(57)【要約】  地下の累層の加熱システムが開示される。このシステムは累層中の炭化水素含有層内に配置された実質的に水平な又は傾斜した複数のヒーター部分を含む。これらのヒーター部分のうち２ヒーター部分の少なくとも一部が互いにほぼ平行になっている。炭化水素含有層内のヒーター部分のうち少なくとも２ヒーター部分の端部が、前記少なくとも２ヒーター部分の端部に実質的に垂直な方向に配置された実質的に水平な又は傾斜した電気導体に電気接続される。【選択図】図６
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
地下累層における炭化水素含有層中に配置された実質的に水平方向の又は傾斜した複数のヒーター部分を備えた地下累層の加熱システムであって、
前記ヒーター部分のうち２ヒーター部分の少なくとも一部が互いに実質的に平行であり、
地下累層中の前記ヒーター部分のうち少なくとも２ヒーター部分の端部が、前記少なくとも２ヒーター部分の端部に実質的に垂直に方向付けられた実質的に水平な又は傾斜した電気導体に電気的に接続される、地下累層の加熱システム。
【請求項２】
前記実質的に水平な又は傾斜した電気導体がヒーター部分の中性線又は帰線である、請求項１に記載の加熱システム。
【請求項３】
前記少なくとも２ヒーター部分が並列にて電気接続される請求項１又は２に記載の加熱システム。
【請求項４】
前記少なくとも２ヒーター部分が直列にて電気接続される請求項１又は２に記載の加熱システム。
【請求項５】
前記少なくとも２ヒーター部分の端部が、マウストラップ連結器、溶融金属、及び／又は爆着を用いて前記実質的に水平な又は傾斜した電気導体に接続される請求項１又は２に記載の加熱システム。
【請求項６】
前記実質的に水平な又は傾斜した電気導体が、前記少なくとも２ヒーター部分の端部が挿入されるチューブである請求項１又は２に記載の加熱システム。
【請求項７】
前記ヒーター部分の少なくとも１つが、前記ヒーター部分において選択温度に到達したときその熱出力を自動的に低減するよう構成される請求項１又は２に記載の加熱システム。
【請求項８】
前記ヒーター部分のうち少なくとも２ヒーター部分の少なくとも大部分が互いにほぼ平行である請求項１又は２に記載の加熱システム。
【請求項９】
炭化水素含有層の処理方法であって、
請求項１又は２に記載の加熱システムを用いて加熱する段階と、
前記加熱システムから前記炭化水素含有層の一部に熱を移動させる段階とを含む前記処理方法。
【請求項１０】
請求項１に記載の加熱システムを形成する方法であって、
前記地下累層中に第１の坑井を形成する段階であって、前記坑井の一部が実質的に水平か又は傾斜している前記段階と；
電気導体を前記第１の坑井内に配置する段階と；
前記地下累層中に少なくとも２つの追加の坑井を形成する段階であって、前記追加の坑井の端部が前記第１の坑井と交差し、また、現場での熱処理プロセスにより熱処理されるべき炭化水素層を通過する第１の追加の坑井部分の少なくとも大部分が、前記炭化水素層を通過する第２の追加の坑井部分の少なくとも大部分と実質的に平行である前記段階と；
前記追加の坑井の少なくとも１つの中にヒーター部分を配置する段階と；
前記第１の坑井内にて前記ヒーター部分と前記電気導体を接続する段階とを含む前記方法。
【請求項１１】
前記第１の坑井中の電気導体がヒーター部分の中性線又は帰線である請求項１０に記載の方法。
【請求項１２】
他の追加の坑井の少なくとも１つの中に第２のヒーター部分を配置し、前記ヒーター部分が並列に電気接続されるように前記追加の坑井中の前記ヒーター部分を接続する段階を更に含む、請求項１０又は１１に記載の方法。
【請求項１３】
他の追加の坑井の少なくとも１つの中に第２のヒーター部分を配置し、前記ヒーター部分が直列に電気接続されるように前記追加の坑井内で前記ヒーター部分を接続する段階を更に含む、請求項１０又は１１に記載の方法。
【請求項１４】
マウストラップ連結器、溶融金属、及び／又は爆着を用いて前記ヒーター部分の端部が１つの前記電気導体に接続される請求項１０又は１１に記載の方法。
【請求項１５】
前記第１の坑井中の前記電気導体が、前記ヒーター部分の端部が挿入されるチューブである請求項１０又は１１に記載の方法。
【請求項１６】
前記ヒーター部分を用いて前記地下累層の少なくとも一部を加熱する段階を更に含む請求項１０又は１１に記載の方法。
【請求項１７】
他の追加の坑井の少なくとも１つの中に第２のヒーター部分を配置し、前記ヒーター部分からの熱が前記地下累層内において前記第２のヒーター部分からの熱と重ね合わされるように前記ヒーター部分を用いて前記地下累層の少なくとも一部を加熱する段階を更に含む、請求項１０又は１１に記載の方法。
【請求項１８】
前記ヒーター部分が、前記ヒーター部分において選択温度に達したときその熱出力を自動的に低減するよう構成される請求項１０又は１１に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
背景
１．発明の分野
一般に本発明は、炭化水素を含有した層など地下の様々な層から炭化水素、水素、及び／又は他の生成物を産出するための加熱方法及び加熱システムに関する。また、特定の態様は、地下の層を加熱するための並列ヒーターシステムに関する。
【背景技術】
【０００２】
２．関連技術の説明
