專利名稱：原位熱解的井筒機(jī)械完整性的制作方法
原位熱解的井筒機(jī)械完整性相關(guān)申請(qǐng)的交叉參考本申請(qǐng)要求保護(hù)2010年8月30日提交的名稱為WELLBORE MECHANICAL INTEGRITYFOR IN SITU PYROLYSIS (原位熱解的井筒機(jī)械完整性)的美國(guó)臨時(shí)專利申請(qǐng)61/378，278的優(yōu)先權(quán)權(quán)益，其全部?jī)?nèi)容被引入本文作為參考。背景本節(jié)意圖介紹本領(lǐng)域的多個(gè)方面，這可與本公開的示例性實(shí)施方式相關(guān)。這樣的討論被認(rèn)為有助于提供框架，從而有助于更好地理解本公開的具體方面。因此，應(yīng)當(dāng)理解的是，本章應(yīng)在此前提下閱讀，而不一定作為對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的承認(rèn)。領(lǐng)域本發(fā)明涉及烴類自地下地層回收的領(lǐng)域。更具體地，本發(fā)明涉及烴流體自有機(jī)物富集巖石地層的原位回收，該有機(jī)物富集巖石地層包括，例如，油頁巖地層、煤地層和浙青砂地層。技術(shù)概述已知某些地質(zhì)地層包含被稱為“干酪根”的有機(jī)物。干酪根是固態(tài)含碳物質(zhì)。當(dāng)干酪根嵌入巖石地層中時(shí)，該混合物被稱為油頁巖。這是真實(shí)的，而無論該礦物事實(shí)上是否在技術(shù)上是頁巖，即主要由壓實(shí)粘土形成的巖石。干酪根在暴露于熱一段時(shí)間后進(jìn)行分解。在加熱后，干酪根分解成較小的分子，以生成油、氣和含碳焦炭。還可生成少量水。油、氣和水流體在巖石基質(zhì)中具有移動(dòng)性，而含碳焦炭基本上保持固定性。 油頁巖地層在世界范圍內(nèi)的多個(gè)區(qū)域被發(fā)現(xiàn)，包括美國(guó)。這種地層尤其被發(fā)現(xiàn)于懷俄明州(Wyoming)、科羅拉多州(Colorado)和猶他州(Utah)。油頁巖地層傾向于存在于相對(duì)較淺的深度，并且其特征通常為有限的滲透性。一些認(rèn)為油頁巖地層是烴沉積物，其還未經(jīng)歷產(chǎn)生常規(guī)油和氣儲(chǔ)量所需的數(shù)年的熱和壓。干酪根分解生成移動(dòng)性烴類的速率具有溫度依賴性?；巨D(zhuǎn)化可能需要總體上超過270°C(518° F)的溫度經(jīng)過至少數(shù)月的過程。溫度越高，可在越短的時(shí)間內(nèi)發(fā)生基本轉(zhuǎn)化。當(dāng)干酪根被加熱至必要的溫度時(shí)，化學(xué)反應(yīng)使形成固態(tài)干酪根的較大分子分解為較小的油和氣分子。熱轉(zhuǎn)化過程被稱為熱解或干餾。多年來已進(jìn)行從油頁巖地層提取油的嘗試。地表處的近地表油頁巖已被開采和干餾超過一個(gè)世紀(jì)。1862年，James Young開始加工蘇格蘭油頁巖。該工業(yè)持續(xù)了約100年。通過地表開采的商業(yè)油頁巖干餾也已在其他國(guó)家進(jìn)行。這些國(guó)家包括澳大利亞、巴西、中國(guó)、愛沙尼亞、法國(guó)、俄羅斯、南非、西班牙、約旦和瑞典。但是，該實(shí)踐在近年來已基本上廢止，因?yàn)槠浔蛔C明是不經(jīng)濟(jì)的，或因?yàn)殛P(guān)于頁巖廢渣處理的環(huán)境制約。(參見T. F. Yen, andG. V. Chilingarian, “Oil Shale, ” Amsterdam, Elsevier, ρ· 292,其全部公開內(nèi)容被引入本文作為參考)。進(jìn)一步，地表干餾需要開采油頁巖，這使該具體應(yīng)用限制于極淺的地層。在美國(guó)，自1900年代早期就已知西北部的科羅拉多州存在油頁巖沉積物。數(shù)個(gè)研究項(xiàng)目已時(shí)而在該區(qū)域進(jìn)行。關(guān)于油頁巖生產(chǎn)的多數(shù)研究在1900年代的后半段實(shí)施。這種研究大部分關(guān)于頁巖油地質(zhì)學(xué)、地球化學(xué)和在地表設(shè)施中的干餾。1947年，美國(guó)專利號(hào)2，732，195被授予Fredrik Ljungstrom0該專利，名稱為“Method of Treating Oil Shale and Recovery of Oil and Other Mineral ProductsTherefrom”，提出將高溫下的熱原位應(yīng)用于油頁巖地層。這種原位加熱的目的是使烴類蒸餾并將其生產(chǎn)至地表?！?95Ljungstrom專利被引入本文作為參考。Ljungstrom創(chuàng)造了短語“熱供應(yīng)渠道”以描述鉆入地層的井眼。井眼中容納電熱導(dǎo)體，其將熱傳遞至周圍的油頁巖。因此，熱供應(yīng)渠道充當(dāng)早期熱注入井。熱注入井中的電加熱元件被布置在砂巖或水泥或其他導(dǎo)熱性材料中，以使熱注入井將熱傳遞到周圍的油頁巖中。根據(jù)Ljungstrom,地下“集合體”在一些應(yīng)用中被加熱至500°C至1，000°C之間。與熱注入井一起，毗鄰于熱注入井完成流體生產(chǎn)井。隨著干酪根在熱傳導(dǎo)進(jìn)入集合體或巖石基質(zhì)后熱解，熱解油和氣將通過鄰近的生產(chǎn)井得到回收。Ljungstrom通過Swedish Shale Oil Company施用其自受熱井筒的熱傳導(dǎo)方法。全規(guī)模工廠建立，從1944年運(yùn)行至1950年代。(參見G. Salamonsson, “The LjungstromIn Situ Method for Shale-Oil Recovery,，，2nd Oil Shale and Cannel Coal Conference, v. 2, Glasgow, Scotland, Institute of Petroleum, London, pp. 260-280 (1951),在此其全部公開內(nèi)容被引入本文作為參考。)經(jīng)過多年至今已提出多種原位轉(zhuǎn)化方法。這些方法通常涉及將熱和/或溶劑注入地下油頁巖地層。例如，美國(guó)專利號(hào)3，241，611,名稱為“Recovery of Petroleum ProductsFrom Oil Shale”，提出將加壓熱天然氣注入油頁巖地層。‘611專利在1966年被授予J. L. Dougan，并被引入本文作為參考。Dougan提出，天然氣在924° F的溫度下被注入。另一方法出現(xiàn)在名稱為“InSitu Thermal Recovery of Oil From an Oil Shale”的美國(guó)專利號(hào)3,400,762中。該專利在1968年被授予D.W. Peacock?！?62專利提出注入過熱蒸汽。其他加熱方法也已被提出。這種方法包括電阻加熱和電介質(zhì)加熱，其被施加于儲(chǔ)層體。美國(guó)專利號(hào)4，140, 180,被授予伊利諾斯州(Illinois)芝加哥的ITT ResearchInstitute，討論了利用電能或射頻(RF)范圍的“激勵(lì)”的加熱方法。電阻器應(yīng)用與電介質(zhì)加熱不同一在電阻器應(yīng)用中，電流經(jīng)過電阻材料，該電阻材料消耗電能成為熱；在電介質(zhì)加熱中，高頻振蕩電流在附近材料中感應(yīng)電流，并導(dǎo)致材料變熱。對(duì)電加熱方法關(guān)于重油儲(chǔ)層的應(yīng)用的評(píng)述被提供于R. Sierra and S. M. Farouq Ali,“Promising Progress in FieldApplication of Reservoir Electrical Heating Methods, ” SPE Paper No69, 709 (2001年3月12-14日)。加熱還可以是氧化劑注入以支持原位燃燒的形式。實(shí)例包括按數(shù)字順序排列的美國(guó)專利號(hào)3，109, 482 ;美國(guó)專利號(hào)3，225,829 ;美國(guó)專利號(hào)3，241,615 ;美國(guó)專利號(hào)3，254，721 ;美國(guó)專利號(hào)3，127，936 ;美國(guó)專利號(hào)3，095，031 ;美國(guó)專利號(hào)5，255，742 ;和美國(guó)專利號(hào)5，899，269。這些專利一般應(yīng)用井下燃燒器。井下燃燒器由于基礎(chǔ)設(shè)施成本降低具有優(yōu)于電加熱方法的優(yōu)勢(shì)。在這方面，無需昂貴的電力工廠和配電系統(tǒng)。此外，因?yàn)楸苊饬嗽陔娏ιa(chǎn)過程中本身經(jīng)過的能量損失，熱效力增加。在一些實(shí)例中，已在基質(zhì)中產(chǎn)生人為的滲透性，從而有助于加熱后熱解流體的移動(dòng)。滲透性生成方法包括開采、碎石化、水力壓裂(參見授予M.L. Slusser的美國(guó)專利號(hào)3，468，376和授予J. V. Vogel的美國(guó)專利號(hào)3，513，914)、爆炸壓裂(授予W. ff. Hoover等的參見美國(guó)專利號(hào)1，422，204)、熱壓裂(參見授予R. ff. Thomas的美國(guó)專利號(hào)3，284，281)和蒸汽壓裂(參見授予H. Purre的美國(guó)專利號(hào)2，952，450)。還提出在同井中堆疊的傳導(dǎo)性裂縫或電極之間運(yùn)行交變電流或射頻電能以加熱地下地層。參見美國(guó)專利號(hào) 3，149，672,名稱為 “Method and Apparatus for ElectricalHeating of Oil-Bearing Formations” ；美國(guó)專利號(hào) 3，620, 300,名稱為 “Method andApparatus for Electrically Heating a Subsurface Formation，，；美國(guó)專利號(hào)4，401，162，名稱為“In Situ Oil Shale Process” ；和美國(guó)專利號(hào) 4，705，108，名稱為“Method for In Situ Heating of Hydrocarbonaceous Formations，，。名稱為“ElectricalMethod and Apparatus for the Recovery of Oil” 的美國(guó)專利號(hào) 3，642，066 提供了對(duì)在地下地層中通過在不同井之間運(yùn)行交變電流的電阻加熱的描述。其他專利已描述在井筒中建立有效電極的方法。參見美國(guó)專利號(hào)4，567，945，名稱為“Electrode Well Method andApparatus” ；和美國(guó)專利號(hào) 5，620，049,名稱為“Method for Increasing the Productionof Petroleum From a Subterranean Formation Penetrated by a Wellbore，，。名稱為“In Situ Electrolinking of Oil Shale” 的美國(guó)專利號(hào) 3，137，347 描述了電流通過連接兩井的裂縫流動(dòng)以獲得起始于周圍地層整體的電流的方法。由于地層的體積電阻(bulk electrical resistance),地層加熱主要在表面上發(fā)生。F. S. Chute和F. E. Vermeulen, Present and Potential Applications of Electromagnetic Heating inthe In Situ Recovery of Oil, AOSTRA J. Res. , v. 4, p. 19-33 (1988)描述了重油試驗(yàn)測(cè)試，其中利用“電預(yù)熱”使電流在兩井之間流動(dòng)以降低粘度和在井間產(chǎn)生用于后續(xù)蒸汽驅(qū)的連通渠道。油頁巖干餾和頁巖油回收以后另外的歷史可在被共同擁有的名稱為“Methods ofTreating a Subterranean Formation to Convert Organic Matter into ProducibleHydrocarbons” 的美國(guó)專利號(hào) 7, 331, 385,和名稱為 “Hydrocarbon Recovery fromImpermeable Oil Shales”的美國(guó)專利號(hào)7，441，603中找到。這兩項(xiàng)專利的背景和技術(shù)公開被引入本文作為參考.盡管熱解固態(tài)烴類的想法和研究已經(jīng)實(shí)施,但除Ljungstrom外極少-如有-
