專利名稱：用于單井溶解采礦的裝置、方法和系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及地下材料的溶解采礦。下面對(duì)所述應(yīng)用于開采天然堿的溶解采礦發(fā)明進(jìn)行論述，但是本溶解采礦發(fā)明可應(yīng)用于所有地下材料的開采中。
背景技術(shù)：
地下材料天然堿，也稱為天然純堿，就是碳酸鈉和碳酸氫鈉的結(jié)晶體形式，也被叫做碳酸氫三納，其分子式為Na2CO3·NaHCO3·2H2O。在世界范圍內(nèi)，天然堿礦床非常稀少，但是，世界上已知的最大礦床位于美國(guó)懷俄明州西南部的Green River Basin內(nèi)。在埃及的孟菲斯和尼羅河峽谷下游(Lower Nile Valley)附近和非洲、美洲及伊朗的所有堿湖、以及蒙古和西藏的堿性沙漠內(nèi)發(fā)現(xiàn)了規(guī)模較小的天然堿礦床。天然堿的主要最終產(chǎn)品就是純堿。實(shí)際上，懷俄明州處理過的純堿占美國(guó)總產(chǎn)量的90％，占世界供應(yīng)量的30％。天然堿的其它最終產(chǎn)品包括碳酸氫鈉、苛性鈉、亞硫酸鈉、氰化鈉和磷酸鈉。需要提供一種用于從天然礦床中開采天然堿的改進(jìn)型和低成本的方法。
采礦是一種用于分離地下材料的古老方法，例如天然堿、蘇打石、碳鈉鋁石、碳?xì)溻c石、水堿、鈣水堿、泡堿、單斜納鈣石、碳鈉鈣石、巖鹽和其它鹽類、礦物等。但是，許多地下材料的礦床不能進(jìn)行商業(yè)回采，而只能通過地下機(jī)械式開采或溶解式開采。例如，不足10％的已知天然堿礦床能夠進(jìn)行商業(yè)化的地下機(jī)械式開采，并且天然堿的溶解開采不經(jīng)濟(jì)。
地下機(jī)械式開采需要開掘出多條深井，這樣才能夠?qū)⒌叵虏牧先〕觯绻枰_采更多的材料，那么就需要挖掘更深的礦井。此外，機(jī)械式開采的勞動(dòng)強(qiáng)度很大。而且，機(jī)械式開采的操作環(huán)境也很危險(xiǎn)。
在將材料提升到地面后，需要對(duì)材料進(jìn)行煅煉處理，以除去易揮發(fā)的成分，例如二氧化碳。煅煉是一種能耗高的處理工序，這種處理工序影響著機(jī)械式開采的經(jīng)濟(jì)性。煅煉后，經(jīng)過煅煉的材料在水溶液中進(jìn)行再結(jié)晶，并將其收集在一起、進(jìn)行烘干，以備對(duì)其進(jìn)一步處理或運(yùn)輸。
溶解開采是機(jī)械式開采的替代方法，但是已經(jīng)證明溶解開采并不具有所需的經(jīng)濟(jì)性。地下材料的溶解開采，尤其是天然堿的溶解開采可以利用熱水或堿性溶液。例如，美國(guó)專利No.2388009(Pike)公開了將熱水或熱的碳酸鹽溶液用作開采流體。也可參見美國(guó)專利No.2625384(Pike等人)、2847202(Pullen)、2979315(Bays)、3018095(Redlinger)、3050290(Caldwell等人)、3086760(Bays)以及美國(guó)專利No.3184287(Gancy)、3405974(Handley等人)、美國(guó)專利No.3952073(Kube)、美國(guó)專利No.4283372(Frint等人)、4288419(Copenhafer等人)和美國(guó)專利No.4344650(Pinsky等人)，這些文獻(xiàn)的內(nèi)容作為參考引用到本文中。這些內(nèi)容和其它文獻(xiàn)公開的溶解開采方法披露了采用下列兩種或更多種影響商業(yè)可行性的經(jīng)濟(jì)耗費(fèi)因素高溫高壓煅燒、高壓水砂破裂法(“壓裂法”)和兩個(gè)井口，其中一個(gè)井口用于注射，另一井口用于生產(chǎn)，參見授權(quán)給Rosar等人的美國(guó)專利No.4815790；授權(quán)給Pinsky等人的美國(guó)專利No.4344650；授權(quán)給Fujita等人的美國(guó)專利No.4252781；授權(quán)給Poncha等人的美國(guó)專利No.4022868；授權(quán)給Gancy等人的美國(guó)專利No.4021526；和授權(quán)給Poncha等人的美國(guó)專利No.4021525，這些文獻(xiàn)的內(nèi)容作為參考引用到本文中來(lái)。壓裂法在很少的情況下僅僅將需要開采的材料壓碎，要注射熱水或堿性溶液來(lái)溶解其它材料，包括鹽和污染物，并且污染在生產(chǎn)井口收集的地下材料產(chǎn)品。將已被污染的地下材料收集起來(lái)是另一個(gè)影響溶解開采法的商業(yè)可行性的經(jīng)濟(jì)耗費(fèi)。
