СПОСОБЫ ПОЛУЧЕНИЯ УГЛЕВОДОРОДОВ ИЗ УГЛЕВОДОРОДСОДЕРЖАЩЕГО МАТЕРИАЛА С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ СООРУЖЕННОЙ ИНФРАСТРУКТУРЫ И СВЯЗАННЫХ С НЕЙ СИСТЕМ
METHODS OF PRODUCING HYDROCARBONS FROM HYDROCARBON-CONTAINING MATERIAL USING BUILT INFRASTRUCTURE AND RELATED SYSTEMS

ПРЕДШЕСТВУЮЩИЙ УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
Глобальный и внутренний спрос на ископаемые топлива продолжает увеличиваться, несмотря на рост цен и прочие экономические и геополитические обстоятельства. Ввиду продолжения роста такого спроса соответственно расширяются поиски и исследования, направленные на выявление дополнительных экономически выгодных источников ископаемых топлив. К примеру, с давних пор были обнаружены колоссальные количества энергии, запасенные в отложениях битуминозных сланцев, угля и битуминозных песков. Однако эти источники остаются трудноразрешимой задачей в плане экономически конкурентоспособной добычи. Канадские битуминозные пески показали, что такие попытки могут быть плодотворными, хотя по-прежнему остаются многочисленные проблемы, в том числе воздействие на окружающую среду, качество продукта и, помимо всего прочего, длительность производственного цикла.
Оценки всемирных ресурсов битуминозных сланцев варьируют от двух до почти семи триллионов баррелей нефти, в зависимости от источника данных для оценки. Тем не менее, эти запасы представляют собой колоссальный объем и остаются по существу нетронутым ресурсом. Огромное число компаний и исследователей продолжает изучать и испытывать способы добычи нефти из таких запасов. В промышленности битуминозных сланцев способы экстракции включали подземные каменные кратеры из рваного камня, созданные ядерными взрывами, на месте, такие как метод конверсии на месте залегания (компания Shell Oil), и сжигание внутри изготовленных из стали реторт. Прочие методы включали in-situ радиочастотные способы (микроволновое излучение) и «модифицированные» in-situ процессы, в которых подземные шахтная разработка, буровзрывные работы и сухая перегонка сочетались для разрушения пласта, чтобы обеспечить лучшее горение и теплопроницаемость. Проницаемость в общем желательна постольку, поскольку пиролиз, то есть метод, с помощью которого извлекаются углеводороды, может быть достигнут с более высокими качеством и производительностью при более низких энергозатратах.
2
Все типичные процессы обработки битуминозных сланцев являются компромиссными в экономическом и экологическом отношении. Ни один из современных процессов сам по себе не удовлетворяет экономическим, экологическим и техническим требованиям. Более того, проблема глобального потепления обусловила принятие дополнительных мер для снижения выбросов диоксида углерода (СО), которые связаны с такими процессами. Необходимы способы, которые выполняют требования органов экологического контроля, в то же время по-прежнему обеспечивая высокий объем добычи энергоемкого топлива.
Концепции подземной переработки на месте возникают на основании их способности производить большие объемы, в то же время исключая расходы на горные работы. В то время как может быть обеспечена экономия за счет исключения горной разработки месторождения, способ требует нагревания пласта в течение длительного периода времени вследствие исключительно низкой проницаемости глинистых сланцев, которые по своей природе требуют медленного и длительного времени сухой перегонки для растрескивания и преобразования углеводородов в пласте. При реализации способа могут быть достигнуты выгоды в плане объема и экономии затрат на горные работы, но способ сталкивается с проблемами проницаемости, которые требуют разрушения пласта и длительных периодов времени для получения нефти и газов. Возможно, наиболее существенной проблемой для каждого процесса на месте является неопределенность и долговременная возможность загрязнения воды, которое может происходить в подземных водоносных горизонтах с пресной водой. В случае метода конверсии на месте залегания компании Shell в качестве барьера применяют «замороженную стенку», чтобы, по теории, обеспечить разделение водоносных слоев и подземной зоны обработки. Хотя это и возможно, ни один долговременный прогноз не подтвердил гарантированного предотвращения загрязнений в течение длительных периодов времени. Без гарантий и по существу с немногими средствами защиты замороженная стенка не сработает, и желательны другие методы для устранения таких экологических рисков.
По этой и другим причинам сохраняется потребность в способах и системах, которые могут обеспечить улучшенное извлечение углеводородов из пригодных углеводородсодержащих материалов, которые имеют приемлемые экономические показатели и лишены вышеупомянутых недостатков.
СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ
В соответствии с настоящим изобретением способ получения углеводородов из углеводородсодержащих материалов может включать формирование сооруженной инфраструктуры с контролируемой проницаемостью. Эта сооруженная инфраструктура определяет по существу замкнутый объем. Добытый углеводородсодержащий материал может быть введен в управляющую инфраструктуру для формирования проницаемого массива из углеводородсодержащего материала. Проницаемый массив может быть нагрет в достаточной степени для удаления из него углеводородов. Во время нагревания углеводородсодержащий материал может быть по существу неподвижным. Удаленные углеводороды могут быть собраны для дальнейшей переработки, использованы в процессе в качестве дополнительного топлива или добавок, и/или непосредственно применены без дополнительной обработки. Управляющая инфраструктура может включать полностью футерованные непроницаемые стенки или непроницаемые боковые стенки с по существу непроницаемыми подстилающей и покрывающей породой.
Настоящее изобретение может помочь в разрешении сложных проблем, имеющих отношение к извлечению углеводородных жидкостей и газов из разработанных поверхностных или подземных залежей, содержащих углеводороды, и из образовавшейся после жатвы биомассы, таких как битуминозные сланцы, битуминозные пески, бурый уголь, каменный уголь и биомасса. Помимо всего прочего, настоящее изобретение помогает сократить расходы, повысить объем производства, снизить выбросы в атмосферу, ограничить потребление воды, предотвратить загрязнение подземных водоносных горизонтов, рекультивировать повреждения поверхности, снизить стоимость погрузочно-разгрузочных работ с материалами, устранить загрязняющие тонкодисперсные частицы и улучшить состав извлекаемых углеводородных жидкости или газа. Настоящее изобретение также разрешает проблемы загрязнения воды благодаря более надежной, более предсказуемой, продуманной, поддающейся наблюдению, ремонтопригодной, приспособляемой и профилактически эффективной водозащитной структуре.
Настоящее изобретение представляет собой «наземный» способ, который является зависимым от разработки месторождения и тем не менее не ограничивается или не обременяется обычными наземными процессами сухой перегонки. Настоящее изобретение превосходит по своим показателям преимущества наземных ретортных установок, обеспечивая лучший технологический контроль температуры, давления, скоростей впрыскивания, составов текучей среды и газа, качества продукта и лучшую проницаемость благодаря обработке и нагреванию добытого раздробленного материала. Эти преимущества достигаются в соответствии с настоящим изобретением, одновременно разрешающим проблемы, связанные с объемом, техническим обслуживанием и масштабированием, чего не могут обеспечить многие серийные поверхностные ретортные установки.
2
Прочие усовершенствования, которые могут быть реализованы настоящим изобретением, относятся к защите окружающей среды. Традиционные наземные ретортные установки создавали проблему утилизации истощенных глинистых сланцев после того, как они были добыты и прошли через наземные ретортные установки. Израсходованные глинистые сланцы, которые были термически изменены, требуют специального обращения для рекультивации и изоляции от поверхностных дренирующих бассейнов и подземных водоносных слоев. Настоящее изобретение направлено на утилизацию и сухую перегонку в уникальном комбинированном подходе. В отношении выбросов в атмосферу, которые также составляют главную проблему, типичную для прежних методов с использованием наземных ретортных установок, настоящее изобретение благодаря его колоссальной вместимости и высокой проницаемости может обеспечивать более длительные времена выдерживания при нагревании и тем самым более низкие температуры. Одним преимуществом более низких температур в процессе экстракции является то, что образование диоксида углерода в результате разложения карбонатов в рудном материале битуминозных сланцев может быть значительно ограничено, тем самым резко сокращая выбросы СО и загрязняющих атмосферу веществ. Настоящее изобретение однозначно представляет решения проблем, и не каких-то отдельных, но многих проблем, и в комплексном подходе. В результате могут быть достигнуты существенные выгоды для общественности в плане производства энергии, экономической перспективы, соблюдения экологических норм и энергоемкости.
Дополнительные признаки и преимущества изобретения будут очевидными из нижеследующего подробного описания, которое иллюстрирует в порядке примера признаки изобретения.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
Фиг.1 представляет схематический вид сбоку, частично в разрезе, сооруженной инфраструктуры с контролируемой проницаемостью в соответствии с одним вариантом осуществления настоящего изобретения.
Фиг.2А и В представляет вид сверху и горизонтальную проекцию множества накопительных резервуаров с контролируемой проницаемостью в соответствии с одним вариантом осуществления настоящего изобретения.
Фиг.3 представляет вид сбоку, частично в разрезе, накопительного резервуара с контролируемой проницаемостью в соответствии с одним вариантом осуществления настоящего изобретения.
Фиг.4 представляет схему части сооруженной инфраструктуры в соответствии с вариантом осуществления настоящего изобретения.
Фиг.5 представляет схематическое изображение, показывающее теплоперенос между двумя накопительными резервуарами с контролируемой проницаемостью в соответствии с еще одним вариантом осуществления настоящего изобретения.