商業(yè)原位頁巖油作業(yè)已被實(shí)施。多種技術(shù)阻力以及，可能地，環(huán)境阻力仍然存在。一個(gè)阻力是在轉(zhuǎn)化過程中井筒失效的可能性。如上所述，加熱有機(jī)物富集巖石中的固體有機(jī)物導(dǎo)致有機(jī)分子隨時(shí)間的顯著熱分解、某些碳酸鹽巖石材料分解和粘土脫水。這種有機(jī)物富集巖石可以是油頁巖、浙青、煤及其他含浙青或粘性含油沉積物。這種加熱可以例如高于270°C。原位加熱過程使固態(tài)烴類變?yōu)橐簯B(tài)、氣態(tài)和固態(tài)(焦炭)。生成的流體被稱為“熱解油”和“熱解氣”。還可生成一些水。雖然固態(tài)烴類的轉(zhuǎn)化導(dǎo)致有益回收有價(jià)值的烴流體，這種轉(zhuǎn)化還導(dǎo)致原位巖石應(yīng)力改變。有機(jī)物富集巖石中的高溫造成地層熱膨脹，同時(shí)通過使水和熱解產(chǎn)物移動(dòng)降低整體巖石質(zhì)量。隨后的流體生產(chǎn)降低了地層壓力。但是，熱解產(chǎn)物，特別是生成的蒸氣，可在巖石中產(chǎn)生局部高壓——如果熱解產(chǎn)物形成得比其可排離更快。因此，原位加熱活動(dòng)在有機(jī)物富集巖石地層中產(chǎn)生相當(dāng)大的應(yīng)力，其依次可導(dǎo)致巖石移動(dòng)。在熱注入井和生產(chǎn)井就位處，這些井的井筒在熱解和生產(chǎn)過程中可承受顯著的環(huán)向應(yīng)力、剪切應(yīng)力和壓縮負(fù)荷。
一些關(guān)于蒸汽注入浙青砂對(duì)井筒完整性的影響的研究已經(jīng)進(jìn)行。 例如，M. B. Dusseault 等的 “Casing Shear : Causes, Cases, Cures，，SPEDrilling&Completions, SPE Paper48, 864, pp98_107 (June2001),描述了套管失效原因和在多種常規(guī)油環(huán)境中的緩解。Dusseault解釋，地層加熱過程中井損壞的一種機(jī)制是由于巖層沿層理面或較急傾斜的斷層面移位導(dǎo)致的剪切。這些移位是由應(yīng)力集中引起的剪切破壞，該應(yīng)力集中產(chǎn)生于熱膨脹或由于未固結(jié)地層的壓力擴(kuò)張導(dǎo)致的體積改變。井套管形變傾向于涉及直接相鄰于弱巖性界面的局部化水平剪切。Shell Oil Company已述及一種或多種有助于熱解操作中的井穩(wěn)健性的方法。例如，在名稱為 “Inhibiting Wellbore Deformation During In Situ Thermal Processingof a Hydrocarbon Containing Formation” 的美國(guó)專利號(hào) 7，219，734 中,Shell 提出增加一個(gè)或多個(gè)加熱井的直徑以補(bǔ)償預(yù)期地層膨脹。例如，可相對(duì)于所謂“貧”層增加有機(jī)巖石中所謂“富”層的鄰近區(qū)域的直徑。進(jìn)一步，提出將加熱井中的加熱元件沿井筒的無套管部分布置，據(jù)推測(cè)以避免井筒移動(dòng)時(shí)對(duì)加熱元件的損壞。美國(guó)專利號(hào)7，073，578是授予Shell Oil Company的另一項(xiàng)專利?！?78專利名稱為 “Staged and/or Patterned Heating During In Situ Thermal Processing of aHydrocarbon Containing Formation”?！?78專利提出分段加熱，即，分別加熱含烴地層的不同區(qū)域，從而試圖“抑制地層的地質(zhì)力學(xué)運(yùn)動(dòng)所引起的地下設(shè)備形變”。要注意的是，在Shell專利的說明書中存在對(duì)局部烴豐富度絕對(duì)值的討論。例如，‘578專利提到豐富度為“如Fischer分析所測(cè)每噸地層至少約30加侖的烴類”的地層(參見美國(guó)專利號(hào)7，073，578，col. 10，Ins. 45-51)。還存在關(guān)于地下地層中不同層的討論，一些層被稱作“富”，其他的被稱作“貧”。(美國(guó)專利號(hào)7，073，578，圖47及相關(guān)討論)。在一個(gè)實(shí)例中，Shell提出以不同的速率加熱不同層一較貧地層的加熱速率高于較富地層。(美國(guó)專利號(hào)7，073，578, col. 88，Ins. 35-59)。但是，在提交時(shí)，申請(qǐng)人未得知任何被給予地層性質(zhì)梯度的考慮。對(duì)完成熱解區(qū)域中的井筒的方法存在需求，該方法不僅解決有機(jī)物豐富度值不同的不同地下層的存在，而且更重要的是考慮了有機(jī)物豐富度經(jīng)短距離顯著改變的區(qū)域。這種高梯度區(qū)域存在最大的井筒設(shè)備機(jī)械故障風(fēng)險(xiǎn)。進(jìn)一步，對(duì)保護(hù)存在高風(fēng)險(xiǎn)機(jī)械故障區(qū)域中井筒設(shè)備的改進(jìn)方法存在需求。概沭本文提供了完成地下地層中的井筒的方法。本方法主要用于包括所要原位加熱的有機(jī)物富集巖石的地下地層。這種有機(jī)物富集巖石可以是油頁巖、浙青、煤及其他含浙青的或粘性含油沉積物。加熱有機(jī)物富集巖石使固態(tài)烴類熱解成烴流體。一方面，本方法首先包括形成井筒。井筒至少部分穿過地下地層而形成。本方法還包括確定地下地層中并且沿井筒經(jīng)受超過熱解溫度的溫度的區(qū)域。這種溫度被設(shè)計(jì)以使至少部分有機(jī)物富集巖石熱解成烴流體。這種流體可以是熱解油、熱解氣、水或其組合。本方法進(jìn)一步包括沿井筒確定在確定區(qū)域內(nèi)的地層巖石的有機(jī)物豐富度經(jīng)短距離改變的區(qū)段。這種改變使井下設(shè)備存在機(jī)械故障的風(fēng)險(xiǎn)。確定區(qū)段的步驟可包括沿井筒定位這樣的區(qū)段井筒相鄰的地層巖石的基于選定層段垂直平均化的Fischer分析油含量在5英尺或更小的垂直跨度內(nèi)改變大于約10加侖每噸。選定層段可以是，例如，約I英尺至約5英尺?？蛇x地，確定區(qū)段的步驟可包括沿井筒定位這樣的區(qū)段井筒相鄰的地層巖石的基于選定層段垂直平均化的總有機(jī)碳含量在5英尺或更小的垂直跨度內(nèi)改變大于25%。選定層段可以是，例如，約I英尺至約5英尺。本方法進(jìn)一步包括強(qiáng)化一個(gè)或多個(gè)確定區(qū)段內(nèi)的井下設(shè)備。強(qiáng)化井下設(shè)備可意為增加井下設(shè)備的橫截面厚度以超過一個(gè)或多個(gè)非確定區(qū)段內(nèi)井下設(shè)備的橫截面厚度?？蛇x地或另外地，強(qiáng)化井下設(shè)備可意為利用金相或設(shè)計(jì)強(qiáng)度較高的設(shè)備，以超過最終置于一個(gè)或多個(gè)非確定區(qū)段內(nèi)的井下設(shè)備的金相或設(shè)計(jì)。一方面，井下設(shè)備包括管狀體。強(qiáng)化管狀體包括增加管狀體的橫截面厚度以超過最終置于一個(gè)或多個(gè)非確定區(qū)段內(nèi)的管狀體的橫截面厚度。然后本方法可進(jìn)一步包括逐漸減少?gòu)?qiáng)化管狀體至少一端的厚度。在一個(gè)實(shí)施方式中，井筒用于熱注入井。然后井下設(shè)備可包括套管、井下加熱器、電路、電連接或其組合。在另一實(shí)施方式中，井筒用于生產(chǎn)井。然后井下設(shè)備可包括套管、生產(chǎn)設(shè)備或其組合。附圖簡(jiǎn)沭本發(fā)明附上了一些附圖、制圖、圖表和/或流程圖以使其可得到更好的理解。但要注意的是，附圖僅示例本發(fā)明的選擇性實(shí)施方式，因此不被認(rèn)為限制范圍，因?yàn)楸景l(fā)明可允許其他等價(jià)有效的實(shí)施方式和應(yīng)用。

圖1是示例性烴開發(fā)區(qū)域的橫截面等距視圖。烴開發(fā)區(qū)域包括限定地下地層的有機(jī)物富集巖石基質(zhì)。圖2是進(jìn)行熱解和生產(chǎn)的示例性油頁巖地層的橫截面視圖。顯示了代表性加熱井和代表性生產(chǎn)井。圖3是油頁巖等級(jí)變化的測(cè)井或分析。測(cè)井顯示油頁巖地層區(qū)段作為深度函數(shù)的
“豐富度”。圖4A和4B是進(jìn)行加熱的油頁巖地層的側(cè)視圖。井筒已穿過地層而形成，并且套管柱已被插入井筒。圖4A顯示由于熱膨脹進(jìn)行地質(zhì)力學(xué)移動(dòng)的地層。套管正在承受剪切應(yīng)力。圖4B也顯示由于熱膨脹進(jìn)行地質(zhì)力學(xué)移動(dòng)的地層。部分套管已通過添加接箍(collar)而得到強(qiáng)化，提供增加的壁厚。套管能夠耐受來自地層的剪切應(yīng)力。圖5A和5B是進(jìn)行加熱和烴生產(chǎn)的油頁巖地層的側(cè)視圖。井筒已穿過地層而形成，并且套管柱已被插入井筒。在圖5A中，井筒是熱注入井。熱通過井下燃燒的燃燒器而被提供。井筒中一段管狀體已被強(qiáng)化。在圖5B中，井筒是生產(chǎn)井。生產(chǎn)管柱和連接泵已被提供，以使烴流體移至地表。井筒中一段管狀體已被強(qiáng)化。圖6是已穿過有機(jī)物富集巖石地層形成的部分井筒的側(cè)視圖。套管柱在井筒中的適當(dāng)位置。部分井筒已被管下擴(kuò)眼，從而提供對(duì)于地層中可發(fā)生的地質(zhì)材料移動(dòng)的耐受力。圖7是顯示實(shí)施完成地下地層中的井筒的方法的步驟的流程圖。地下地層包括有機(jī)物富集巖石，該有機(jī)物富集巖石將被原位加熱以使固態(tài)烴類熱解成烴流體。某@實(shí)施方式詳沭定義如本文所用，術(shù)語“烴類”是指如不排外主要包括元素氫和碳的有機(jī)化合物。烴類還可包括其他元素，如，但不限于，鹵素、金屬元素、氮、氧和/或硫。烴類通常分成兩類月旨肪烴或直鏈烴，以及環(huán)烴或閉合環(huán)烴一包括環(huán)萜烯。含烴材料的實(shí)例包括任何形式的天然氣、油、煤和浙青，其可用作燃料或升級(jí)成燃料。如本文所用，術(shù)語“烴流體”是指作為氣體或液體的烴或烴混合物。例如，烴流體可包括在地層條件下、在處理?xiàng)l件下或在環(huán)境條件下(15°C和Iatm壓力)作為氣體或液體的烴或烴混合物。烴流體可包括，例如，油、天然氣、煤床甲烷、頁巖油、熱解油、熱解氣、煤熱解產(chǎn)物及其他處于氣態(tài)或液態(tài)的烴。如本文所用，術(shù)語“生產(chǎn)流體(產(chǎn)液，produced liquid)”和“生產(chǎn)流體(產(chǎn)液，