地下の層から得られる炭化水素は、しばしばエネルギー資源、供給原料、及び消費者製品として用いられる。利用可能な炭化水素資源の枯渇の問題や、製造された炭化水素の品質全体の低下の問題から、利用可能な炭化水素資源について更に効率的な回収、処理及び／又は使用が開発されてきた。現場で炭化水素物質を地下の層から取り出すプロセスを用いてもよい。炭化水素物質を更に容易に地下の層から取り出すために、地下の層中の炭化水素物質の化学的及び／又は物理的な特性を変える必要があるかもしれない。化学的及び物理的な変化としては、取り出し可能な流体を生成する現場での反応、層中の炭化水素物質についての組成変化、溶解度の変化、密度変化、相変化、及び／又は粘性変化が挙げられる。限定するものではないが、流体は、気体、液体、乳濁液、懸濁液、及び／又は液体流に類似の流れ特性を有する固体粒子の流れとし得る。
【０００３】
坑井を層中に形成してもよい。特定の態様では、ケーシング又は管システムを坑井中に配置又は形成してもよい。特定の態様では、拡張可能チューブを坑井内で用いてもよい。現場でのプロセス中に層を加熱するために、坑井中にヒーターを配置してもよい。
【０００４】
オイルシェール層の加熱については、Ｌｊｕｎｇｓｔｒｏｍへの米国特許第２，９２３，５３５号、及びＶａｎ  Ｍｅｕｒｓらへの米国特許第４，８８６，１１８号に記載されている。オイルシェール層中のケロゲンを熱分解するためにオイルシェール層に熱を加えてもよい。層の浸透性を高めるために熱で層を破砕してもよい。浸透性が増すと層流体が産出井まで移動でき、該流体をオイルシェール層から取り出すことができる。例えば、Ｌｊｕｎｇｓｔｒｏｍにより開示された特定のプロセスでは、燃焼を開始するために好ましくは予熱段階からそのまま高温の間に酸素含有ガス状媒体が透水層に取り込まれる。
【０００５】
地下層を加熱するために熱源を使用してもよい。放射及び／又は伝導により地下の層を加熱するために電気ヒーターを使用できる。電気ヒーターは要素を抵抗加熱できる。Ｇｅｒｍａｉｎへの米国特許第２，５４８，３６０号；Ｅａｓｔｌｕｎｄらへの米国特許第４，７１６，９６０号；及びＶａｎ  Ｅｇｍｏｎｄへの米国特許第５，０６５，８１８号には、坑井中に配置された電気加熱要素が記載されている。Ｖｉｎｅｇａｒらへの米国特許第６，０２３，５５４号には、ケーシング中に配置された電気加熱要素が記載されている。この加熱要素はケーシングを加熱する放射エネルギーを発生する。
【０００６】
Ｖａｎ  Ｍｅｕｒｓらへの米国特許第４，５７０，７１５号には、電気加熱要素が記載されている。この加熱要素は、導電性コアと、その周囲の絶縁材の層と、その周囲の金属シースとを有する。この導電性コアは高温にて相対的に低い抵抗を有し得る。絶縁材は、高温にて相対的に高い電気抵抗、圧縮強度、及び熱伝導率の特性を有し得る。絶縁層により、コアから金属シースへのアークの発生が防止できる。金属シースは、高温にて相対的に高い引張強さ及びクリープ抵抗の特性を有し得る。Ｖａｎ  Ｅｇｍｏｎｄへの米国特許第５，０６０，２８７号には、銅ニッケル合金のコアを有する電気加熱要素が記載されている。
【０００７】
ヒーターは錬ステンレス鋼から製造してもよい。Ｍａｚｉａｓｚらへの米国特許第７，１５３，３７３号及びＭａｚｉａｓｚらへの米国特許出願公開第ＵＳ２００４／０１９１１０９号には、鋳造ミクロ組織又は微粒状シート若しくは箔として改質された２３７ステンレス鋼が記載されている。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
上記において概説したように、炭化水素を含有した層（以下、「炭化水素含有層」ともいう）から炭化水素、水素、及び／又は他の生成物を経済的に産出するためのヒーター、方法及びシステムを開発する多大な努力が注がれてきた。しかしながら、現在のところ、炭化水素、水素、及び／又は他の生成物を経済的に産出することができない炭化水素含有層がなお多く存在する。よって、炭化水素、水素、及び／又は他の生成物を種々の炭化水素含有層から産出する改善された加熱方法及びシステムに対する必要性が依然として存在する。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
概要
一般に、ここに記載の態様は地下の層を処理するためのシステム、方法、及びヒーターに関する。一般に、ここに記載の態様はまた、新たな構成要素を備えたヒーターにも関する。このヒーターは、ここに記載のシステム及び方法を用いることにより得ることができる。
【００１０】
特定の態様では、本発明は１又は複数のシステム、方法、及び／又はヒーターを提供する。特定の態様では、地下の層を処理するためにこれらのシステム、方法、及び／又はヒーターが用いられる。
【００１１】
特定の態様では、本発明は、地下累層における炭化水素含有層中に配置された実質的に水平方向の又は傾斜した複数のヒーター部分を備えた地下累層の加熱システムであって、前記ヒーター部分のうち２ヒーター部分の少なくとも一部が互いに実質的に平行であり、地下累層中の前記ヒーター部分のうち少なくとも２ヒーター部分の端部が、前記少なくとも２ヒーター部分の端部に実質的に垂直に方向付けられた実質的に水平な又は傾斜した電気導体に電気的に接続される、地下累層の加熱システムを提供する。
【００１２】
別の態様では、特定の態様の特徴が他の態様の特徴と組み合わされてもよい。例えば、１つの態様の特徴をその他のいずれかの態様の特徴と組み合わせてもよい。
【００１３】
別の態様では、ここに記載の方法、システム、又はヒーターのいずれかを用いて地下の層の処理が実行される。
【００１４】
別の態様では、ここに記載の特定の態様に更なる特徴を追加してもよい。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
以下の詳細な説明及び添付の図面を参照すれば、本発明の効果が当業者には明らかになるであろう。