除了可利用溶解開采法來(lái)開采天然堿之外，一些美國(guó)專利還公開了利用溶解開采法開采蘇打石(主要成分為NaHCO3)的方法。例如，美國(guó)專利No.3779602(Beard等人)、美國(guó)專利No.3792902(Towell等人)、美國(guó)專利No.3952073(Cube)和美國(guó)專利No.4283372(Frint等人)均公開了利用堿性溶解開采法開采蘇打石和碳?xì)溻c石(主要成分為Na2CO3·3NaHCO3)，這些文獻(xiàn)作為參考引用到本文中來(lái)。但是，與天然堿的溶解開采法一樣，這些蘇打石和碳?xì)溻c石的溶解回采方法也具有商業(yè)可行性的經(jīng)濟(jì)耗費(fèi)。
因此，就需要利用改進(jìn)的、更加有效的方法和系統(tǒng)來(lái)對(duì)地下材料進(jìn)行改進(jìn)的溶解開采。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明是一種對(duì)地下材料進(jìn)行溶解開采的方法、系統(tǒng)和裝置。根據(jù)本發(fā)明的第一方面，提供一種用于對(duì)地下材料進(jìn)行溶解開采的方法，該方法包括將流體注射到一個(gè)肘形井筒內(nèi)，流體與地下材料形成了一種地下混合物，將肘形井筒內(nèi)的地下混合物收集起來(lái)。根據(jù)本發(fā)明的另一方面，提供一種用于對(duì)地下材料進(jìn)行溶解開采的系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括一個(gè)用于將一種流體注入到一個(gè)肘形井筒內(nèi)的裝置，該流體與地下材料形成了一種地下混合物，和一個(gè)用于將肘形井筒內(nèi)的地下材料收集起來(lái)的裝置。根據(jù)本發(fā)明的又一方面，提供一種用于對(duì)地下材料進(jìn)行溶解開采的裝置，該裝置包括一個(gè)注射管，其中該注射管具有足夠大的內(nèi)徑，以能夠注射開采地下材料所用的流體。該裝置還包括一個(gè)生產(chǎn)套管，其中該生產(chǎn)套管具有足夠大的內(nèi)徑，以能夠在注射管的外表面與生產(chǎn)套管的內(nèi)表面之間生產(chǎn)出流體與地下材料的地下混合物。


圖1為鉆入地下材料巖層中的肘形下套管井筒的示意圖，其中肘形井筒包括一個(gè)注射管、一個(gè)生產(chǎn)套管和一個(gè)與一泵相連接的生產(chǎn)套管，以利于將空腔內(nèi)的地下混合物提升到一個(gè)收集位置，在本文中，該收集位置就是地面。
圖2為肘形井筒內(nèi)的初始空腔的剖視圖。
圖3為肘形井筒內(nèi)的空腔的剖視圖，其中該空腔大于圖2所示的空腔。
圖4為肘形井筒內(nèi)的空腔的剖視圖，其中該空腔大于圖3所示的空腔。
對(duì)本發(fā)明實(shí)施例的詳細(xì)說(shuō)明本發(fā)明所公開的溶解開采是一種用于對(duì)地下材料進(jìn)行溶解開采的裝置、方法和系統(tǒng)，地下材料例如可以是天然堿、蘇打石、碳鈉鋁石、碳?xì)溻c石、水堿、鈣水堿、泡堿、單斜納鈣石、碳鈉鈣石、巖鹽和其它鹽類、礦物等。盡管這些詳細(xì)的說(shuō)明主要是針對(duì)地下材料的天然堿進(jìn)行的，但應(yīng)該理解所述用于溶解開采的裝置、方法和系統(tǒng)適用于所有可溶解開采的地下材料。