production Iiquid)”是指從地下地層-包括,例如,有機(jī)物富集巖石地層-移除的液
體和/或氣體。生產(chǎn)流體可包括烴流體和非烴流體。生產(chǎn)流體可包括，但不限于，油、熱解頁巖油、天然氣、合成氣、煤熱解產(chǎn)物、二氧化碳、硫化氫和水(包括蒸汽)。如本文所用，術(shù)語“流體”是指氣體、液體及氣體和液體組合，以及氣體和固體組合、及液體和固體組合。如本文所用，術(shù)語“氣體”是指在Iatm和15°C下處于其蒸氣相的流體。如本文所用，術(shù)語“可凝結(jié)烴”意為在約15°C和I個(gè)絕對(duì)大氣壓下凝結(jié)成液體的那些烴?？赡Y(jié)烴可包括碳數(shù)大于3的烴的混合物。如本文所用，術(shù)語“不可凝結(jié)”意為在約15°C和I個(gè)絕對(duì)大氣壓下不凝結(jié)成液體的那些化學(xué)種類。不可凝結(jié)種類可包括不可凝結(jié)烴和不可凝結(jié)非烴種類，如，例如，二氧化碳、氫氣、一氧化碳、硫化氫和氮?dú)狻２豢赡Y(jié)烴可包括碳數(shù)小于4的烴。如本文所用，術(shù)語“油”是指主要包含可凝結(jié)烴混合物的烴流體。如本文所用，術(shù)語“重?zé)N”是指在環(huán)境條件(15°C和Iatm壓力)下具有高粘性的烴流體。重?zé)N可包括高粘性烴流體，如重油、焦油、浙青和/或柏油。重?zé)N可包含碳和氫，以及較低濃度的硫、氧和氮。另外的元素也可痕量存在于重?zé)N中。重?zé)N可通過API重力(APIgravity)分類。重?zé)N的API重力通常在約20度以下。重油，例如，通常其API重力為約10至20度，而焦油通常其API重力在約10度以下。重?zé)N在約15°C下的粘度通常大于約100厘泊。如本文所用，術(shù)語“固態(tài)烴”是指自然地發(fā)現(xiàn)的在地層條件下基本上處于固體形式的任何烴材料。非限制實(shí)例包括干酪根、煤、不純石墨、浙青巖和天然礦物蠟。如本文所用，術(shù)語“地層烴”是指有機(jī)物富集巖石地層中包含的重?zé)N和固態(tài)烴。地層烴可以是，但不限于，干酪根、油頁巖、煤、浙青、焦油、天然礦物蠟和浙青巖。如本文所用，術(shù)語“焦油”是指通常粘度在15°C下大于約10，000厘泊的粘性烴。焦油的比重通常大于1. 000。焦油的API重力可小于10度?！罢闱嗌啊笔侵钙渲芯哂薪褂偷牡貙印Ｈ绫疚乃?，術(shù)語“干酪根”是指固態(tài)不溶性烴，其可主要包含碳、氫、氮、氧和/或硫。
如本文所用，術(shù)語“浙青”是指非晶體固體或粘性烴材料，其基本上可溶于二硫化碳。如本文所用，術(shù)語“地下”是指存在于地球表面以下的地質(zhì)層。如本文所用，術(shù)語“烴富集地層”是指任何包含烴大于痕量的地層。例如，烴富集地層可包括包含烴水平大于按體積計(jì)5%的部分。位于烴富集地層中的烴可包括，例如，油、天然氣、重?zé)N和固態(tài)烴。如本文所用，術(shù)語“有機(jī)物富集巖石”是指任何容納固態(tài)烴和/或重?zé)N的巖石基質(zhì)。巖石基質(zhì)可包括，但不限于，沉積巖、頁巖、粉砂巖、砂巖、沉積石英巖、碳酸鹽(carbonates)和硅藻巖。有機(jī)物富集巖石可包含干酪根。如本文所用，術(shù)語“地層”是指任何可限定的地下區(qū)域。地層可包含任何地質(zhì)地層的一個(gè)或多個(gè)含烴層、一個(gè)或多個(gè)非含烴層、上覆巖層和/或下伏巖層?！吧细矌r層”和/或“下伏巖層”是在目標(biāo)地層上方或下方的地質(zhì)材料。上覆巖層或下伏巖層可包括一種或多種不同類型的基本上不可滲透的材料。例如，上覆巖層和/或下伏巖層可包括砂巖，頁巖，泥巖或濕/密碳酸鹽(即，不可滲透的無烴碳酸鹽)。上覆巖層和/或下伏巖層可包括相對(duì)不可滲透的含烴層。在一些情況下，上覆巖層和/或下伏巖層可以是可滲透的。如本文所用，術(shù)語“有機(jī)物富集巖石地層”是指任何包含有機(jī)物富集巖石的地層。有機(jī)物富集巖石地層包括，例如，油頁巖地層、煤地層和浙青砂地層。如本文所用，術(shù)語“熱解”是指化學(xué)鍵通過施熱斷裂。例如，熱解可包括單獨(dú)通過熱或通過熱與氧化劑組合將化合物轉(zhuǎn)化成一種或多種其他物質(zhì)。熱解可包括通過添加可得自分子氫的氫原子、水、二氧化碳或一氧化碳改變化合物的性質(zhì)。熱可被傳遞至一段地層以引起熱解。如本文所用，術(shù)語“水溶性礦物”是指可溶于水的礦物。水溶性礦物包括，例如，蘇打石(碳酸氫鈉)、蘇打灰(碳酸鈉)、片鈉鋁石(NaAl (CO3) (OH)2)或其組合?；救芙饪尚枰獰崴?或非中性PH溶液。如本文所用，術(shù)語“地層水溶性礦物”是指在地層中自然地發(fā)現(xiàn)的水溶性礦物。如本文所用，術(shù)語層的“厚度”是指層橫截面上限與下限之間的距離，其中垂直于橫截面的平均傾斜度測(cè)量該距離。如本文所用，術(shù)語“熱裂縫”是指在地層中生成的裂縫，其是由部分地層和/或地層中流體的膨脹或收縮直接或間接造成的，其依次是由升高/降低地層和/或地層中流體的溫度和/或由增加/減少加熱導(dǎo)致的地層中流體壓力造成的。熱裂縫可蔓延到或形成于明顯冷于加熱區(qū)域的相鄰區(qū)域。如本文所用，術(shù)語“水力裂縫”是指至少部分蔓延到地層中的裂縫，其中通過將加壓流體注入地層而生成裂縫。雖然使用術(shù)語“水力裂縫"，但本發(fā)明在此不限于用于水力裂縫。本發(fā)明適用于以任何本領(lǐng)域技術(shù)人員認(rèn)為適當(dāng)?shù)姆绞缴傻娜魏瘟芽p。裂縫可通過注入支撐劑材料被人為保持開放。水力裂縫可基本上水平定向、基本上垂直定向或沿任何其他平面定向。如本文所用，術(shù)語“井筒(wel Ibore )”是指鉆入地下或在地下插入管道而在地下形成的孔洞(hole)。井筒可具有基本上圓形的橫截面或其他橫截面形狀。如本文所用，術(shù)語“井(well)”在指地層中的孔(opening)時(shí)可與術(shù)語“井筒(wellbore)”交替使用。選擇性具體實(shí)施方式
的描述在此聯(lián)合某些具體實(shí)施方式
對(duì)本發(fā)明進(jìn)行描述。但是，在下列具體描述針對(duì)具體實(shí)施方式
或具體應(yīng)用的情況下，其僅被意為示例性，而不被解釋為限制本發(fā)明的范圍。圖1是示例性烴開發(fā)區(qū)域100的橫截面透視圖。烴開發(fā)區(qū)域100具有地表110。優(yōu)選地，地表110是陸上地球表面。但是，地表110可以是水體如湖、河口、海灣或海洋下的地球表面。烴開發(fā)區(qū)域100還具有地下120。地下120包括多種地層，包括一個(gè)或多個(gè)近地表地層122、含烴地層124和一個(gè)或多個(gè)非烴地層126。近地表地層122表示上覆巖層，而非烴地層126表示下伏巖層。一個(gè)或個(gè)近地表地層122和非烴地層126其中均一般具有礦物學(xué)不同的多種巖層。含烴地層124限定由有機(jī)物富集巖石層組成的巖石基質(zhì)。烴開發(fā)區(qū)域100的目的是從含烴地層124生產(chǎn)烴流體。示例性含烴地層124包含地層烴(如，例如，干酪根)和可能包含有價(jià)值的水溶性礦物(如，例如，蘇打石)。要理解的是，代表性地層124可以是任何有機(jī)物富集巖石地層，包括例如包含煤或浙青砂的巖石基質(zhì)。另外地，組成地層124的巖石基質(zhì)可以是可滲透的，可半滲透的或不可滲透的。本發(fā)明特別有利于頁巖油開采區(qū)域，該頁巖油開采區(qū)域最初具有十分有限的流體滲透性或?qū)嶋H上無流體滲透性。例如，最初的滲透性可小于10毫達(dá)西?？苫诙鄠€(gè)因素選擇開發(fā)含烴地層124。其中一個(gè)因素是地層124中有機(jī)物富集巖石層或區(qū)段的厚度。如聯(lián)合圖3更充分描述，含烴地層124由一系列具有不同厚度和不同有機(jī)等級(jí)的區(qū)段組成。較大產(chǎn)油氣帶厚度可指烴流體較大的潛在體積產(chǎn)量。地層124中各含烴層的厚度可取決于如下而不同例如，有機(jī)物富集巖石層形成的條件。因此，如果那個(gè)地層包括至少一個(gè)其厚度足以經(jīng)濟(jì)地生產(chǎn)烴流體的含烴區(qū)段，將一般選擇處理有機(jī)物富集巖石地層，如含烴地層124。如果緊密排列在一起的幾個(gè)層的厚度足以經(jīng)濟(jì)地生產(chǎn)生成流體，也可選擇有機(jī)物富集巖石地層，如地層124。例如，地層烴的原位轉(zhuǎn)化過程可包括選擇和處理厚度大于約5米、10米、50米或甚至100米的有機(jī)物富集巖石地層中的層。在這種方式下，對(duì)在有機(jī)物富集巖石地層上方和下方形成的層的熱損失(作為總注入熱的一部分)可小于來自地層烴薄層的這種熱損失。但是本文描述的過程還可包括附加地處理這樣的層可包括基本上不含地層烴或地層烴薄層的層。還可考慮含烴地層124中一個(gè)或多個(gè)區(qū)段的豐富度。對(duì)于油頁巖地層，豐富度通常是干酪根含量的函數(shù)。油頁巖地層的干酪根含量可利用多種數(shù)據(jù)由露頭或核心樣本確定。這種數(shù)據(jù)可包括有機(jī)碳總量、氫指數(shù)和改良Fischer分析的分析。Fischer分析是標(biāo)準(zhǔn)方法，其包括在I小時(shí)內(nèi)加熱含烴層樣本至約500°C，收集產(chǎn)自加熱后樣本的流體，和定量生產(chǎn)流體的量?？苫诘貙踊|(zhì)的滲透性或多孔性選擇開發(fā)有機(jī)物富集巖石地層如地層124，即使地層124的厚度相對(duì)較薄。地下滲透性還可通過巖石樣本、露頭、或?qū)Φ叵滤鞯难芯康玫皆u(píng)估。如果看起來與地下水具有垂直連續(xù)性和連接性，該有機(jī)物富集巖石地層則可被淘汰。在選擇開發(fā)地層時(shí)可考慮石油工程師已知的其他因素。這種因素包括感知產(chǎn)油氣帶的深度、厚度連續(xù)性及其他因素。為到達(dá)含烴地層124和從中回收自然資源，形成多個(gè)井筒130。圖1中的各井筒130具有與其相關(guān)的向上箭頭或向下箭頭。向上箭頭表示相關(guān)井筒130是生產(chǎn)井。這些向上箭頭中一些用“P”表示。生產(chǎn)井“P”從含烴地層124至地表110生產(chǎn)烴流體。相反，向下箭頭表示相關(guān)井筒130是熱注入井或加熱井。這些向下箭頭中一些用“I”表示。熱注入井“I”將熱注入含烴地層124。熱注入可以多種本領(lǐng)域已知的方式實(shí)現(xiàn)，包括井下或原位電阻熱源、熱流體經(jīng)過井筒或經(jīng)過地層循環(huán)和井下燃燒器。加熱地層124中的有機(jī)物富集巖石的目的是熱解至少部分固態(tài)地層烴，以生成烴流體。地層124中的有機(jī)物富集巖石被加熱至足以熱解至少部分油頁巖(或其他固態(tài)烴)的溫度，從而將干酪根(或其他有機(jī)物富集巖石)轉(zhuǎn)化成烴流體。