【００１６】
【図１】炭化水素を含有した層の加熱段階を示す。
【００１７】
【図２】炭化水素を含有した層を処理するための現場での熱処理システムの一部の態様の概略図である。
【００１８】
【図３】炭化水素層中においてバスバーに連結された実質的に水平な複数のヒーターの態様を示す。
【００１９】
【図４】炭化水素層中においてバスバーに連結された実質的に水平な複数のヒーターの態様を示す。
【００２０】
【図５】コネクタによりヒーターに連結されたバスバーの態様を示す。
【００２１】
【図６】コネクタとセントラライザー（centralizer）によりヒーターに連結されたバスバーの態様を示す。
【００２２】
【図７】バスバーに連結するコネクタの断面図である。
【００２３】
【図８】バスバーに連結するコネクタの三次元図である。
【００２４】
本発明は種々の変更を行ったり代替の形式をとったりできるが、例としてその特定の態様について図面に示し明細書において詳細に説明する。図面は縮尺どおりではないかもしれない。しかしながら、図面とその詳細な説明は本発明を開示した特定の形式に限定するものではなく、逆に本発明は添付の特許請求の範囲に記載の本発明の思想及び範囲内にあるすべての変更、等価物及び代替物を含むものであることに留意すべきである。
【発明を実施するための形態】
【００２５】
一般に以下の記載は、層中の炭化水素を処理するためのシステム及び方法に関する。炭化水素生成物、水素、及びその他の生成物を得るために、これらの層を処理できる。
【００２６】
「交流（ＡＣ）」とは、実質的に正弦波状に方向を逆転する時間的に変動する電流をいう。ＡＣにより、強磁性導体において表皮効果の電気の流れが発生する。
【００２７】
「キュリー温度」は、その温度を超えると強磁性体がその強磁性特性のすべてを失う温度である。キュリー温度を超えてその強磁性特性のすべてを失うことに加えて、強磁性体は、増大する電流が強磁性体を流れるとその強磁性特性を失い始める。
【００２８】
「流体圧力」は層中の流体により作られる圧力である。「地盤圧力」（しばしば「地盤応力」という）は、上に横たわる岩盤の単位面積当たりの重量に等しい層中の圧力である。「静水圧」は水柱によって加えられる層中の圧力である。
【００２９】
「累層（又は層）（formation）」は１以上の炭化水素含有層、１以上の非炭化水素層、オーバーバーデン（overburden）、及び／又はアンダーバーデン（underburden）を含む。「炭化水素層」とは累層において炭化水素を含有した層をいう。炭化水素層は非炭化水素物質及び炭化水素物質を含み得る。「オーバーバーデン」及び／又は「アンダーバーデン」は１以上の異なる種類の不浸透性物質を含む。例えば、オーバーバーデン及び／又はアンダーバーデンは岩石、頁岩、泥岩、又は湿性／緊密な炭酸塩を含み得る。現場での熱処理プロセスの特定の態様では、オーバーバーデン及び／又はアンダーバーデンは、相対的に不浸透性であり且つ現場での熱処理プロセス中に温度に影響されない炭化水素含有層（１又は複数）を含むことができ、その結果、オーバーバーデン及び／又はアンダーバーデンの炭化水素含有層の特性がかなり変化する。例えば、アンダーバーデンは頁岩又は泥岩を含んでもよいが、アンダーバーデンは現場での熱処理プロセス中に熱分解温度まで加熱することはできない。場合によっては、オーバーバーデン及び／又はアンダーバーデンはいくらか浸透性を有してもよい。
【００３０】
「層流体」とは層中に存在する流体をいい、熱分解流体、合成ガス、移動性の炭化水素、及び水（蒸気）を含み得る。層流体は非炭化水素流体だけでなく炭化水素流体も含み得る。「移動性流体」とは、層の熱処理の結果として流れることができる、炭化水素を含有した層中の流体をいう。「産出流体」とは、当該層から取り出された流体をいう。
【００３１】
熱源は、実質的に伝導及び／又は放射による熱伝達によって層の少なくとも一部を加熱する任意のシステムである。例えば、熱源は、例えば導管中に配置された絶縁導体、細長部材、及び／又は導体などの電気ヒーターを含み得る。熱源はまた、層の外部又は内部で燃料を燃焼させることにより熱を発生するシステムを含み得る。これらのシステムは、地表バーナー、ダウンホールガスバーナー、分散型無炎燃焼器、及び分散型天然燃焼器とし得る。特定の態様では、１以上の熱源に供給される熱又は該熱源で発生される熱は、他のエネルギー源から供給し得る。この他のエネルギー源が層を直接加熱してもよいし、層を直接的又は間接的に加熱する媒体を移動させるためにそのエネルギーを用いてもよい。層を加熱する１以上の熱源は異なるエネルギー源を使用できることが分かる。よって、例えば、所与の層に対して、いくつかの熱源が電気抵抗ヒーターから熱を供給し、いくつかの熱源が燃焼から熱を供給し、いくつかの熱源が１以上のその他のエネルギー源（例えば、化学反応、太陽エネルギー、風力エネルギー、バイオマス、又はその他の再生可能なエネルギー源）から熱を供給できる。化学反応は、発熱反応（例えば酸化反応）を含み得る。熱源はまた、ヒーター井戸などの加熱場所に近接したゾーン及び／又は該加熱場所を包囲したゾーンに熱を供給するヒーターを含み得る。
【００３２】
「ヒーター」は、井戸又は坑井に近接した領域内で熱を発生するための任意のシステム又は熱源である。ヒーターは、限定するものではないが、電気ヒーター、バーナー、層中の物質若しくは該層から産出される物質と反応する燃焼器、及び／又はそれらの組み合わせとし得る。
【００３３】