在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，如圖1所示，在正被開采的地下材料25的礦床30上鉆有一個(gè)肘形井筒15。肘形井筒15是一個(gè)起始于地面70的井筒，該井筒在沿水平方向鉆孔前首先沿垂直方向鉆孔。盡管肘形井筒15不必與人類的肘部形狀相類似，但有一個(gè)垂直部分最終轉(zhuǎn)向水平部分。對(duì)于天然堿而言，估算出的開采深度160為地面70以下2000英尺。注射管45和成品管60a設(shè)置在肘形井筒15內(nèi)，其中在注射管45的一個(gè)實(shí)例中采用了 J55型管道，但在不偏離本發(fā)明的范圍內(nèi)，本領(lǐng)域的技術(shù)人員也可以采用其它尺寸和型號(hào)的管道。一種流體10被注入到注射管45內(nèi)，其中流體10與地下材料25發(fā)生反應(yīng)，生成了一種混合物55(例如一種溶液)和一個(gè)空腔50?；旌衔?5在注射管45與生產(chǎn)套管60b之間流動(dòng)。在另一實(shí)施例中，一個(gè)泵140與成品管60a相連接，以利于將混合物55提升到收集點(diǎn)65(在這里，收集位置就是地面70)。
在本發(fā)明的許多實(shí)施例中無(wú)需采用壓裂處理，因?yàn)樽⑸涔?5、生產(chǎn)套管60b和成品管60a位于同一井筒15內(nèi)。在某些實(shí)施例中，肘形井筒15在地下材料25的礦床30內(nèi)的直線長(zhǎng)度155大于3000英尺。
根據(jù)本發(fā)明的另一實(shí)施例，見圖2-4，當(dāng)將更多的流體10注入到井筒15內(nèi)，從而使更多的地下材料25產(chǎn)生溶解時(shí)，空腔50會(huì)逐漸擴(kuò)展。該空腔50從肘形井筒15的端部向外擴(kuò)展，這樣，空腔50就會(huì)朝井筒15反向擴(kuò)展。如果空腔50的崩塌或其它障礙物降低了混合物55的流量，那么在某些實(shí)施例中，就需要在注射管45上打孔，以能夠收集到更多的混合物55?；蛘?，不是用打孔，而是將注射管45部分抽出，直到將坍塌處的巖屑清理干凈，而且混合物55的流量提高到允許的水平。
高壓操作可能使混合物55中的材料25在被收集到地下材料混合物55中之前就已經(jīng)排出。但是，低壓操作又會(huì)降低地下材料25的總收集量，因?yàn)榭涨?0可能過早地坍塌。為避免出現(xiàn)這些問題，就需要對(duì)井筒壓力的選擇進(jìn)行觀測(cè)。目前，除了試驗(yàn)和誤差之外，沒有任何已知的經(jīng)驗(yàn)方法能夠作出這種選擇。但是，可以相信下面的壓力和流速至少對(duì)于天然堿是可接受的深度為2000英尺，空腔50內(nèi)的壓力為800-900磅/英寸(psi)，流速為200-300加侖/分鐘(gal/min)。
在本發(fā)明的又一實(shí)施例中，地下材料25可從主要包括下述成分的材料中選取天然堿、碳鈉鋁石、碳?xì)溻c石、蘇打石、水堿、鈣水堿、泡堿、單斜納鈣石、碳鈉鈣石、巖鹽和其它鹽類、礦物等。
在不同的實(shí)施例中，流體10可從主要包括下述成分的物質(zhì)中選取水、腐蝕性混合物、碳酸鈉溶液，或其它任何能夠與待開采的地下材料25發(fā)生機(jī)械和/或化學(xué)反應(yīng)、從而生產(chǎn)出能夠通過成品管60a從生產(chǎn)套管60b內(nèi)取出的混合物55的流體10。這樣的流體10對(duì)于本領(lǐng)域的技術(shù)人員而言是顯而易見的。在某些實(shí)施例中，該流體10是加熱的。
在又一實(shí)施例中，混合物55例如可通過與生產(chǎn)套管60a連接在一起的泵140的泵送作用而被提升出來(lái)，而且將混合物55輸送至收集位置65，例如輸送至地面70。根據(jù)一個(gè)實(shí)施例，合格的泵140包括電動(dòng)潛水離心泵，例如由Baker Hughes Centrilift公司制造的泵140。此外，泵140被安裝在地下材料25的礦床30上方，即設(shè)置在開采區(qū)上方。例如，對(duì)于天然堿而言，泵140在某些實(shí)施例中可被安裝位于地面70下方約1100英尺處的肘形井筒15內(nèi)。其它可應(yīng)用于本發(fā)明中的泵140包括由地面70上的泵桿驅(qū)動(dòng)的活塞/氣缸泵。本領(lǐng)域的技術(shù)人員也可以采用其它可應(yīng)用于本發(fā)明中的泵140。