Следует отметить, что фигуры являются только примерными для нескольких вариантов осуществления настоящего изобретения и тем самым не предполагают никаких ограничений для области настоящего изобретения. Далее, Фигуры в общем вычерчены не в масштабе, но сделаны как эскизы в целях удобства и ясности в иллюстрировании разнообразных аспектов изобретения.
ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ
Ниже раскрыты примерные варианты осуществления изобретения с использованием специфической терминологии. Тем не менее будет понятно, что это никак не предполагает ограничения рамок изобретения. Изменения и дополнительные модификации описанных здесь соответствующих изобретению признаков и дополнительные варианты применения принципов изобретения, как здесь описанных, которые могли бы быть произведены квалифицированным специалистом в соответственной технологии на основании этого описания, должны рассматриваться в пределах области изобретения. Далее, прежде чем будут раскрыты и описаны конкретные варианты исполнения настоящего изобретения, должно быть понятно, что настоящее изобретение не ограничивается конкретными способом и материалами, раскрытыми здесь, поскольку таковые могут варьировать в некоторой степени. Должно быть также понятно, что используемая здесь терминология употребляется только с целью описания конкретных вариантов осуществления и не предполагает быть ограничивающей, так как область настоящего изобретения будет определена только прилагаемыми пунктами формулы изобретения и эквивалентами таковых.
Определения
При описании и составлении формулы настоящего изобретения будет употребляться следующая терминология.
Формы единственного числа включают множественные объекты, если только контекст четко не оговаривает иного. Так, к примеру, ссылка на «стенку» включает ссылку на одну или более таких стенок, «проницаемый массив» включает указание на один или более таких материалов и «стадия нагревания» имеет отношение к одной или более таких стадий.
Термины «ниже уровня грунта» и «поверхность грунта» имеют отношение к земляному полотну почвенной или земляной опоры под сооруженной конструкцией. Поэтому, когда скальный, почвенный или иной материал удаляют или выкапывают с участка, уровень поверхности грунта следует профилю земляных работ. Поэтому термины “на месте”, «в пласте» и «подземный» имеют отношение к действиям или местоположениям, которые происходят или находятся ниже уровня грунта.
Термин «трубопроводы» имеет отношение к любому пропускному каналу, протяженному на конкретное расстояние, который может быть использован для транспортировки материалов и/или тепла из одной точки в другую точку. Хотя трубопроводы в общем могут представлять собой трубы круглого сечения, могут быть также применимыми трубопроводы другого, некруглого профиля. Трубопроводы могут преимущественно использоваться либо для введения текучих сред в проницаемый массив, либо для выведения текучих сред из такового для передачи теплоносителя, и/или для транспорта радиочастотных устройств, механизмов топливных элементов, резистивных нагревателей или прочих устройств.
Термин «сооруженная инфраструктура» имеет отношение к конструкции, которая по существу полностью создана руками человека в противоположность замороженным стенкам, серным стенкам или другим барьерам, которые формируются путем модификации или заполнения пор в существующей геологической формации.
Сооруженная инфраструктура с контролируемой проницаемостью предпочтительно по существу не содержит нетронутых геологических формаций, хотя инфраструктура может быть сформирована по соседству или в непосредственном контакте с нетронутой формацией. Такая управляющая инфраструктура может быть незакрепленной или зафиксированной на нетронутой формации с помощью механических приспособлений, химических средств или комбинации таких средств, например, закрепленной болтами на формации с использованием анкеров, растяжек или других пригодных механических крепежных приспособлений.
Термин «раздробленный» имеет отношение к разрушению формации или крупных масс на куски. Раздробленная масса может быть измельчена взрывом или иным образом разрушена на фрагменты.
Термин «углеводородсодержащий материал» имеет отношение к любому содержащему углеводороды материалу, из которого могут быть извлечены или произведены углеводородные продукты. Например, углеводороды могут быть извлечены непосредственно в виде жидкости, удалены с помощью экстракции растворителями, непосредственно испарены или иным образом удалены из материала. Однако многие углеводородсодержащие материалы содержат кероген или битум, которые преобразуются в углеводороды в результате нагревания и пиролиза. Углеводородсодержащие материалы могут включать, но не ограничиваются таковыми битуминозные сланцы, битуминозные пески, каменный уголь, бурый уголь, битум, торф и другие богатые органическими веществами горные породы.
Термин «накопительный резервуар» имеет отношение к структуре, предназначенной для содержания или сохранения накапливающихся текучей среды и/или твердых подвижных материалов. Накопительный резервуар в общем составляет по меньшей мере существенную часть земляного полотна и опорной системы из земляных материалов. Таким образом, контрольные стенки согласно настоящему изобретению не всегда имеют независимую прочность или структурную целостность без земляного материала и/или формации, в контакте с которыми они сформированы.