一般に「炭化水素」は主に炭素原子と水素原子とから形成される分子として定義される。炭化水素は、限定するものではないが例えばハロゲン、金属元素、窒素、酸素、及び／又は硫黄など他の元素を含んでもよい。炭化水素は、限定するものではないが、ケロゲン、ビチューメン、焦性瀝青、オイル、天然鉱蝋、及びアスファルタイトとし得る。炭化水素は地中の鉱物マトリックス中又はそれに隣接して存在し得る。マトリックスとしては、限定するものではないが、堆積岩、砂、シリシライト（silicilytes）、炭酸塩、珪藻土、及びその他の多孔質媒体が挙げられる。「炭化水素流体」は、炭化水素を含んだ流体である。炭化水素流体は、水素、窒素、一酸化炭素、二酸化炭素、硫化水素、水、及びアンモニアなどの非炭化水素流体を含むか、そのような非炭化水素流体を伴うか、又はそのような非炭化水素流体中に混入させ得る。
【００３４】
「現場での変換プロセス」とは、熱源から炭化水素含有層を加熱し、当該層の少なくとも一部の温度を熱分解温度よりも高くすることで、熱分解流体を当該層中で生成するプロセスをいう。
【００３５】
「現場での熱処理プロセス」とは、熱源を用いて炭化水素含有層を加熱し、当該層の少なくとも一部の温度を炭化水素含有物質の流動性流体、ビスブレーキング、及び／又は熱分解を生じる温度よりも高くすることで、移動性流体、ビスブレーキング流体、及び／又は熱分解流体を当該層中で生成するプロセスをいう。
【００３６】
「絶縁導体」とは、電気を通すことができる細長物質であって、電気的な絶縁材により全体的又は部分的に覆われたものをいう。
【００３７】
「熱分解」とは、熱を加えることにより化学結合が破壊されることである。例えば、熱分解は、熱のみにより化合物を１以上の他の物質に変換することを含み得る。熱を層の一部に移動させて熱分解を起こすことができる。
【００３８】
「熱分解流体」又は「熱分解生成物」とは、実質的に炭化水素の熱分解中に生成された流体をいう。熱分解反応により生成された流体を、層中の他の流体と混合してもよい。この混合物は熱分解流体又は熱分解生成物と考えられる。「熱分解ゾーン」とは、反応させられるか又は反応して熱分解流体を形成する一定容量の層（例えば、タールサンド層などの比較的浸透性の層）をいう。
【００３９】
「熱の重ね合わせ」とは、熱源間の少なくとも１つの場所での層の温度が熱源によって影響されるように、層の選択された領域に２以上の熱源から熱を与えることをいう。
【００４０】
一般に「温度制限ヒーター」とは、例えば温度コントローラ、電源レギュレータ、整流器、又はその他の装置などの外部制御機器を使用することなく、特定の温度より上に熱出力を調節する（例えば、熱出力を抑制する）ヒーターをいう。温度制限ヒーターは、ＡＣ（交流）又は変調（例えば、「チョップド」）ＤＣ（直流）駆動の電気抵抗ヒーターとし得る。
【００４１】
「伝熱流体」は、標準温度及び標準圧力（ＳＴＰ）（０℃及び１０１．３２５ｋＰａ）にて熱伝導率が空気より大きい流体を含む。
【００４２】
「熱伝導率」は、物質の２つの表面間に温度差が与えられた場合に定常状態においてこれら２つの表面間に流れる熱の速度を示す物質の特性である。
【００４３】
地層の「厚さ」とは、地層面に垂直な地層断面の厚さをいう。
【００４４】
「時間的に変動する電流」とは、強磁性導体において表皮効果の電気の流れを生成すると共に、時間変化する大きさを有する電流をいう。時間的に変動する電流としては、交流（ＡＣ）と変調された直流（ＤＣ）とが挙げられる。
【００４５】
温度制限ヒーターの「ターンダウン比」とは、所与の電流についてキュリー温度より下で最高のＡＣ又は変調されたＤＣ抵抗と、キュリー温度より上で最低の抵抗との比をいう。
【００４６】
「Ｕ字形の坑井」とは、層中の第１の穴から当該層の少なくとも一部を通って層中の第２の穴を通って抜け出るように延びる坑井をいう。この場合、坑井は単にほぼ「Ｖ」又は「Ｕ」字形にしてもよく、その際に「Ｕ字形」と考えられる坑井について「Ｕ」の「脚部」は互いに平行である必要はなく、又は「Ｕ」の「底部」に対して垂直である必要はない。
【００４７】
「グレードアップ」とは炭化水素の品質を上げることである。例えば、重質炭化水素をグレードアップすることにより、重質炭化水素のＡＰＩ比重が増加し得る。
【００４８】
「坑井（wellbore）」なる用語は、掘削又は層中への導管の挿入により層中に作られた穴をいう。坑井は実質的に円形の断面形状、又は別の断面形状を有し得る。「井戸」及び「穴」なる用語は、層中の穴をいうときには、「坑井」なる用語と交換可能に使用できる。
【００４９】
層中の炭化水素は種々の方法で処理して多くの様々な生成物を生成できる。特定の態様では、層中の炭化水素を段階的に処理する。図１は炭化水素含有層の加熱段階を示す。図１はまた、収量（「Ｙ」）〔層からの層流体の１トン当たりの石油換算バレル数（ｙ軸）〕対加熱された層の温度（「Ｔ」）〔摂氏（ｘ軸）〕の一例を示す。
【００５０】
メタンの脱離と水の蒸発が第１段階の加熱中に起こる。第１段階による層の加熱は出来るだけ迅速に行なってもよい。例えば、初めは炭化水素含有層が加熱されると、層中の炭化水素が吸収されたメタンを脱離する。脱離されたメタンを当該層から産出できる。炭化水素含有層が更に加熱されると、炭化水素含有層中の水が蒸発する。水は特定の炭化水素含有層中にて層中の細孔容積の１０％〜５０％を占め得る。その他の層中では、水は細孔容積のより大きな部分又はより小さな部分を占める。一般に、水は層中で１６０℃〜２８５℃にて６００ｋＰａ〜７０００ｋＰａの絶対圧力にて蒸発させる。特定の態様では、蒸発した水は層中の湿潤性を変化させ、且つ／又は層の圧力を高める。湿潤性の変化及び／又は圧力の増加は、層中での熱分解反応又はその他の反応に影響し得る。特定の態様では、蒸発水を層から産出する。別の態様では、蒸発水は、層中又は層外にて蒸気抽出及び／又は蒸留を行なうために用いられる。水を取り出して層中の細孔容積を増大させることにより、細孔容積中に炭化水素を収容するスペースが増大する。