上面已經(jīng)對(duì)本發(fā)明的實(shí)施例作出了說(shuō)明，但是應(yīng)該清楚本領(lǐng)域的技術(shù)人員可對(duì)本發(fā)明作出各種變形、修改和改進(jìn)。雖然沒有在上文中加以詳細(xì)說(shuō)明，但是這些變形、修改和改進(jìn)仍然落入本發(fā)明的保護(hù)范圍內(nèi)。因此，上述內(nèi)容僅僅是說(shuō)明性的，并非是限制性的；本發(fā)明僅由所附的權(quán)利要求書及其等同物來(lái)限制和限定。
權(quán)利要求
1.一種對(duì)地下材料進(jìn)行溶解開采的方法，該方法包括將一種流體注射到一個(gè)肘形井筒內(nèi)，該流體與地下材料形成了一種地下混合物；和將肘形井筒內(nèi)的地下混合物收集起來(lái)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其特征在于所述地下材料包括天然堿。
3.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，還包括制造一個(gè)肘形井筒。
4.根據(jù)權(quán)利要求3的方法，其特征在于所述制造肘形井筒的步驟包括在一個(gè)包括地下材料的礦床內(nèi)鉆出一個(gè)肘形井筒。
5.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其特征在于所述方法包括對(duì)所述肘形井筒下套管的步驟。
6.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其特征在于所述注射流體的步驟還包括將該流體注射到一個(gè)位于肘形井筒內(nèi)的注射管內(nèi)。
7.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其特征在于所述方法還包括形成一個(gè)空腔的步驟，其中所述空腔包含地下材料。
8.根據(jù)權(quán)利要求7的方法，其特征在于在完成所述注射流體的步驟后，所述空腔包含地下材料的混合物。
9.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其特征在于所述地下混合物包括一種地下溶液。
10.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其特征在于所述流體包括水。
11.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其特征在于所述流體包括一種腐蝕性混合物。
12.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其特征在于所述方法還包括對(duì)流體進(jìn)行加熱的步驟。
13.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其特征在于所述收集地下混合物的步驟還包括通過一個(gè)設(shè)置在肘形井筒內(nèi)的成品管收集地下混合物。
14.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其特征在于所述收集地下混合物的步驟包括對(duì)地下混合物進(jìn)行泵送。
15.根據(jù)權(quán)利要求14的方法，其特征在于所述對(duì)地下混合物進(jìn)行泵送的步驟包括通過成品管提升所述地下混合物。
16.根據(jù)權(quán)利要求15的方法，其特征在于所述方法還包括將所述地下混合物輸送至一個(gè)收集位置。
17.根據(jù)權(quán)利要求16的方法，其特征在于所述收集位置包括地面。
18.根據(jù)權(quán)利要求14的方法，其特征在于所述方法還包括將一個(gè)泵安置在肘形井筒內(nèi)。
19.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其特征在于所述方法在環(huán)境井壓的條件下實(shí)施。
20.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其特征在于所述方法還包括在收集所述地下材料后對(duì)地下混合物進(jìn)行處理。
21.一種用于對(duì)地下材料進(jìn)行溶解開采的系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括用于將一種流體注入到一個(gè)肘形井筒內(nèi)的裝置，該流體與地下材料形成了一種地下混合物；和用于收集肘形井筒內(nèi)的地下混合物的裝置。