所得烴液體和氣體可被精制成類似普通商業(yè)石油產(chǎn)品的產(chǎn)物。這種液體產(chǎn)物包括運(yùn)輸燃料，如柴油、噴氣燃料和石腦油。生成的氣體包括輕質(zhì)烷烴、輕質(zhì)鏈烯、H2, CO2, CO和NH3。固態(tài)地層烴可通過將地層124 (或地層中的受熱區(qū)域)中的有機(jī)物富集巖石升高至熱解溫度而被原位熱解。在某些實(shí)施方式中，地層124的溫度可被緩慢升高經(jīng)過熱解溫度范圍。例如，原位轉(zhuǎn)化過程可包括加熱至少部分地層124，以使一個(gè)或多個(gè)區(qū)段的平均溫度以每天小于選定量(例如，約10°C、5°C ;3°C、1°C或0. 5°C)的速率升高至約270°C以上。在進(jìn)一步的實(shí)施方式中，該部分可被加熱，以使一個(gè)或多個(gè)選定區(qū)域的平均溫度經(jīng)過一個(gè)月的時(shí)間小于約375°C,或在一些實(shí)施方式中小于約400°C。烴富集地層124可被加熱，以使地層中的溫度達(dá)到(至少)初始熱解溫度，即，熱解開始發(fā)生的溫度范圍下限的溫度。熱解溫度范圍可不同，這取決于地層中的地層烴類型、力口熱方法和加熱源的分布。例如，熱解溫度范圍可包括約270°C與800°C之間的溫度。一方面，地層124的目標(biāo)區(qū)域整體可被加熱至300°C與600°C之間。油頁巖轉(zhuǎn)化成烴流體將在原來基本上不可滲透的地層124的巖石中產(chǎn)生滲透性。例如，滲透性可由于施熱造成的受熱部分中熱裂縫的形成而增加。隨著受熱地層124的溫度增加，水可由于蒸發(fā)而被去除。蒸發(fā)的水可通過生產(chǎn)井“P”脫離地層124和/或從地層124移除。另外地，在宏觀規(guī)模上，地層124的滲透性也可由于烴流體產(chǎn)生而增加，該烴流體產(chǎn)自至少一些地層烴的熱解。在一個(gè)實(shí)施方式中，在加熱烴富集地層124前，地層124中的有機(jī)物富集巖石的初始總滲透性小于約10毫達(dá)西，可選地小于0.1或甚至0. 01毫達(dá)西。有機(jī)物富集巖石地層124的受熱部分中選定區(qū)域的滲透性可迅速增加，此時(shí)選定區(qū)域通過傳導(dǎo)受熱。例如，熱解至少部分有機(jī)物富集巖石地層可使選定區(qū)域內(nèi)的滲透性增加至約I毫達(dá)西，可選地，大于約10毫達(dá)西、50毫達(dá)西、100毫達(dá)西、I達(dá)西、10達(dá)西、20達(dá)西或甚至50達(dá)西。因此,選定區(qū)域或區(qū)段的滲透性可增加大于約10、100、1，000、10，000或100，000倍。要理解的是，石油工程師將建立井筒130最佳深度和安排的策略，這取決于預(yù)期儲(chǔ)層特征、經(jīng)濟(jì)制約和工作調(diào)度制約。另外地，工程技術(shù)人員將確定應(yīng)當(dāng)形成哪種井筒“I”用于初始地層加熱。在熱解過程后，一些熱注入井“I”可轉(zhuǎn)變?yōu)樽⑺?。這特別有利于在烴開發(fā)區(qū)域100周圍的熱注入井“I”。水的注入可控制熱解流體從烴開發(fā)區(qū)域100遷移。在示例性烴開發(fā)區(qū)域100中，井筒130被安排成排。生產(chǎn)井“P”成排，并且熱注入井“I”在相鄰排。這在工業(yè)中被稱為“行列(line drive)”安排。但是，可應(yīng)用其他幾何學(xué)安排，如5位點(diǎn)安排。本文公開的發(fā)明不限于生產(chǎn)井“P”和熱注入井“I”的安排。在圖1的安排中，各井筒130在含烴地層124中完成。完井可以是裸眼井或下套管井。生產(chǎn)井“P”的完井還可包括已支撐的或未支撐的由于水力壓裂操作而從中發(fā)散的水力裂縫。不同的井筒130顯示為已經(jīng)基本上垂直完成。但是，要理解的是，一些或全部井筒130，特別是生產(chǎn)井” P”，可偏離到鈍角或甚至水平的定向。在圖1的視圖中，僅8個(gè)井筒130顯示為熱注入井” I”。同樣，僅8個(gè)井筒130顯示為生產(chǎn)井”P”。但是，要理解的是，在油頁巖開發(fā)項(xiàng)目中，將鉆出多個(gè)另外的井筒130。此夕卜，可任選地形成單獨(dú)的井筒(未顯示)用于注水、冷凍和感測(cè)或數(shù)據(jù)收集。
生產(chǎn)井” P”和熱注入井” I”也被以預(yù)定間距安排。在一些實(shí)施方式中，為不同井筒130提供15至25英尺的井間距。除非另外說明，下面公開的權(quán)利要求不限于生產(chǎn)井”P”或熱注入井” I”的間距?？傮w上，井筒130間距可以為約10英尺上至甚至約300英尺。一般，井筒130在淺的深度完成。完井深度的范圍可以為200至5，000英尺的真垂直深度。在一些實(shí)施方式中，目的在于原位干餾的油頁巖地層的深度大于地表下200英尺，或可選地，地表下400英尺。可選地，轉(zhuǎn)化和生產(chǎn)在500至2，500英尺之間的深度發(fā)生。如上文簡(jiǎn)要暗示，在轉(zhuǎn)變?yōu)樽⑺彤a(chǎn)油井和/或水溶性礦物溶液生產(chǎn)井前可針對(duì)某些初始功能選擇井筒130。一方面，鉆出井筒130，從而以指定順序服務(wù)于兩個(gè)、三個(gè)或四個(gè)不同的目的。適當(dāng)?shù)墓ぞ吆驮O(shè)備可相繼在井筒130中運(yùn)行和從井筒130被移除，從而服務(wù)于多個(gè)目的。圖1還示意性顯示生產(chǎn)流體處理設(shè)施150。處理設(shè)施150被設(shè)計(jì)以通過一個(gè)或多個(gè)管線或流線152接收產(chǎn)自地層124的有機(jī)物富集巖石的流體。流體處理設(shè)施150可包括適于接收和分離產(chǎn)自受熱地層124的油、氣和水的設(shè)備。流體處理設(shè)施150可進(jìn)一步包括用于分離出溶解的水溶性礦物和/或遷移的污染種類的設(shè)備，該遷移的污染種類包括，例如，自有機(jī)物富集巖石地層124回收的采出水中溶解的有機(jī)污染物、金屬污染物或離子污染物。圖1顯示兩個(gè)出口線路154、156。出口線路154、156攜載來自流體處理設(shè)施150的流體。出口線路154攜載熱解油，而出口線路156攜載熱解氣。要理解的是，一般還將存在第三線路(未顯示)，用于攜載分離水。該水將經(jīng)過處理，并任選地，被重新注入含烴地層124。該水可用于維持儲(chǔ)層壓力或可作為地下回收項(xiàng)目的部分在生產(chǎn)過程完成時(shí)被循環(huán)經(jīng)過含烴地層。圖2是部分烴開發(fā)區(qū)域200的橫截面視圖。烴開發(fā)區(qū)域200包括地表210和地下220。烴開發(fā)區(qū)域200的目的是從地下220內(nèi)的有機(jī)物富集巖石地層230生產(chǎn)烴流體。首先注意，有機(jī)物富集巖石地層230具有多個(gè)巖層。這些被表示為232、234和236。巖層232代表有機(jī)物富集巖石地層230的”貧”區(qū)段，即具有低干酪根(或其他有機(jī)物富集巖石)含量。巖層236代表有機(jī)物富集巖石地層230的”富”區(qū)段，即具有高干酪根(或其他有機(jī)物富集巖石)含量。巖層234代表這樣的有機(jī)物富集巖石地層230區(qū)段其干酪根含量較不富集，但仍以經(jīng)濟(jì)數(shù)量提供可生產(chǎn)的烴。換句話說，巖層234的豐富度范圍是貧層232上限范圍與富層236下限范圍的中間值。在圖2中，提供2個(gè)相鄰井。這些以240和260顯示。井240是示例性熱注入井，而井260是示例性生產(chǎn)井。熱注入井240具有上端242和下端244。類似地，生產(chǎn)井260具有上端262和下端264。熱注入井240具有在245的孔，而生產(chǎn)井260具有在265的孔。為熱注入井240提供井口 241。類似地，為生產(chǎn)井260提供井口 261。井口 241、261使孔245、265與地表210隔離。井口 241、261被示意性顯示；但是，要理解的是，井口241,261將包括一個(gè)或多個(gè)流量控制閥門。具體涉及熱注入井240，熱注入井240被襯以套管柱250。套管柱250是地表套管。由于油頁巖地層趨于淺顯，一般僅需要單個(gè)套管柱250。但是，要理解的是，還可使用第二套管柱(未顯示)，其向下延伸到地表套管以下。套管柱250在地表210具有上端252。上端252與下方裂縫閥門或?qū)τ诰畼涑Ｒ姷囊恍┢渌y門處于密封流體連通。套管柱250還具有下端254。優(yōu)選地，下端254延伸至熱注入井240下部。熱注入井240向有機(jī)物富集巖石地層230供熱。一方面，熱量通過電阻熱生成。為此，套管柱250由鋼或其他導(dǎo)電性材料制成。優(yōu)選地，套管柱250上部252由高傳導(dǎo)性材料制成，并向下絕緣至有機(jī)物富集巖石地層230頂部。然后套管柱250下部254由傳導(dǎo)性較低的材料制成。在圖2的安排中，熱注入井240的套管柱250是電路的部分。電流通過絕緣電線295被遞送至套管柱250。然后電流經(jīng)過套管柱250。套管柱250的下部254被制成以生成電阻熱。該熱量從井240輻射并進(jìn)入有機(jī)物富集巖石地層230。熱量使地層230中的有機(jī)物富集巖石達(dá)到熱解溫度，其依次使固態(tài)地層烴轉(zhuǎn)化成烴流體。電流通過導(dǎo)電元件248回到地表210。在圖2的安排中，導(dǎo)電元件248是金屬條。但是，導(dǎo)電元件248可以可選地是導(dǎo)線、管狀體或其他細(xì)長(zhǎng)的金屬裝置。導(dǎo)電元件248除其最低端處外還優(yōu)選絕緣。這防止電流與套管柱250短路。可沿導(dǎo)電元件248長(zhǎng)度使用非傳導(dǎo)性扶正器(未顯示)，從而進(jìn)一步防止與套管柱250接觸。為將電流從套管柱250遞送至導(dǎo)電元件248，使用傳導(dǎo)性扶正器。其以246顯示。傳導(dǎo)性扶正器246優(yōu)選地被置于恰在有機(jī)物富集巖石地層230上方。但在可代替的安排中，導(dǎo)電元件248延伸至熱注入井240的底部244，并且傳導(dǎo)性扶正器246被置于套管250的下部254或接近套管250的下部254。套管柱250具有水泥外殼256，其被布置在至少井240的上端242周圍。其用于隔離地下210的巖層和任何弱透水層。在其下端244，熱注入井240以裸眼井完成。裸眼井基本上沿有機(jī)物富集巖石地層230深度延伸。為生成電阻熱，電流被向下輸送經(jīng)過套管柱250，該套管柱250充當(dāng)?shù)谝粚?dǎo)電元件。電流到達(dá)導(dǎo)電性扶正器246 (或其他傳導(dǎo)元件)，然后到達(dá)導(dǎo)電元件248，該導(dǎo)電元件248充當(dāng)?shù)诙?dǎo)電元件。然后電流返回地表210，形成電路。電流還到達(dá)套管柱250的下部254。隨著電流經(jīng)過套管柱250的下部254，熱通過電阻生成。形成套管250的管在套管柱250底部254的電阻率高于上部252。注意，電流可以相反方向經(jīng)過，即，向下經(jīng)過導(dǎo)電元件248并向上回到套管柱250。但是，在此方向，電流不能有效地向下到達(dá)套管柱250的底部254和沿有機(jī)物富集巖石地層230經(jīng)過。還要注意，可應(yīng)用其他用于提供套管柱250與導(dǎo)電元件248之間電連通的安排。例如，導(dǎo)電性粒狀材料可沿有機(jī)物富集巖石地層230被布置于井240的孔245中。煅燒石油焦炭是適當(dāng)傳導(dǎo)性材料的實(shí)例。