【００５１】
特定の態様では、第１段階の加熱の後、層中の温度が（少なくとも）初期の熱分解温度（例えば第２段階として示されている温度範囲の下端の温度）に到達するように、層を更に加熱する。層中の炭化水素は第２段階の全体を通じて熱分解され得る。熱分解温度の範囲は層中の炭化水素の種類に依存して変わる。熱分解温度の範囲は２５０℃〜９００℃の温度を含み得る。所望の生成物を生成するための熱分解温度の範囲は、熱分解温度の全範囲の一部のみとしてもよい。特定の態様では、所望の生成物を生成するための熱分解温度の範囲は、２５０℃〜４００℃の温度又は２７０℃〜３５０℃の温度を含み得る。層中の炭化水素の温度が２５０℃〜４００℃の温度範囲をゆっくりと上げられたなら、熱分解生成物の生成は温度が４００℃に近づいたとき実質的に完了し得る。所望の生成物を生成させるために、熱分解温度の範囲において１日当たり５℃未満、１日当たり２℃未満、１日当たり１℃未満、又は１日当たり０．５℃未満の速度で炭化水素の平均温度を上昇させてもよい。複数の熱源を用いて炭化水素含有層を加熱すると、熱源のまわりに温度勾配が形成されるので、熱分解温度の範囲を通して層中の炭化水素の温度をゆっくり上げることができる。
【００５２】
所望の生成物のための熱分解温度範囲における温度の上昇速度は、炭化水素含有層から産出される層流体の質と量に影響を与え得る。所望の生成物のための熱分解温度範囲を通して層の温度をゆっくり上昇させると、層から高品質で高いＡＰＩ比重の炭化水素を産出できる。所望の生成物のための熱分解温度範囲を通して層の温度をゆっくり上昇させると、層中に存在する大量の炭化水素を炭化水素製品として取り出すことができる。
【００５３】
現場での熱処理の特定の態様では、温度範囲を通してゆっくり温度を上げる代わりに、層の一部を所望の温度に加熱する。特定の態様では、所望の温度は３００℃、３２５℃、又は３５０℃である。その他の温度を所望の温度として選ぶこともできる。熱源からの熱を重ね合わせることにより、所望の温度を比較的速く効率的に層中に形成できる。熱源から層中へのエネルギー入力は、層中の温度を実質的に所望の温度に維持するように調節できる。層の加熱部分は、熱分解が衰えて層からの所望の層流体の生産が非経済的なものとなるまで、実質的に所望の温度に維持される。熱分解を受ける層の部分は、１つの熱源のみからの熱伝達により熱分解温度範囲に至らしめられる領域を含み得る。
【００５４】
特定の態様では、熱分解流体を含んだ層流体が層から産出される。層の温度が上がるにつれ、産出される層流体中の凝縮可能な炭化水素の量が減少し得る。高温では、層は主にメタン及び／又は水素を産出し得る。炭化水素含有層が熱分解範囲の全体にわたって加熱されるならば、層は熱分解範囲の上限にかけて少量の水素のみを産出し得る。利用可能な水素のすべてが使い尽くされた後は、一般に層から最小量の流体が産出される。
【００５５】
炭化水素の熱分解の後、大量の炭素といくらかの水素が依然として層中に存在し得る。層中に残っているかなりの部分の炭素が、層から合成ガスの形で産出できる。合成ガスの生成は、図１に図示された第３段階の加熱中に起こり得る。第３段階は、合成ガスを生成できる十分な温度に炭化水素含有層を加熱することを含み得る。例えば、合成ガスは約４００℃〜約１２００℃、約５００℃〜約１１００℃、又は約５５０℃〜約１０００℃の温度範囲内で生成し得る。合成ガス生成流体が層に取り込まれたときの層の加熱部分の温度が、層中で生成される合成ガスの組成を決める。生成された合成ガスは、層から産出井（１つ又は複数）を介して取り出すことができる。
【００５６】
炭化水素含有層から生成される流体の全エネルギー量は、熱分解及び合成ガスの生成を通して相対的に一定のままであり得る。相対的に低い層温度での熱分解中、生成される流体のかなりの部分が、高いエネルギー量を有する凝縮可能な炭化水素であり得る。しかしながら、熱分解温度がより高くなれば、より少量の層流体が凝縮可能な炭化水素を含み得る。より多くの非凝縮性の層流体が層から生成され得る。生成される流体の単位体積当たりのエネルギー量は、主に非凝縮性の層流体の生成中にわずかに減少し得る。合成ガスの生成中、生成される合成ガスの単位体積当たりのエネルギー量は、熱分解流体のエネルギー量と比較してかなり減少する。しかしながら、生成される合成ガスの体積は多くの場合実質的に増加するので、減少したエネルギー量を補う。
【００５７】
図２は炭化水素含有層を処理するための現場での熱処理システムの一部の態様についての概略図である。現場での熱処理システムはバリア井戸２００を含んでもよい。バリア井戸は処理領域のまわりにバリアを形成するために用いられる。バリアにより、流体が処理領域に流入すること及び／又は処理領域から流出することが防止される。バリア井戸として、限定するものではないが、排水井戸、真空井戸、捕獲井戸、注入井戸、グラウト井戸、凍結井戸、又はこれらの組み合わせが挙げられる。特定の態様では、バリア井戸２００は排水井戸である。排水井戸は液体の水を取り除き、且つ／又は加熱される層又は加熱されている層の一部に液体の水が入るのを防止できる。図２に図示された態様では、バリア井戸２００は熱源２０２の一方の側だけに沿って延びているが、一般にバリア井戸は層の処理領域を加熱するために使用された又は使用される熱源２０２のすべてを取り囲む。
【００５８】
