期性地反向，以产生横穿所述裂缝的更均匀温度分布。
11.根据权利要求5所述的方法，其中所述井基本位于与它们相关的裂缝的平面内。
12.用权利要求5所述的方法，其中所述裂缝的平面基本平行，并且所述井是水平的，并基本垂直于所述裂缝的平面。
13.根据权利要求1所述的方法，其中所述注入的流体具有至少30000kJ/m3(千焦/米3)的体积热密度，其通过将在所述裂缝的进口温度下的质量焓与在270℃下的质量焓之差，乘以在所述裂缝进口温度下的质量密度来计算。
14.根据权利要求13所述的方法，其中所述注入的流体是烃类。
15.根据权利要求14所述的方法，其中所述烃类是石脑油。
16.根据权利要求14所述的方法，其中注入的烃类流体是从所述采收的石油和天然气中获得。
17.根据权利要求13所述的方法，其中所述注入的流体是水。
18.根据权利要求1所述的方法，其中所述注入的流体是饱和水蒸气，以及所述注入压力在1200-3000psia的范围之内，但不超过所述裂缝开口压力。
19.根据权利要求1所述的方法，其中所述地层的加热区域的深度至少是1000英尺。
20.根据权利要求1所述的方法，其中所述含烃地层继续加热，至少到横穿每条裂缝的温度分布基本不变为止。
21.根据权利要求1所述的方法，其中所述含烃地层的加热区域的深度低于最深埋的含水层，以及所述含烃地层的部分的修补物保持不被加热，以作为支撑物来阻止下沉。
22.根据权利要求1所述的方法，其中，在每条裂缝中，所述流体的压力至少保持是所述裂缝开口压力的50％。
23.根据权利要求1所述的方法，其中，在每条裂缝中，所述流体的压力至少保持是所述裂缝开口压力的80％。
24.根据权利要求1所述的方法，其中所述注入的流体贯穿每条裂缝的非达西流动基本保持在一定程度，该程度是使Ergun方程中的速度平方项对由此方程计算的压力下降的贡献至少为25％。
25.根据权利要求5所述的方法，其中在与裂缝相交的井被钻时，对所述裂缝施加大于钻井泥浆压力的压力。
26.根据权利要求1所述的方法，其中一种降解或炼焦抑制剂被加入到所述注入的流体中。
27.根据权利要求1所述的方法，其中要被压裂的所述含烃区域位于地表以下大约1000英尺或更深。
28.根据权利要求2所述的方法，其中要被压裂的所述油页岩区域位于地表以下大约1000英尺或更深。
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