粒狀材料可被設(shè)計(jì)以使其電阻率顯著高于第一導(dǎo)電元件250和第二導(dǎo)電元件248的電阻率。在這種安排下，粒狀材料將被填充至第二導(dǎo)電元件248底部，從而提供第一導(dǎo)電元件250與第二導(dǎo)電元件248之間的電連通。在相關(guān)安排下，導(dǎo)電性粒狀材料可被布置于相鄰井筒的下端，并且粒狀材料與各井筒中的導(dǎo)電元件處于電連通。通道在地下第一井筒與第二井筒之間形成。通道在地下被定位至少部分處于或接近所要加熱的巖層。一方面，通道包括一個(gè)或多個(gè)連接裂縫。導(dǎo)電性粒狀材料被另外布置在裂縫中，從而提供相鄰井筒的導(dǎo)電元件之間的電連通。在這種安排下，電流在導(dǎo)電元件之間經(jīng)過。電流經(jīng)過導(dǎo)電元件和中間的粒狀材料使電阻熱主要從井筒中的導(dǎo)電元件生成。這種生熱安排被公開和描述于2008年11月6日公開的美國(guó)專利公開號(hào)2008/0271885。該公開名稱為“Granular Electrical Connectionsfor In Situ Formation Heating”。圖30A和31和相關(guān)文本被引入本文作為參考。美國(guó)專利公開號(hào)2008/0271885還描述了某些實(shí)施方式，其中相鄰井筒之間的通道是鉆出的通道。在這種方式下，井筒下端處于流體連通。然后傳導(dǎo)性粒狀材料被灌注或以其他形式布置于通道中，使得粒狀材料位于井筒和鉆出的通道中。電流再次經(jīng)過導(dǎo)電元件和中間粒狀材料使電阻熱主要從井筒中的導(dǎo)電元件生成。這種生熱安排被公開和描述，涉及圖30B、32和33及相關(guān)文本，其被引入本文作為參考。在另一加熱安排中，電阻加熱器可通過在各個(gè)井筒內(nèi)提供導(dǎo)電性管道或其他元件而形成。更具體地，第一導(dǎo)電元件和第二導(dǎo)電元件可被布置于各井筒。然后傳導(dǎo)性粒狀材料被布置于各個(gè)井筒中的傳導(dǎo)元件之間，從而提供電連通。粒狀材料可與傳導(dǎo)性較高或較低的材料混合，以調(diào)節(jié)體積電阻率(bulk resistivity)。傳導(dǎo)性較高的材料可包括金屬屑或金屬丸；傳導(dǎo)性較低的材料可包括石英砂、陶瓷顆粒、粘土、礫石或水泥。在這種安排下，電流經(jīng)過傳導(dǎo)元件和粒狀材料。電流經(jīng)過傳導(dǎo)元件和中間粒狀材料使電阻熱主要從各個(gè)井筒中的電阻粒狀材料生成。在一個(gè)實(shí)施方式中，在期望最小限度或無加熱的區(qū)域中導(dǎo)電性粒狀材料摻雜(intersperse)以高傳導(dǎo)性粒狀材料段塞。這種加熱井安排被被公開和描述于2008年9月25日公開的美國(guó)專利公開號(hào)2008/0230219。該公開名稱為“Resistive Heater for In Situ Formation Heating”。圖 30A、31A、32 和 33及相關(guān)文本被引入本文作為參考。又一方面，電阻加熱器可通過在相鄰井筒中提供導(dǎo)電元件而形成。相鄰井筒的下端通過鉆出的通道連接。然后傳導(dǎo)性粒狀材料被灌注或以其他方式被置于通道中，使得粒狀材料處于各個(gè)通道和至少部分處于各相應(yīng)井筒中。電流在井筒之間經(jīng)過粒狀材料。電流經(jīng)過管道和中間粒狀材料使電阻熱主要從電阻粒狀材料通過地下生成。這種安排也被公開和描述于美國(guó)專利公開號(hào)2008/0230219，具體地涉及圖34A和34B。圖34A和34B及相關(guān)文本同樣被引入本文作為參考。共同擁有的美國(guó)專利公開號(hào)2010/0101793也具有指導(dǎo)性。該申請(qǐng)?zhí)峤挥?009年 8 月 28 日，名稱為 “Electrically Conductive Methods for Heating a SubsurfaceFormation to Convert Organic Matter into Hydrocarbon Fluids，，。該申請(qǐng)教導(dǎo)了置于有機(jī)物富集巖石地層并具有不同體積電阻率的兩種或更多種材料的應(yīng)用。電流經(jīng)過地層中的材料，生成電阻熱。原位布置的材料提供電阻熱，而不在井筒附近產(chǎn)生熱點(diǎn)。該專利申請(qǐng)其全部?jī)?nèi)容被引入本文作為參考。國(guó)際專利公開W02005/045192教導(dǎo)了尤其令人感興趣的加熱選擇，其利用受熱流體在油頁巖地層中的循環(huán)。在W02005/045192的工藝中，超臨界加熱后的石腦油可循環(huán)經(jīng)過地層中的裂縫。這表示油頁巖通過濃熱烴蒸氣循環(huán)經(jīng)過緊密間隔的水力裂縫組而得到加熱。一方面，裂縫水平形成，并被常規(guī)支撐。320至400°C的裂縫溫度被保持上至5至10年。蒸發(fā)的石腦油可以是優(yōu)選的加熱介質(zhì)，因?yàn)槠渚哂懈唧w積熱容量、備用性和在加熱溫度下相對(duì)較低的降解速率。在W02005/045192的工藝中，隨著干酪根成熟，流體壓力將驅(qū)動(dòng)生成油到達(dá)受熱裂縫，在此其將隨循環(huán)烴蒸氣被生產(chǎn)。無關(guān)于加熱技術(shù)，開發(fā)區(qū)域200包括地表處理設(shè)施225。地表處理設(shè)施225服務(wù)于主要目的處理從有機(jī)物富集巖石地層230得到的生產(chǎn)流體。生產(chǎn)流體由于地層230中發(fā)生熱解而生成。生產(chǎn)井260中以箭頭” F”表示生產(chǎn)流體流動(dòng)至地表處理設(shè)施225。地表處理設(shè)施225分離流體組分并遞送熱解油流222和熱解氣流224，進(jìn)行商業(yè)銷售。可進(jìn)行氣流224另外的氣體處理，以去除酸性氣體。單獨(dú)的線路(未顯示)從地表處理設(shè)施225去除分離水，用于可能的進(jìn)一步處理。地表處理設(shè)施225儲(chǔ)存部分分離氣體，作為燃?xì)廨啓C(jī)進(jìn)料流291。燃?xì)廨啓C(jī)進(jìn)料流291為燃?xì)廨啓C(jī)292提供燃料。燃?xì)廨啓C(jī)292進(jìn)而是電力工廠290的部分。燃?xì)廨啓C(jī)以292示意性顯示。在燃?xì)廨啓C(jī)292中，燃料組合氧化劑并被點(diǎn)燃，造成發(fā)電廠290中的燃?xì)廨啓C(jī)292運(yùn)轉(zhuǎn)并產(chǎn)生電。電流以線路293顯示。電流293被遞送至變壓器294。變壓器294使電壓步降(st印down)，例如6，600V，并遞送步降的電流經(jīng)過電線295。這是被遞送至熱注入井240的電流。熱注入井240然后將電阻熱提供到有機(jī)物富集巖石地層230中。熱前緣(未顯示)在有機(jī)物富集巖石地層230中生成。熱前緣將有機(jī)物富集巖石地層230加熱至足以使固態(tài)烴熱解成烴流體的水平。在油頁巖地層的情況下，該水平至少為約270°C。作為熱注入井240的選擇，另外的熱可通過熱注入線路249被注入孔245。該熱可以是蒸汽的形式。更優(yōu)選地，該熱形式是受熱氣體，如空氣、氮?dú)饣蜓鯕?。受熱氣體如箭頭” G”所示被遞送至套管250的下部254。為提供受熱氣體，另一滑流的熱解氣226可取自流體處理設(shè)施225。熱解氣226與空氣在小型燃燒發(fā)生器227混合，并被點(diǎn)燃?？商砑恿硗獾姆欠磻?yīng)性氣體，并且受熱氣流通過線路228被釋放。線路228中的受熱氣流被遞送至井口 241，然后進(jìn)入熱注入線路249。熱注入線路249向下遞送受熱氣體” G”到達(dá)有機(jī)物富集巖石地層230。注入受熱氣體” G”不僅向地層230提供更多熱量用于熱解，還可增加在地層230中的有效熱擴(kuò)散率值。注意，操作人員可選擇注入氣體，而不加熱氣體。例如，氣體可以是二氧化碳、氮?dú)饣蚣淄椤？蛇x地，操作人員可選擇通過與熱注入井240緊密間隔的單獨(dú)井注入受熱氣體。優(yōu)選地，注入氣體在有機(jī)物富集巖石地層230中基本上無反應(yīng)性。例如，氣體可以是氮?dú)?、二氧化碳、甲烷或其組合。
如示，烴開發(fā)區(qū)域200還包括生產(chǎn)井260。生產(chǎn)井260提供用于將烴流體從有機(jī)物富集巖石地層230運(yùn)輸至地表210的管道。生產(chǎn)井260被襯以套管柱270。套管柱270是地表套管。重申，由于油頁巖地層趨于淺顯，一般將僅需要單個(gè)套管柱270。但要理解的是，還可使用第二或甚至第三套管柱(未顯示)，這取決于完井深度。套管柱270具有在地表210的上端272。上端272與對(duì)于井樹常見的下閥門處于密封流體連通。套管柱270還具有下端274。優(yōu)選地，下端274延伸至約有機(jī)物富集巖石地層230的頂部。套管柱270具有水泥外殼276，該水泥外殼276至少被布置在井260的上端262周圍。其用于隔離地下210的巖層和任何弱透水層。在其下端264，生產(chǎn)井260完成為裸眼井。裸眼井基本上沿有機(jī)物富集巖石地層230的深度延伸。生產(chǎn)井260還具有生產(chǎn)管柱280。生產(chǎn)管280具有在地表210的上端282。上端282與對(duì)于井樹常見的上閥門處于密封流體連通。生產(chǎn)管柱280還具有下端284。優(yōu)選地，下端284延伸至生產(chǎn)井240的下部264。生產(chǎn)管280的下部285沿有機(jī)物富集巖石地層230的深度延伸。優(yōu)選地，下部285限定有槽的管狀體，其允許熱解的生產(chǎn)流體進(jìn)入生產(chǎn)管280。但是，下部可以是無槽的管，其具有開放的下端。在任一實(shí)例中，流體”F”可在儲(chǔ)層壓力下經(jīng)過管280的孔265，并到達(dá)地表210?？蛇x地，可應(yīng)用人造提升系統(tǒng)。這可以是，例如，往復(fù)式機(jī)械泵(下文顯示于圖5B中)或電潛泵。封隔器266被優(yōu)選提供于生產(chǎn)井260。封隔器266隔離生產(chǎn)管280和周圍的套管270之間的環(huán)形區(qū)域275。封隔器266還引導(dǎo)生產(chǎn)流體”F”向上經(jīng)過生產(chǎn)套管280。在生產(chǎn)流體”F”到達(dá)地表210后，其經(jīng)過井口 261。生產(chǎn)流體”F”被運(yùn)輸通過流體線路269并到達(dá)流體處理設(shè)施225。流體處理設(shè)施225被示意性顯示。但是要理解的是，流體處理設(shè)施225將由閥門、管、儀表、分離器和/或過濾器組成。本發(fā)明不限于流體處理設(shè)施225的安排。烴開發(fā)區(qū)域200的目的是熱解地層230中的有機(jī)物富集巖石基質(zhì)和獲得有價(jià)值的烴流體。如上所述，有機(jī)物富集巖石地層230 —般不是均質(zhì)的巖體，但具有代表不同等級(jí)的固態(tài)烴材料的層段或區(qū)段。圖3顯示測(cè)井或分析，300表示地層烴相對(duì)于深度的等級(jí)。示例性測(cè)井300是油頁巖地層的。測(cè)井300提供兩列310、320。第一列310標(biāo)題為”MD”，表示測(cè)量深度，在該情況下以英尺報(bào)告。其是沿井筒測(cè)量的地表以下的位置。可見，測(cè)量深度從78英尺延伸至161英尺(24米至49米)。因此，其是淺含烴地層。第二列320表示地層的豐富度。