熱源２０２は層の少なくとも一部中に配置される。熱源２０２としては、例えば絶縁導体、導管内導体型ヒーター、地表バーナー、分散型無炎燃焼器、及び／又は分散型天然燃焼器などのヒーターが挙げられる。熱源２０２としては、他の種類のヒーターも挙げることができる。熱源２０２は層の少なくとも一部に熱を与えて層中の炭化水素を加熱する。供給管路２０４を通してエネルギーを熱源２０２に供給できる。供給管路２０４は、層を加熱するのに用いられる熱源（１つ又は複数）の種類に依存して構造が異なってもよい。熱源用の供給管路２０４は、電気ヒーターに電気を送るか、燃焼器に燃料を輸送するか、又は層中を循環する熱交換流体を輸送することができる。特定の態様では、現場熱処理法のための電気を原子力発電所（１つ又は複数）により供給してもよい。原子力を用いることにより、現場熱処理法における二酸化炭素の排出を削減又は排除できるかもしれない。
【００５９】
産出井２０６は層から層流体を取り出すのに用いられる。特定の態様では、産出井２０６は熱源を含む。産出井の熱源は、産出井にて又は産出井付近にて層の１以上の部分を加熱できる。現場での熱処理プロセスの特定の態様では、産出井１メートル当たり産出井から層に供給される熱量は、熱源１メートル当たり層を加熱する熱源から層に加えられる熱量より少ない。
【００６０】
特定の態様では、産出井２０６中の熱源により、層から層流体の気相除去が可能となる。産出井にて又は産出井を介して加熱することにより、（１）産出流体がオーバーバーデンに近接した産出井の中を移動しているときに産出流体の凝縮及び／又は還流を防止し、（２）層中への入熱を増大させ、（３）熱源を用いない産出井と比べて産出井からの産出速度を高め、（４）産出井中での高炭素数化合物（Ｃ６以上）の凝縮を防止し、及び／又は（５）産出井にて又はその近くでの層の浸透性を高めることができる。
【００６１】
層中の地下圧力は、層中で生成される流体圧力に対応するかもしれない。層の加熱された部分の温度が高くなるにつれ、流体の熱膨張、流体生成の増加、及び水の蒸発によって加熱部分の圧力が高くなるかもしれない。層からの流体の除去速度を制御することにより、層中の圧力を制御できるかもしれない。層中の圧力は、複数の異なる場所にて、例えば産出井にて若しくはその近くにて、熱源にて若しくはその近くにて、又は監視井戸にて測定してもよい。
【００６２】
特定の炭化水素含有層においては、該層からの炭化水素の産出は、層中の少なくともいくらかの炭化水素が熱分解されるまで禁止される。選択された品質の層流体である場合には、層流体を層から産出してもよい。特定の態様では、選択された品質として、少なくとも２０°、３０°、又は４０°のＡＰＩ比重が挙げられる。少なくともいくらかの炭化水素が熱分解されるまで産出を禁止することにより、軽質炭化水素への重質炭化水素の変換を増やすことができる。初期産出を禁止することにより、層からの重質炭化水素の産出を最小化できる。多量の重質炭化水素を産出するには、高額な設備を要し且つ／又は産出設備の寿命を短くするかもしれない。
【００６３】
熱分解温度に達しかつ層からの産出が可能になった後、産出される層流体の組成を変え且つ／又は制御し、層流体中の非凝縮性流体に対する凝縮性流体の割合を制御し、及び／又は産出されている層流体のＡＰＩ比重を制御するために、層中の圧力を変化させてもよい。例えば、圧力を下げると、凝縮性流体成分の産出をより多くすることができる。凝縮性流体成分はオレフィンをより大きな割合で含有し得る。
【００６４】
特定の現場熱処理法の態様では、層中の圧力を、ＡＰＩ比重が２０°より大きい層流体の産出を促進するのに十分なだけ高く維持してもよい。層中の圧力を高く維持することにより、現場熱処理中の層沈下を防止できる。圧力を高く維持することにより、層からの流体の気相産出を容易にすることができる。気相産出により、層から産出された流体を輸送するのに用いられる収集導管のサイズを小さくできる。圧力を高く維持することにより、地表にて層流体を圧縮して収集導管で処理施設まで輸送する必要性が低減又は除去できる。
【００６５】
驚くべきことに、層の加熱部分における圧力を高く維持することにより、品質が高くかつ相対的に小さい分子量の炭化水素を多量に産出することができる。産出された層流体が選択された炭素数より上の最小量の化合物を有するように、圧力を維持してもよい。選択される炭素数は、２５以下、２０以下、１２以下、又は８以下とし得る。いくらかの高炭素数化合物は、層中の蒸気中に伴出するかもしれず、蒸気と共に層から除去し得る。層中の圧力を高く維持することにより、蒸気中における高炭素数化合物及び／又は多環炭化水素化合物の伴出を防止できる。高炭素数化合物及び／又は多環炭化水素化合物は、かなりの期間、層中において液相のまま残り得る。このかなりの期間により、化合物が熱分解して低炭素数化合物を形成するのに十分な時間が得られる。
【００６６】
産出井２０６から産出された層流体は、収集管２０８を介して処理施設２１０に輸送できる。層流体はまた熱源２０２から産出し得る。例えば、熱源付近の層中の圧力を制御するために熱源２０２から流体を産出し得る。熱源２０２から産出された流体は、配管又はパイプを介して収集管２０８に輸送してもよいし、産出した流体を配管又はパイプを介して処理施設２１０に直接輸送してもよい。処理施設２１０としては、分離装置、反応装置、品質改善装置、燃料電池、タービン、貯蔵容器、及び／又は産出された層流体を処理するためのその他のシステム及び装置が挙げられる。処理施設は、層から産出された炭化水素の少なくとも一部から輸送燃料を形成することもできる。特定の態様では、輸送燃料はＪＰ−８などのジェット燃料とし得る。
【００６７】