22.根據(jù)權(quán)利要求21的系統(tǒng)，其特征在于所述地下材料包括天然堿。
23.根據(jù)權(quán)利要求21的系統(tǒng)，還包括用于制造所述肘形井筒的裝置。
24.根據(jù)權(quán)利要求23的系統(tǒng)，其特征在于所述用于制造肘形井筒的裝置包括用于將所述肘形井筒鉆入一個(gè)包括地下材料的礦床內(nèi)的裝置。
25.根據(jù)權(quán)利要求21的系統(tǒng)，其特征在于所述系統(tǒng)包括用于對(duì)所述肘形井筒下套管的裝置。
26.根據(jù)權(quán)利要求21的系統(tǒng)，其特征在于所述用于注射流體的裝置還包括一個(gè)設(shè)置在所述肘形井筒內(nèi)的注射管。
27.根據(jù)權(quán)利要求21的系統(tǒng)，其特征在于所述地下混合物包括一種地下溶液。
28.根據(jù)權(quán)利要求21的系統(tǒng)，其特征在于所述流體包括水。
29.根據(jù)權(quán)利要求21的系統(tǒng)，其特征在于所述流體包括一種腐蝕性混合物。
30.根據(jù)權(quán)利要求21的系統(tǒng)，其特征在于所述系統(tǒng)還包括用于對(duì)所述流體進(jìn)行加熱的裝置。
31.根據(jù)權(quán)利要求21的系統(tǒng)，其特征在于所述用于收集地下混合物的裝置包括用于泵送所述地下混合物的裝置。
32.根據(jù)權(quán)利要求31的系統(tǒng)，其特征在于所述系統(tǒng)還包括用于將一個(gè)泵安置在所述肘形井筒內(nèi)的裝置。
33.根據(jù)權(quán)利要求31的系統(tǒng)，其特征在于所述系統(tǒng)還包括用于將地下混合物輸送到一個(gè)收集位置上的裝置。
34.根據(jù)權(quán)利要求33的系統(tǒng)，其特征在于所述收集位置包括地面。
35.根據(jù)權(quán)利要求21的系統(tǒng)，其特征在于所述系統(tǒng)是在環(huán)境井壓的條件下實(shí)施的。
36.根據(jù)權(quán)利要求21的系統(tǒng)，其特征在于所述系統(tǒng)還包括在所述用于收集地下混合物的裝置之后對(duì)地下混合物進(jìn)行處理的裝置。
37.一種用于對(duì)地下材料進(jìn)入溶解開采的裝置，該裝置包括一個(gè)注射管，其中該注射管的內(nèi)徑尺寸足夠大，以能夠注射一種開采地下材料所用的流體；和一個(gè)生產(chǎn)套管，其中該生產(chǎn)套管的內(nèi)徑尺寸足夠大，以能夠在注射管的外表面與生產(chǎn)套管的內(nèi)表面之間生產(chǎn)出由所述流體與地下材料組成的地下混合物。
38.根據(jù)權(quán)利要求37的裝置，還包括一個(gè)用于收集地下混合物的成品管。
39.根據(jù)權(quán)利要求38的裝置，還包括一個(gè)與所述生產(chǎn)通道相連接的泵。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種用于對(duì)地下材料進(jìn)行溶解開采的方法、系統(tǒng)和裝置，而地下材料例如可以是天然堿、蘇打石、水堿、鈣水堿、泡堿、碳鈉鋁石、碳?xì)溻c石、單斜鈉鈣石、碳鈉鈣石、巖鹽和其它鹽類、礦物等。該方法包括將一種流體注入到一個(gè)肘形井筒內(nèi)，該流體與地下材料形成了一種地下混合物，將肘形井筒內(nèi)的地下混合物收集起來(lái)。該系統(tǒng)包括一個(gè)用于將一種流體注入到一個(gè)肘形井筒內(nèi)的裝置，該流體與地下材料形成了一種地下混合物，和用于將肘形井筒內(nèi)的地下混合物收集起來(lái)的裝置。該裝置還包括一個(gè)生產(chǎn)套管，該生產(chǎn)套管的內(nèi)徑要足夠大，以能夠在注射管的外表面與生產(chǎn)套管的內(nèi)表面之間生產(chǎn)出由流體與地下材料組成的地下混合物。
文檔編號(hào)E21B43/28GK1564904SQ02819796
公開日2005年1月12日 申請(qǐng)日期2002年8月9日 優(yōu)先權(quán)日2001年8月9日
發(fā)明者N·布朗, K·尼塞爾羅德 申請(qǐng)人:阿納達(dá)科石油公司