豐富度的測(cè)量單位是加侖每噸(GPT)。( 1GPT=4. 3升每噸)。第二列320的范圍是0. 00至82. OOGPT0加侖每噸是指通過標(biāo)準(zhǔn)程序如Fischer分析確定的可從層段處油頁巖提取的頁巖油體積。另外，圖3的測(cè)井300粗略地基于在Piceance Basin進(jìn)行的實(shí)際地層研究。更具體地，測(cè)井300總體上顯示紅木區(qū)(Mahogany Zone)中等級(jí)隨深度的變化,該紅木區(qū)的位置在科羅拉多州加菲爾德縣(Garfield County) (USA)。數(shù)據(jù)通過對(duì)取自井位置的連續(xù)核心的短區(qū)段的Fischer分析確定。核心區(qū)段的長(zhǎng)度約為6至12英寸，并且油頁巖豐富度基于核心區(qū)段長(zhǎng)度平均化。經(jīng)驗(yàn)表明,Piceance Basin的豐富度值可在至少數(shù)百英尺并且有時(shí)在許多英里內(nèi)很好地橫向關(guān)聯(lián)。但是，如圖3所示，油頁巖豐富度可沿著垂直深度顯著改變。這種改變?yōu)榧s10GPT至80GPT。油頁巖豐富度可經(jīng)過短垂直距離如幾英尺就可測(cè)量地改變。在圖3中，兩條虛線已在第二列320上疊加。這些線表示在322和324。線322和324被提供以沿測(cè)量深度大體區(qū)分油頁巖等級(jí)。線322在約25GPT，而線324在約40GPT。在線322以下的等級(jí)值(小于25GPT)表示”貧”范圍；在線324以上的等級(jí)值(40至82GPT)表示”富”范圍；和在線322與324之間的等級(jí)值(25至40GPT)被認(rèn)為具有中等豐富度。要理解的是，圖3所示的GPT值僅具有示例性?！柏S富度”是主觀術(shù)語。進(jìn)一步，本方法無需將有機(jī)物富集巖石的區(qū)段分類為貧或富；相反，本方法考慮該值經(jīng)過深度的變化。但是，圖3提供的分類有助于理解豐富度值經(jīng)過含烴地層的過渡。地層的豐富度取決于多個(gè)因素。這些可包括含烴層形成的條件、層中的碳量和/或?qū)又械臒N組成。薄且富集的地層烴層與較厚但較不富集的地層烴層相比可能夠生產(chǎn)明顯更多的有價(jià)值的烴。當(dāng)然，期望從厚且富集的地層生產(chǎn)烴。含烴層的豐富度可以多種方式評(píng)估。例如，豐富度可通過Fischer分析測(cè)量。Fisher分析是標(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)室熱解和化學(xué)分析技術(shù)。Fischer分析方法包括加熱含烴層樣本至約500°C。I小時(shí)后,收集產(chǎn)自受熱樣本的產(chǎn)物,并定量產(chǎn)生的產(chǎn)物量。含烴層樣本一般通過取巖心獲得，盡管也可開采露頭。利用示例線322、324，操作人員可根據(jù)有機(jī)物豐富度確定油頁巖地層的區(qū)域或區(qū)段。貧區(qū)段可表示為區(qū)段332 ;中等區(qū)段可表示為區(qū)段334 ;和富區(qū)段可表示為區(qū)段336。換句話說，等級(jí)落入線322以下的深度被稱為區(qū)段332 ;等級(jí)落入線322與線324之間的深度被稱為區(qū)段334 ;和等級(jí)落入線324以上的深度被稱為區(qū)段336。這些區(qū)段332、334、336被顯示至第二列320右方。如圖3的測(cè)井300所示，油頁巖可構(gòu)成巖石的大于20、30或甚至40加侖每噸(GPT)Jn Fischer分析確定。除Fischer分析外，有機(jī)物豐富度的其他度量標(biāo)準(zhǔn)在本領(lǐng)域已知。例如，總有機(jī)碳(TOC)是相關(guān)并且廣泛應(yīng)用的度量標(biāo)準(zhǔn)。TOC —般利用高溫燃燒和二氧化碳生成量分析測(cè)量。TOC被報(bào)告為原樣本的質(zhì)量分?jǐn)?shù)。油頁巖地層的有機(jī)物豐富度還可通過測(cè)井技術(shù)評(píng)估。參見，例如，G. Asquithand D.Krygowski, Basic Well Log Analysis(2nd Ed.), AAPG Methods in ExplorationSeriesl6 (2004)。測(cè)井可測(cè)量核、放射性、電學(xué)、光學(xué)或聲波性質(zhì)，然后將其關(guān)聯(lián)于有機(jī)物豐富度。在一些情況下，有機(jī)物豐富度可合理地從相鄰井眼所得值推斷。無關(guān)于使用哪種度量標(biāo)準(zhǔn)分級(jí)固態(tài)烴巖層，固態(tài)烴轉(zhuǎn)化成烴流體可導(dǎo)致原位巖石應(yīng)力改變，是顯而易見的。地層中的高溫造成熱膨脹和壓力增加。此膨脹在地層中產(chǎn)生拉伸和/或剪切應(yīng)力，并可導(dǎo)致地層壓裂，其可施壓于烴開發(fā)區(qū)域中的井。高溫導(dǎo)致巖石基質(zhì)轉(zhuǎn)化或部分流體化和巖石滲透性的相應(yīng)降低。此外，當(dāng)有機(jī)物熱解時(shí)，有機(jī)物富集的巖石可喪失其大部分強(qiáng)度。在一些情況下，巖石僅通過留在巖石中的任何焦炭固定在一起。隨后的流體生產(chǎn)降低地層壓力，因此進(jìn)一步產(chǎn)生地層應(yīng)力。油頁巖區(qū)段的豐富度與響應(yīng)加熱發(fā)生的變化之間存在關(guān)聯(lián)。地層區(qū)段越富集，熱膨脹、流體化和最終材料生產(chǎn)損失的程度越大。貧層經(jīng)受極少的巖石基質(zhì)改變，而富層將經(jīng)受顯著的巖石基質(zhì)改變。因此，有些研究已觀察到應(yīng)當(dāng)在井筒完成過程中進(jìn)行調(diào)節(jié)以預(yù)期富層中的顯著改變。如上所述，Shell Oil Company已經(jīng)描述一種或多種有助于在熱解操作中井穩(wěn)健性的方法。名稱為 “Inhibiting Wellbore Deformation During In Situ ThermalProcessing of a Hydrocarbon Containing Formation” 的美國(guó)專利號(hào) 7，219，734 是一個(gè)實(shí)例。在此專利中，提出對(duì)被認(rèn)為具有局部豐富度的地下地層區(qū)域中的井筒進(jìn)行改動(dòng)。公認(rèn)井筒完整性在維持烴開發(fā)操作的經(jīng)濟(jì)性中至關(guān)重要，該烴開發(fā)操作包括涉及熱解固態(tài)烴如油頁巖、浙青砂或煤床的那些烴開發(fā)操作。但是，僅確定具有豐富干酪根或其他有機(jī)物含量的區(qū)域并然后沿該區(qū)域改變井筒組件本身不保證井的機(jī)械完整性。相反，發(fā)明人在本文已經(jīng)有益地確認(rèn)，應(yīng)當(dāng)進(jìn)行改變的是巖石等級(jí)過渡或“高梯度”區(qū)域。圖4A和4B證實(shí)頁巖油地層400中過渡區(qū)的巖石移動(dòng)的影響。在圖4A和4B中的每一個(gè)中，地層400已被井筒410橫斷。井筒410可以是熱注入井、生產(chǎn)井、注水井或感測(cè)井。套管柱450縱向延伸穿過井筒410。地層400表示有機(jī)物富集巖石地層。但是，如關(guān)于這種地層一特別是頁巖油地層一的一般情況，地層400不是均質(zhì)的，也不是各向同性的。在地層400中，區(qū)段432被確定具有低碳含量。進(jìn)一步，區(qū)段434被確定具有中等碳含量。最終，區(qū)段436被確定具有高碳含量。其將是”富”區(qū)。圖4A中所示的組合區(qū)段432、434、436可以為例如，長(zhǎng)度20英尺。三個(gè)示例性區(qū)段432、434、436的存在產(chǎn)生高梯度區(qū)域。一方面，區(qū)段432、434、436表示井筒410沿線的區(qū)段一在此井筒410相鄰的地層巖石的基于選定層段垂直平均化的Fischer分析油含量在5英尺或更小的垂直跨度內(nèi)改變大于約10加侖每噸。地層400中的選定層段可以為，例如，約I英尺。可選地，選定層段可以在約I英尺至5英尺之間。另一方面，區(qū)段432、434、436表示井筒410沿線的區(qū)段——在此井筒410相鄰的地層巖石的基于I英尺層段垂直平均化的Fischer分析油含量在5英尺或更小的垂直跨度內(nèi)改變大于20加侖每噸。又一方面，區(qū)段432、434、436表示井筒410沿線的區(qū)段——在此井筒410相鄰的地層巖石的基于I英尺層段垂直平均化的有機(jī)碳總量在5英尺或更小的垂直跨度內(nèi)改變大于25%。由于構(gòu)成地層400的地質(zhì)材料不是均質(zhì)的，在地層加熱過程中將產(chǎn)生原位應(yīng)力。對(duì)此，用于熱解的高溫可導(dǎo)致由于差異熱膨脹造成的對(duì)井設(shè)備的顯著應(yīng)力。此外，由于地層中有機(jī)物富集的物質(zhì)熱解和轉(zhuǎn)變成油和氣，其遭受顯著的體積膨脹。此膨脹可導(dǎo)致地層形變，其可進(jìn)一步施壓于橫斷地層400的井設(shè)備。巖石性質(zhì)經(jīng)過相對(duì)較短距離顯著改變的區(qū)域可明顯加劇形變一由于不同巖石性質(zhì)區(qū)域的膨脹差異。區(qū)段432中所示的箭頭F2表示小定向力。區(qū)段434所示的箭頭F4表示較大的反向力。結(jié)果是井筒410形變。示例性力F2、F4,表示剪切力。剪切形變趨于集中于平面，而非以不均勻的剪切畸變發(fā)生。巖石剪切發(fā)生為相對(duì)橫向移位，通常穿過平面特征，如層理面、接合面或斷層。即使沒有明顯的預(yù)先存在的平面特征，大剪切應(yīng)變將引起沿特定平面的滑動(dòng)，因?yàn)閹r石響應(yīng)引發(fā)的剪切應(yīng)力而沉陷(斷裂)。在儲(chǔ)層巖石或上覆巖層剪切的情況下，滑動(dòng)平面趨于沿在剛性不同的材料之間的界面或在已存在的不連續(xù)或弱平面上產(chǎn)生。在此情況下，剪切在有機(jī)物含量不同的巖石基質(zhì)之間發(fā)生。在圖4A中可見，套管450開始經(jīng)受剪切。力F2和F4已經(jīng)產(chǎn)生對(duì)套管450的壓縮力和剪切力。力匕和匕還可產(chǎn)生環(huán)向或扭矩應(yīng)力。這種應(yīng)力損傷井筒機(jī)械完整性，并可導(dǎo)致故障。井筒機(jī)械完整性對(duì)于實(shí)現(xiàn)原位熱解有機(jī)物富集地層的商業(yè)經(jīng)濟(jì)學(xué)是至關(guān)重要的。在熱解過程中施加的高溫基本上限制操作人員接近井筒并修復(fù)完整性相關(guān)問題的能力。因此，根據(jù)本方法，井筒中的井下設(shè)備在某些確定的區(qū)段被強(qiáng)化。更具體地，處于高梯度有機(jī)巖石含量存在的那些點(diǎn)的井下設(shè)備被強(qiáng)化。圖4B顯不與圖4A同一地層400中的同一井筒410。相同原位力F2和F4響應(yīng)地層加熱而發(fā)揮作用。但是，套管450仍在適當(dāng)位置，并耐受剪切(及其他)力F2、F4。為耐受力F2、F4，套管450的壁厚已被增加。在圖4B的安排下，其已通過將伸長(zhǎng)的接箍455在高梯度位置布置于套管450上而實(shí)現(xiàn)。優(yōu)選地，接箍455具有錐形末端458。代替選擇性增加套管450的厚度或另外地，操作人員可利用具有更耐久金相的套管接合處。