特定の態様では、実質的に水平な（又は傾斜した）複数のヒーターが、地下の層内の実質的に水平な１つのバスバーに連結される。実質的に水平な複数のヒーターを地下で１つのバスバーに連結することにより、層の地表でのヒーターの全設置面積、及び層中に掘る井戸の数が低減される。加えて、層においてより多くを熱処理して炭化水素を回収するように（例えば、層中で加熱されない深さ部分がより少なくなるように）、ヒーターを連結するのに用いられる地下空間の大きさを最小にできる。１つのバスバーに連結されるヒーターの個数と間隔は、限定するものではないが、処理領域の大きさ、層の垂直厚さ、層の加熱要件、層中の地層数、及び地上の電源の容量制限などの要因に依存して変わり得る。
【００６８】
図３は炭化水素層２１６内においてバスバー２１４Ａ、Ｂに連結された実質的に水平な複数のヒーター２１２Ａ、Ｂの態様を示す。ヒーター２１２Ａ、Ｂは炭化水素層２１６のオーバーバーデン中の部分２１８を有する。部分２１８は例えば銅又は銅覆炭素鋼などの高い導電率と低い熱損失の電気導体を含み得る。ヒーター２１２Ａ、Ｂは実質的に垂直な部分によって炭化水素層２１６に入った後、炭化水素層２１６内においてヒーターが実質的に水平な部分を有するように方向を変える。炭化水素層２１６内のヒーター２１２Ａ、Ｂの実質的に水平な部分により、熱の大部分を炭化水素層に加えてもよい。ヒーター２１２Ａ、Ｂは、層内で互いにほぼ平行に離れて配置されたバスバー２１４Ａ、Ｂに連結してもよい。
【００６９】
特定の態様では、ヒーター２１２Ａ、Ｂは剥き出しの金属加熱要素を含む。特定の態様では、ヒーター２１２Ａ、Ｂは剥き出しの金属製の温度制限加熱要素を含む。加熱要素としては、強磁性物質、例えば４１０ステンレス鋼のような９重量％〜１３重量％のクロムステンレス鋼、Ｔ／Ｐ９１又はＴ／Ｐ９２、４０９ステンレス鋼、ＶＭ１２（Vallourec and Mannesmann Tubes、仏国）などのクロムステンレス鋼、又は温度制限ヒーターとして使用するための鉄コバルト合金が挙げられる。特定の態様では、加熱要素は、複合温度制限加熱要素、例えば４１０ステンレス鋼と銅の複合加熱要素又は３４７Ｈ、鉄、銅の複合加熱要素である。炭化水素層２１６内におけるヒーター２１２Ａ、Ｂの実質的に水平な部分は、約１００ｍ以上、約５００ｍ以上、又は約１０００ｍ以上で約６０００ｍ以下の長さを有し得る。
【００７０】
特定の態様では、２群のヒーター２１２Ａ、Ｂが互いに近接して地下に入った後、炭化水素地層２１６内で分かれて互いに離れる。２以上の群のヒーターの地表部分を互いに近接して配置させることにより、ヒーターの地上の設置面積が小さくなり、１群の地上施設を両群のヒーターに使用できる。
【００７１】
特定の態様では、ヒーター２１２Ａ又は２１２Ｂの各群が１つの変圧器に接続される。特定の態様では、該群における３つのヒーターがトライアッド構成にて接続される（各ヒーターが三相変圧器の相の１つ（Ａ、Ｂ、又はＣ）に接続され、バスバーが変圧器の中性又は中心点に接続される）。三相変圧器の各相を、各群のヒーターにおける２以上のヒーターに接続してもよい（例えば、位相Ａをヒーター２１２Ａの群における５個のヒーターに接続してもよい）。特定の態様では、ヒーターが単相変圧器に（直列又は並列の構成にて）接続される。
【００７２】
図４は炭化水素層２１６内においてバスバー２１４Ａ、Ｂに接続された実質的に水平な複数のヒーター２１２Ａ、Ｂの態様を示す。この態様では、２群のヒーター２１２Ａ、Ｂが、層の地表にて離れた場所で該層に入る。ヒーター２１２Ａ、Ｂは炭化水素層２１６内で互いの方向に分かれて、ヒーターの端部が互いに向かい合って方向付けられる。ヒーター２１２Ａ、Ｂは、互いに近接してほぼ平行に配置されたバスバー２１４Ａ、Ｂに接続し得る。地上でのバスバーの設置面積が小さくなるように、バスバー２１４Ａ、Ｂを互いに近接して地下に入れてもよい。
【００７３】
特定の態様では、ヒーター２１２Ａ、Ｂが直列又は並列にて単相変圧器に接続される。ヒーター列において極性（電流の流れ方向）を互い違いにして、各ヒーターがその隣接ヒーターと反対の極性を有するように、ヒーターを接続してもよい。さらに、バスバーの極性が互いに反対になる（いずれの時点でも各バスバーにおいて電流が反対方向に流れる）ように、ヒーター２１２Ａ、Ｂとバスバー２１４Ａ、Ｂを電気的に接続してもよい。ヒーターとバスバーをそのように接続することにより、層中への電流漏洩及び／又は層を通しての電流漏洩が防止される。
【００７４】
図３及び４に示されるように、ヒーター２１２Ａをバスバー２１４Ａに電気的に接続し、ヒーター２１２Ｂをバスバー２１４Ｂに電気的に接続してもよい。バスバー２１４Ａ、Ｂをヒーター２１２Ａ、Ｂの端部に電気的に接続し、ヒーターの帰線接続又は中性線接続としてもよい（バスバー２１４Ａをヒーター２１２Ａとの中性線接続とし、バスバー２１４Ｂをヒーター２１２Ｂとの中性線接続とする）。バスバー２１４Ａ、Ｂを、図３に示されるようにヒーター２１２Ａ、Ｂを有する坑井の経路に対して実質的に垂直に形成された坑井内に配置してもよい。バスバー２１４Ａ、Ｂの井戸とヒーター２１２Ａ、Ｂの坑井とが交差するように、傾斜堀り及び／又は磁気操縦を用いてもよい。
【００７５】
特定の態様では、ヒーター２１２Ａ、Ｂが、「マウストラップ」型コネクタ２２０を用いてバスバー２１４Ａ、Ｂに接続される。特定の態様では、ヒーター２１２Ａ、Ｂをバスバー２１４Ａ、Ｂに接続するために、ここに記載のもの又は当該技術において公知のものなどの他の連結器が用いられる。例えば、ヒーターとバスバーとを電気的に接続するために、溶融金属又は液体の導電性流体を（坑井内の）接続空間に充填してもよい。
【００７６】