換句話說，套管的一個(gè)或多個(gè)接合處可被用于確定具有高梯度的區(qū)段，該區(qū)段的金相強(qiáng)度高于最終置于一個(gè)或多個(gè)非確定區(qū)段內(nèi)的套管接合處的金相。強(qiáng)度增加可通過選擇金屬組成、金屬厚度和/或金屬片的物理設(shè)計(jì)和形狀而實(shí)現(xiàn)。圖4A和4B顯示套管柱450，作為井下設(shè)備的項(xiàng)目。但是，其他類型的井下設(shè)備可被強(qiáng)化以抵抗預(yù)期原位應(yīng)力。例如，如果井是熱注入井，井下設(shè)備可包括井下加熱器、電路、電連接或其組合。井下加熱器可以是，例如，電阻加熱部件(如圖2的套管250)或井下燃燒器。如果井是生產(chǎn)井，井下設(shè)備可包括生產(chǎn)設(shè)備，如管(如圖2的管280)、電潛泵、往復(fù)式機(jī)械泵或?yàn)V網(wǎng)。在任何類型的井中，井下設(shè)備可包括井下感測(cè)設(shè)備，如溫度儀表。圖5A顯示井筒500A的下部的橫截面視圖。井筒500A穿過地下地層550形成。地下地層550限定包括地層烴的巖石基質(zhì)。井筒500A顯示熱注入井的一個(gè)實(shí)施方式。熱注入井500A用于升高地下地層550中有機(jī)物富集巖石的溫度至熱解溫度。熱解溫度使有機(jī)物富集巖石的地層烴至少部分轉(zhuǎn)化成烴流體。井筒500A被襯以套管柱510。套管柱510用于支持井筒500A和包封其中的設(shè)備項(xiàng)目。在熱注入井的井筒500A中提供了熱源。在此，熱源是井下燃燒器。井下燃燒器包括管狀元件520A。管狀元件520A通過添加厚度增加的區(qū)域被強(qiáng)化。金屬外殼以522顯示，提供增加的厚度。在這種方式下，井下燃燒器更能耐受由地層550中的熱膨脹引起的地質(zhì)力學(xué)運(yùn)動(dòng)。在優(yōu)選的實(shí)施方式中，金屬外殼522被構(gòu)建以最小化末端——特別是下端——的應(yīng)力集中。其可通過錐形化金屬外殼522實(shí)現(xiàn)。例如，如果通過增厚管壁附加強(qiáng)化，則增厚應(yīng)當(dāng)在末端逐漸減少以防止壁強(qiáng)度突然變化。錐形化末端以圖5A中的524顯示。這種方法還可用于螺紋套管或連接處。井下燃燒器還包括管道530。氧氣或空氣被注入管道530。箭頭”A”表示空氣注入管道530?？諝狻?A”被導(dǎo)向噴嘴535。觀察火焰540噴出噴嘴535?；鹧?40由空氣” A”與可燃燃料的混合引起?？扇既剂媳蛔⑷刖?00A，經(jīng)過管道530與周圍管狀體520A之間的環(huán)形區(qū)域525。箭頭” CF”表示可燃燃料注入環(huán)形區(qū)域525?？諝狻盇”和可燃燃料”CF”在噴嘴535混合。點(diǎn)火器(未顯示)在空氣”A”存在的情況下點(diǎn)燃可燃燃料”CF”，產(chǎn)生火焰540?；鹧?40，依次，釋放熱煙氣。煙氣簡(jiǎn)短地向下經(jīng)過井筒500A，產(chǎn)生地層熱解所需的熱量。煙氣然后向上循環(huán)返回井筒500A，穿過管狀元件530與周圍套管510之間的環(huán)形區(qū)域515。煙氣的流動(dòng)由箭頭”FG”表示。注意，空氣” A”和可燃燃料” CF”的流動(dòng)可逆。這意味著空氣” A”將被注入環(huán)形區(qū)域525，可燃燃料”CF”將被注入管道530。在任一方面，圖5A的井筒500A顯示熱注入井的井下設(shè)備如何可被強(qiáng)化的實(shí)例。管狀元件520A具有增加的壁厚522，至少在圖5A所示的地層550的選定區(qū)段上。另外地，管道530可沿地層550的選定區(qū)段由相對(duì)于地質(zhì)力學(xué)運(yùn)動(dòng)可能性較低的其他區(qū)段較高強(qiáng)度的金相制成。當(dāng)然，圖5A的燃燒燃燒器僅具有示例性。其他類型的燃燒加熱器是已知的。例如，一些燃燒加熱器的燃燒器被配置以進(jìn)行無火焰燃燒。可選地，一些燃燒加熱器燃燒地層中的燃料，如通過自然分布的燃燒器。其通常是指利用氧化劑氧化地層中的至少部分碳以生熱的加熱器，并且其中氧化發(fā)生在井筒最近的附近處。本方法不限于所用的加熱技術(shù)，除非權(quán)利要求中如此描述。井下設(shè)備的強(qiáng)化還可存在于生產(chǎn)井。圖5B顯示井筒500B的下部的橫截面視圖。井筒500B是生產(chǎn)井。井筒500B也穿過地下地層550形成。地下地層550限定包括地層烴的巖石基質(zhì)。生產(chǎn)井500B用于生產(chǎn)已經(jīng)由于地層550中的有機(jī)物富集巖石熱解而生成的烴流體。井筒500B被襯以套管柱510。套管柱510用于支持井筒500B和容納其中的生產(chǎn)設(shè)備。但是，套管柱510已沿圖5B所示的地層550的區(qū)段被穿孔。穿孔以512顯示。穿孔512使生產(chǎn)流體從地層550進(jìn)入井筒500B。在井筒500B中提供了生產(chǎn)設(shè)備。生產(chǎn)設(shè)備首先包括生產(chǎn)管柱520B。生產(chǎn)管520B沿圖5B所示的井筒500B的部分被強(qiáng)化。通過沿生產(chǎn)管520B布置壁厚增加的部分而提供強(qiáng)化。壁厚增加的區(qū)域以522顯示。在這種方式下，生產(chǎn)設(shè)備更能耐受由熱膨脹和地層550中的熱解和生產(chǎn)的其他影響引起的地質(zhì)力學(xué)運(yùn)動(dòng)。生產(chǎn)設(shè)備還可包括泵。泵可以是在所謂的抽油桿柱末端往復(fù)的機(jī)械泵。但是，在圖5B的安排下，泵是容積式泵，如可連接于桿泵系統(tǒng)。這種泵以560顯示。不同類型的井下泵在油和氣工業(yè)已知。通常，泵將具有流體傳送室562。這種泵560也將具有至少一個(gè)下閥門，并且有時(shí)還具有上閥門。在泵560的安排下，提供上球(ball) 564U和下球564L。上球564U通常在下基座566U與上基座568U之間移動(dòng)。類似地，下球564L通常在下基座566L與上基座568L之間移動(dòng)。要理解的是，泵560僅具有示例性。本發(fā)明不限于在用于生產(chǎn)熱解烴流體的井筒中使用的泵類型，如有。但是注意，泵可由較高級(jí)金相制成，以耐受地層550中的任何預(yù)期質(zhì)力學(xué)運(yùn)動(dòng)。在操作中，泵560將具有往復(fù)的機(jī)座(未顯示)。機(jī)座的移動(dòng)將使球564U、564L循環(huán)地坐落和非坐落，使流體流入和流出流體傳送室562。流體在井筒500B中向上移動(dòng)經(jīng)過生產(chǎn)管520B中的孔525。流體的流動(dòng)以箭頭”F”顯示。流體”F”最終被運(yùn)輸至地表。
回到圖3，測(cè)井300沿線的某些區(qū)域被確定為高梯度區(qū)段。這些是這樣的區(qū)段在此，確定區(qū)域332、334、336中地層巖石的有機(jī)物豐富度經(jīng)短距離改變，并存在井下設(shè)備機(jī)械故障的風(fēng)險(xiǎn)。該區(qū)段由括號(hào)350表示。在一些實(shí)例中，區(qū)段350是區(qū)域332、334、336之間快速過渡的區(qū)域。在其他實(shí)例中，區(qū)段350是豐富區(qū)域，但是其中等級(jí)經(jīng)過短層段迅速增加或減少。區(qū)段350的確定可通過計(jì)算機(jī)程序?qū)崿F(xiàn)，該計(jì)算機(jī)程序利用衍生數(shù)學(xué)而數(shù)學(xué)確定高變化率區(qū)域?？蛇x地，區(qū)段350的確定可通過簡(jiǎn)單觀察測(cè)井如測(cè)井300而主觀地實(shí)現(xiàn)。在該實(shí)例中，線322和324可在確定過程中提供有用的基準(zhǔn)。除強(qiáng)化井下設(shè)備外，還可通過擴(kuò)大井筒的區(qū)段而最小化地質(zhì)力學(xué)運(yùn)動(dòng)對(duì)井筒完整性的影響。更具體地，高梯度區(qū)域沿線的井筒的區(qū)段可被管下擴(kuò)眼。圖6是已經(jīng)穿過地層600形成的井筒610的部分的側(cè)視圖。地層600是有機(jī)物富集巖石地層，如油頁巖地層。油頁巖地層可以是，例如，Green River油頁巖。在Green River油頁巖中，可以有一個(gè)或多個(gè)區(qū)段其特點(diǎn)在于豐富度明顯高于地層中的其他層。這些富區(qū)段趨于相對(duì)較薄，如厚度為約6英寸至18英寸。富層的豐富度通常為約0. 150L/kg或更大。一些富層的豐富度可大于約0. 170L/kg。地層的其他層(即，相對(duì)貧層)的豐富度可以為約0. 10L/kg或更小。在地層600中，確定多個(gè)區(qū)段。區(qū)段632表示地層600中具有低碳含量的巖層。區(qū)段634表不地層600中具有中等碳含量的巖層。最后，區(qū)段636被確定,并表不具有高碳含量的巖層。其將是”富”區(qū)?？梢?，高碳含量的短區(qū)段636存在于地層600的中心。該”富”區(qū)段636被兩個(gè)中等碳含量區(qū)段634界定。這兩個(gè)中等碳含量區(qū)段634依次接觸低碳含量的貧區(qū)段632。緊密毗鄰的示例性區(qū)段632、634、636的存在產(chǎn)生高梯度區(qū)域625。高梯度區(qū)域625通過地層豐富度的快速變化產(chǎn)生。高梯度區(qū)域625可表示沿井筒610的區(qū)段——在此井筒610相鄰的地層巖石的基于選定層段垂直平均化的Fischer分析油含量在5英尺或更小的垂直跨度內(nèi)改變大于約10加侖每噸。地層600中的選定層段可以為，例如，約I英尺?？蛇x地，高梯度區(qū)域625可表示沿井筒610的區(qū)段一在此井筒610相鄰的地層巖石的基于I英尺層段垂直平均化的有機(jī)碳總量在5英尺或更小的垂直跨度內(nèi)改變大于25%。有機(jī)物富集巖石地層的層或區(qū)段可具有不同的導(dǎo)熱性和/或不同的熱膨脹系數(shù)?？傮w上，最大膨脹可來自導(dǎo)熱性低和/或熱膨脹系數(shù)高的層。膨脹可首先發(fā)生于加熱過程中，然后稍后于冷卻過程中。為補(bǔ)償可能的的膨脹，本文提出管下擴(kuò)眼井筒610易于地質(zhì)力學(xué)運(yùn)動(dòng)的區(qū)段。在圖6的實(shí)例中，其將是高梯度區(qū)域625。因此可見，井筒610的部分620已被管下擴(kuò)眼。這意味著井筒610沿部分620的直徑被用特殊鉆頭(未顯示)擴(kuò)大。管下擴(kuò)眼部分620具有上端622和下端624。套管柱650已經(jīng)進(jìn)入井筒610。由于井筒的部分620已被管下擴(kuò)眼，套管650對(duì)熱解和隨后冷卻過程中沿管下擴(kuò)眼部分620的地質(zhì)力學(xué)運(yùn)動(dòng)的影響至少有所免疫。要理解的是，地層600及其區(qū)段632、634和636僅具有示例性。在實(shí)踐中，操作人員或油藏工程師無需將地層分裂成巖層或區(qū)段。相反，操作人員或油藏工程師可基于小層段(如I英尺)平均化地層豐富度，然后建立平均豐富度變化率的基線。如果部分井筒超過該基線，則可采取預(yù)防措施，如(i)沿脆弱部分強(qiáng)化井筒設(shè)備，(ii)管下擴(kuò)眼井筒脆弱部分，或(iii) 二者?？捎贸谶x定層段平均化外的其他數(shù)學(xué)方法確定高梯度區(qū)域。這種方法可利用相鄰數(shù)據(jù)點(diǎn)組的標(biāo)準(zhǔn)偏差或曲線擬合——以平滑化嘈雜數(shù)據(jù)或提供分析函數(shù)，以簡(jiǎn)化計(jì)算處理。進(jìn)行分析的一種方式是通過以深度函數(shù)報(bào)告的豐富度數(shù)據(jù)確定移動(dòng)平均曲線，然后利用該曲線的導(dǎo)數(shù)計(jì)算每單位距離的豐富度變化。另外地，可基于其他井筒的現(xiàn)場(chǎng)經(jīng)驗(yàn)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行調(diào)整。圖7顯示完成地下地層中的井筒的方法700的流程圖。根據(jù)方法700，地下地層包括有機(jī)物富集巖石，其將被原位加熱。有機(jī)物富集巖石包括地層烴，如固態(tài)烴或重?zé)N。一方面，有機(jī)物富集巖石地層是油頁巖地層。加熱有機(jī)物富集巖石使地層烴熱解成烴流體。當(dāng)?shù)貙邮怯晚搸r地層時(shí)，原位熱解通常被定義為增加地層溫度至270°C或更高。加熱可以本領(lǐng)域已知的幾種方式實(shí)現(xiàn)。這種技術(shù)可包括，例如(i)利用電阻加熱器，其中電阻熱由井筒中細(xì)長(zhǎng)的金屬元件生成，并且在此電路在井筒中用粒狀材料形成，(ii)利用電阻加熱器，其中電阻熱主要由井筒中的傳導(dǎo)性粒狀材料生成，(iii)利用電阻加熱器，其中電阻熱主要由傳導(dǎo)性粒狀材料生成，該傳導(dǎo)性粒狀材料被布置在兩個(gè)或更多個(gè)相鄰井筒之間的有機(jī)物富集巖石地層，以形成電路，(iv)利用電阻加熱器，其中熱主要由相鄰井筒中細(xì)長(zhǎng)的導(dǎo)電金屬元件生成，并且其中電路在相鄰井筒之間的地層中用粒狀材料形成。(V)利用井下燃燒井，其中熱煙氣在井筒中或相連井筒之間循環(huán)，(v)利用熱流體閉環(huán)循環(huán)穿過有機(jī)物富集巖石地層，或(Vi)其組合。一方面，本方法700首先包括形成至少部分穿過地下地層的井筒。其以方框710顯示。井筒通過鉆井過程形成。本方法700還包括確定在地下地層中并且沿井筒經(jīng)歷超過熱解溫度的溫度的區(qū)域。其被提供在方框720。如上所述，多種加熱方法可用于達(dá)到和甚至超過地下地層中的熱
解溫度。本方法700進(jìn)一步包括沿井筒確定區(qū)段一在此，確定區(qū)域中地層巖石的有機(jī)物豐富度經(jīng)短距離改變。其被提供在方框730。地層巖石的有機(jī)物含量或“豐富度”經(jīng)短距離改變的區(qū)段代表高梯度區(qū)域。該區(qū)域存在熱解過程中井下設(shè)備機(jī)械故障的風(fēng)險(xiǎn)。方框730的確定區(qū)段的步驟可包括沿井筒定位如下區(qū)段在此，井筒相鄰的地層巖石的基于選定層段垂直平均化的Fischer分析油含量在10英尺或5英尺或更小的垂直跨度內(nèi)改變大于約10、20或甚至30加侖每噸。選定層段可以是，例如，約I英尺至3英尺或5英尺。可選地，確定區(qū)段的步驟可包括沿井筒定位如下區(qū)段在此，井筒相鄰的地層巖石的基于I英尺層段(或其他選定層段)垂直平均化的有機(jī)碳總量改變?cè)?英尺或更小的垂直跨度內(nèi)大于約25%?？蛇x地，確定區(qū)段的步驟可包括沿井筒定位如下區(qū)段測(cè)井證實(shí)井筒相鄰的地層巖石的基于選定層段垂直平均化的有機(jī)物含量在5英尺或更小的垂直跨度內(nèi)改變大于25%。選定層段可以為約I英尺。
本方法進(jìn)一步包括強(qiáng)化確定區(qū)段中的井下設(shè)備。其顯示于方框740。強(qiáng)化井下設(shè)備可意為增加井下設(shè)備的橫截面厚度以超過其在一個(gè)或多個(gè)非確定區(qū)段中的橫截面厚度?？蛇x地或另外地，強(qiáng)化井下設(shè)備可意為利用金相強(qiáng)度較高的設(shè)備，超過其在一個(gè)或多個(gè)非確定區(qū)段中的設(shè)備。例如，完井工程師可利用屈服強(qiáng)度高于確定區(qū)域外區(qū)域的部件(例如，110，000磅每平方英寸屈服強(qiáng)度相對(duì)于80，000磅每平方英寸屈服強(qiáng)度)。一方面，井下設(shè)備包括管狀體。強(qiáng)化管狀體包括增加管狀體的橫截面厚度，以超過其在一個(gè)或多個(gè)非確定區(qū)段中的橫截面厚度。然后本方法可進(jìn)一步包括逐漸減少?gòu)?qiáng)化管狀體的至少一端的厚度。在一個(gè)實(shí)施方式中，井筒是熱注入井。然后井下設(shè)備可包括套管、井下加熱器、電路、電連接或其組合。在另一實(shí)施方式中，井筒是生產(chǎn)井。井下設(shè)備包括套管、生產(chǎn)設(shè)備或其組合。本方法700可任選地包括管下擴(kuò)眼確定區(qū)段相鄰的井筒部分。其以方框750提供。管下擴(kuò)眼井筒提供對(duì)地下地層中地質(zhì)力學(xué)引起的運(yùn)動(dòng)增加的耐受力。如果井筒如預(yù)期輕微移動(dòng)，巖石將不立即撞擊套管或其他井下設(shè)備。換句話說，地下巖石的少量運(yùn)動(dòng)可被耐受，而未向井筒中的設(shè)備施加大應(yīng)力。本文所述本方法700和本發(fā)明的總體目的是選擇性地使井筒層段更穩(wěn)固，使得井筒可更好地耐受熱引起的應(yīng)力。其依次防止井筒故障。本方法700包括確定井筒相鄰的在熱解時(shí)將產(chǎn)生顯著地層結(jié)構(gòu)強(qiáng)度變化的巖石地層區(qū)域。該區(qū)域?qū)A向于運(yùn)動(dòng)和滑動(dòng)，這是由于整個(gè)地層巖石性質(zhì)顯著變化不同量引起的差異膨脹和差異強(qiáng)度。本方法700呈現(xiàn)技術(shù)進(jìn)步，因?yàn)槠淇紤]巖石性質(zhì)在熱解過程中的差異變化。這種變化在具體地下位置產(chǎn)生剪切應(yīng)力，其可導(dǎo)致井筒故障。本文所述方法在提高烴流體自有機(jī)物富集巖石地層如包含固態(tài)烴或重?zé)N地層中回收率方面具有多種益處。在多個(gè)實(shí)施方式中，這種益處可包括烴流體自有機(jī)物富集巖石地層的產(chǎn)量增加。雖然本文所述發(fā)明得到良好計(jì)算以實(shí)現(xiàn)上述益處和優(yōu)勢(shì)是顯而易見的，但要理解的是，本發(fā)明適于改動(dòng)、變型和改變，而沒有脫離其精神。
權(quán)利要求
1.完成地下地層中的井筒的方法，所述地下地層包括有機(jī)物富集巖石，所述有機(jī)物富集巖石將被原位加熱，以使固態(tài)烴熱解成烴流體，并且所述方法包括 形成井筒，所述井筒至少部分穿過所述地下地層； 確定在所述地下地層中并且沿所述井筒經(jīng)受超過熱解溫度的溫度的區(qū)域； 沿井筒確定區(qū)段，在此所述確定區(qū)域中地層巖石的有機(jī)物豐富度經(jīng)短距離改變，從而存在井下設(shè)備機(jī)械故障的風(fēng)險(xiǎn)；和 強(qiáng)化至少一個(gè)所述確定區(qū)段中的所述井下設(shè)備。
2.權(quán)利要求1所述的方法，其中所述有機(jī)物富集巖石包括油頁巖、浙青或煤。
3.權(quán)利要求1所述的方法，其中強(qiáng)化所述井下設(shè)備包括(i)增加所述井下設(shè)備的橫截面厚度，以超過一個(gè)或多個(gè)非確定區(qū)段中的所述井下設(shè)備的橫截面厚度，( )利用金相強(qiáng)度較高的設(shè)備，以超過一個(gè)或多個(gè)非確定區(qū)段中的設(shè)備，或(iii)其組合。
4.權(quán)利要求3所述的方法，其中增加所述井下設(shè)備的橫截面厚度包括利用強(qiáng)化接箍、利用金屬外殼、提供具有較厚壁的管狀體或其組合。
5.權(quán)利要求1所述的方法，其中 所述井下設(shè)備包括一個(gè)或多個(gè)管狀體； 強(qiáng)化所述管狀體包括增加所述一個(gè)或多個(gè)管狀體的橫截面厚度，以超過一個(gè)或多個(gè)非確定區(qū)段中的管狀體的橫截面厚度；和 逐漸減少所述一個(gè)或多個(gè)強(qiáng)化管狀體的至少一端的厚度。
6.權(quán)利要求1所述的方法，其中 所述井筒是熱注入井；并且 所述井下設(shè)備包括套管、井下加熱器、電路、電連接或其組合。
7.權(quán)利要求6所述的方法，其中所述井下加熱器包括電阻加熱部件或井下燃燒器。
8.權(quán)利要求1所述的方法，其中 所述井筒是生產(chǎn)井；并且 所述井下設(shè)備包括套管、生產(chǎn)設(shè)備或其組合。
9.權(quán)利要求8所述的方法，其中所述生產(chǎn)設(shè)備包括管、電潛泵、往復(fù)式機(jī)械泵或?yàn)V網(wǎng)。
10.權(quán)利要求1所述的方法，其中所述井下設(shè)備包括井下感測(cè)設(shè)備。
11.權(quán)利要求1所述的方法，其中確定區(qū)段包括沿井筒定位區(qū)段，在此所述井筒相鄰的地層巖石的基于選定層段垂直平均化的Fischer分析油含量在5英尺或更小的垂直跨度內(nèi)改變大于約10加侖每噸。
12.權(quán)利要求11所述的方法，其中所述選定層段為約I英尺。
13.權(quán)利要求11所述的方法，其中所述選定層段在約I英尺至5英尺之間。
14.權(quán)利要求1所述的方法，其中確定區(qū)段包括沿井筒定位區(qū)段，在此所述井筒相鄰的地層巖石的基于選定層段垂直平均化的Fischer分析油含量在5英尺或更小的垂直跨度內(nèi)改變大于20加侖每噸。
15.權(quán)利要求14所述的方法，其中所述選定層段為約I英尺。
16.權(quán)利要求1所述的方法，其中確定區(qū)段包括沿井筒定位區(qū)段，在此所述井筒相鄰的地層巖石的基于選定層段垂直平均化的有機(jī)碳總量在5英尺或更小的垂直跨度內(nèi)改變大于 25%。
17.權(quán)利要求16所述的方法，其中所述選定層段為約I英尺。
18.權(quán)利要求1所述的方法，其中確定區(qū)段包括沿井筒定位區(qū)段，在此測(cè)井證實(shí)所述井筒相鄰的地層巖石的基于選定層段垂直平均化的有機(jī)物含量在5英尺或更小的垂直跨度內(nèi)改變大于25%。
19.權(quán)利要求18所述的方法，其中所述選定層段為約I英尺。
20.權(quán)利要求1所述的方法，進(jìn)一步包括 管下擴(kuò)眼所述確定區(qū)段相鄰的井筒部分。
21.權(quán)利要求1所述的方法，其中 所述有機(jī)物富集的地層是油頁巖地層；并且 所述熱解溫度為至少270°C。
全文摘要
本發(fā)明提供了完成地下地層中的井筒的方法。本方法主要用于包括將被原位加熱的有機(jī)物富集巖石的地下地層。加熱有機(jī)物富集巖石使固態(tài)烴熱解成烴流體。本方法包括沿井筒確定區(qū)段在此，確定區(qū)域中的地層巖石的有機(jī)物豐富度經(jīng)短距離改變。這種改變存在井下設(shè)備機(jī)械故障的風(fēng)險(xiǎn)。本方法進(jìn)一步包括強(qiáng)化至少一個(gè)所述確定區(qū)段中的井下設(shè)備。
文檔編號(hào)E21B36/00GK103069104SQ201180041349
公開日2013年4月24日 申請(qǐng)日期2011年6月17日 優(yōu)先權(quán)日2010年8月30日
發(fā)明者R·D·卡明斯基, P·M·斯匹克, K·H·瑟爾斯 申請(qǐng)人:埃克森美孚上游研究公司