図５は、コネクタ２２０によりヒーター２１２に接続されたバスバー２１４の態様についての拡大図である。特定の態様では、バスバー２１４は炭素鋼又は他の導電性の金属を含む。特定の態様では、高い導電率の導体又は金属がバスバー２１４に接続されるか、又はバスバー２１４中に含まれる。例えば、バスバー２１４は銅で覆われた炭素鋼を含み得る。
【００７７】
特定の態様では、ヒーター２１２及び／又はバスバー２１４を配置又はガイドしてヒーターとバスバーを接続できるように、セントラライザー又は他の集中化装置が用いられる。図６は、コネクタ２２０とセントラライザー２２２によりヒーター２１２に接続されたバスバー２１４の態様についての拡大図である。コネクタ２２０がヒーターとバスバーを容易に接続するように、セントラライザー２２２がヒーター２１２及び／又はバスバー２１４を配置できる。ヒーターとバスバーとをコネクタ２２０により接続できるように、セントラライザー２２２がヒーター２１２及び／又はバスバー２１４の適当な間隔を保証できる。セントラライザー２２２は、ヒーター２１２及び／又はバスバー２１４がコネクタ２２０の位置又はその近くにて坑井の側面に接触することを防止できる。
【００７８】
図７はバスバー２１４に接続するコネクタ２２０の断面図である。図８はバスバー２１４に接続するコネクタ２２０の三次元図である。（コネクタがバスバーの周りをつかむ前の）バスバー２１４に近接してコネクタ２２０が示されている。コネクタがヒーターとの電気的な接触を維持しつつヒーターの端部の周りで回転できるように、コネクタ２２０がヒーターに接続されるか、又は直接取り付けられる。特定の態様では、コネクタとヒーターの端部が捩られてバスバーとの正しい位置関係に置かれる。コネクタ２２０はコレット２２４を含む。コネクタがバスバー２１４上に押圧されてコレットがバスバー上をスライドする際にコレットの形状がコネクタの頭部を回転させるように、コレット２２４が成形される（例えば、はす切り又は螺旋状の外形）。コレットがバスバー上をスライドした後にコレットがバスバー２１４を押さえつけるように、コレット２２４をばね押ししてもよい。このようにして、コネクタ２２０はコレット２２４を用いてバスバー２１４をクランプする。コネクタがバスバー２１４とコネクタに取り付けられたヒーターとを電気的に接続するように、コレット２２４を含めてコネクタ２２０は導電性物質から作られる。
【００７９】
特定の態様では、図７及び８に示されるように爆発要素がコネクタ２２０に加えられる。バスバーをヒーターに爆着させるためにバスバー２１４とヒーターを適切な位置に配置するため、コネクタ２２０が用いられる。爆発要素をコネクタ２２０上に配置してもよい。例えば、爆発要素をコレット２２４の一方又は両方に配置してもよい。ヒーターがバスバーと金属結合するようにコネクタ２２０をバスバー２１４に爆着させるために、爆発要素を用いてもよい。
【００８０】
特定の態様では、バスバー２１４の軸方向に沿って爆着が適用される。特定の態様では、爆着プロセスは自浄プロセスである。例えば、爆着プロセスにより、爆発中に構成要素の間から空気及び／又は破片を追い出すことができる。特定の態様では、爆発要素が指向性爆薬の爆発要素である。指向性爆薬の爆発要素を用いて爆発エネルギーを所望の方向に集中させてもよい。
【００８１】
本発明の種々の態様の更なる変更及び代替態様については、この明細書を参照すれば当業者には明らかである。したがって、この明細書は単なる例示として解釈されるべきであり、本発明を実行する一般的な方法を当業者に教示するためのものである。ここに記載の本発明の形式は現在のところ好ましい態様として考えられているものであると理解されたい。要素及び材料はここに記載のものと置換してもよく、部分及びプロセスは逆にしてもよく、本発明の特定の特徴は独立に使用してもよく、これらすべては本発明についての明細書の記載から当業者には明らかとなろう。ここに記載の要素については、特許請求の範囲に記載の本発明の思想及び範囲を逸脱することなく変更できる。加えて、独立にここに記載の特徴は特定の態様では組み合わせてもよいことが分かる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００８２】
【特許文献１】米国特許第２，９２３，５３５号
【特許文献２】米国特許第４，８８６，１１８号
【特許文献３】米国特許第２，５４８，３６０号
【特許文献４】米国特許第４，７１６，９６０号
【特許文献５】米国特許第５，０６５，８１８号
【特許文献６】米国特許第６，０２３，５５４号
【特許文献７】米国特許第４，５７０，７１５号
【特許文献８】米国特許第５，０６０，２８７号
【特許文献９】米国特許第７，１５３，３７３号
【特許文献１０】米国特許出願公開第ＵＳ２００４／０１９１１０９号
【符号の説明】
【００８３】
２００…バリア井戸
２０２…熱源
２０４…供給管路
２０６…産出井
２０８…収集管
２１０…処理施設
２１２Ａ、２１２Ｂ…ヒーター
２１４Ａ、２１４Ｂ…バスバー
２１６…炭化水素層
２２０…コネクタ
２２２…セントラライザー
２２４…コレット
【図１】
2010525196.tif 000003
【図２】
2010525196.tif 000004
【図３】
2010525196.tif 000005
【図４】
2010525196.tif 000006
【図５】
2010525196.tif 000007
【図６】
2010525196.tif 000008
【図７】
2010525196.tif 000009
【図８】
2010525196.tif 000010
【国際調査報告】
2010525196.tif 000011