Термин «проницаемый массив» имеет отношение к любой массе раздробленного углеводородсодержащего материала, имеющей относительно высокую проницаемость, которая превосходит проницаемость сплошной нетронутой формации с таким же составом. Проницаемые массивы, пригодные для использования в настоящем изобретении, могут иметь больше чем около 10% свободного порового пространства и типично имеют свободный поровый объем от около 20% до 40%, хотя могут быть пригодными другие диапазоны. Создание высокой проницаемости облегчает нагревание массива путем конвекции как основного способа теплопереноса, в то же время также существенно снижая затраты, связанные с измельчением до очень мелких размеров, например, ниже, чем от около 1 до около 0,5 дюйма (25,4-12,7 мм).
Термин «стенка» имеет отношение к любой сооруженной конструкции, участвующей в контроле проницаемости для ограничения материала внутри замкнутого объема, определенного, по меньшей мере частично, контрольными стенками. Стенки могут быть ориентированы любым образом, таким как вертикальный, хотя потолки, полы и прочие контуры, определяющие замкнутый объем, также могут быть «стенками», как применяемыми здесь.
Термин «добытый» имеет отношение к материалу, который был извлечен или перемещен из первоначального стратиграфического или геологического местоположения во второе и иное местоположение. Типично добытый материал может быть получен в результате взрывных работ, дробления, детонационного разрушения или иным путем удаления материала из геологической формации.
Термин «по существу неподвижный» имеет отношение к почти стационарному расположению материалов со степенью допущения оседания, расширения вследствие вспучивания (эффект «попкорна») и/или усадки по мере удаления углеводородов из углеводородсодержащего материала. Напротив, любая циркуляция и/или течение углеводородсодержащего материала, такие, каковые имеют место в псевдоожиженных слоях или вращающихся ретортах, включают весьма интенсивное перемещение и транспортирование углеводородсодержащего материала.
Термин «существенный», будучи употребляемым в отношении величины или количества материала или специфических характеристик такового, имеет отношение к количеству, которое является существенным для достижения эффекта, каковой предназначен обеспечить материал или характеристика. Точная степень допустимого отклонения может в некоторых случаях зависеть от конкретного контекста. Подобным образом, выражение «по существу не содержащий» или тому подобное имеет отношение к отсутствию указанного элемента или средства в составе. В частности, элементы, которые указаны как «по существу не содержащиеся», либо полностью отсутствуют в составе, либо наличествуют лишь в количествах, которые малы в достаточной мере, чтобы не оказывать измеримого влияния на состав.
Термин «около» имеет отношение к степени отклонения, основанной на экспериментальной погрешности, типичной для конкретной определяемой характеристики. Диапазон, обусловленный термином «около», будет зависеть от конкретного контекста и конкретного свойства и может быть без труда распознан квалифицированными специалистами в этой области технологии. Термин «около» не предполагает ни расширения, ни ограничения интервала эквивалентных значений, который во всем остальном может быть обусловлен конкретной величиной. Далее, если не оговорено нечто иное, термин «около» должен определенно включать «в точности», в согласии с нижеприведенным обсуждением относительно диапазонов и численных данных.
Концентрации, размеры, количества и прочие численные данные могут быть представлены здесь в формате диапазонов. Должно быть понятно, что такой диапазонный формат употребляется исключительно для удобства и краткости и должен интерпретироваться гибко как включающий не только численные значения, явно указанные как пределы диапазона, но также включающий все индивидуальные численные значения или поддиапазоны, попадающие в пределы этого диапазона, как если бы каждое численное значение и поддиапазон были четко обозначены. Например, диапазон от около 1 до около 200 должен быть интерпретирован как включающий не только явно указанные пределы 1 и около 200, но также включающий индивидуальные величины, такие как 2, 3, 4, и поддиапазоны, такие как от 10 до 50, от 20 до 100, и так далее.
Множество объектов, конструкционных элементов, композиционных элементов и/или материалов может быть представлено в общем списке для удобства. Однако эти списки должны быть истолкованы так, как если бы каждый представитель списка был индивидуально идентифицирован в качестве отдельного и уникального представителя. Таким образом, ни один индивидуальный представитель такого списка не должен толковаться как фактический эквивалент любого другого представителя из того же списка, только лишь на основании их представления в общей группе без указаний на нечто обратное.
Варианты осуществления изобретения
В соответствии с настоящим изобретением способ получения углеводородов из углеводородсодержащих материалов может включать формирование сооруженной инфраструктуры с контролируемой проницаемостью. Эта сооруженная инфраструктура определяет по существу замкнутый объем. Добытый или полученный после уборки урожая углеводородсодержащий материал может быть введен в управляющую инфраструктуру с образованием проницаемого массива из углеводородсодержащего материала. Проницаемый массив может быть нагрет в степени, достаточной для удаления из него углеводородов. Во время нагревания углеводородсодержащий материал является по существу неподвижным, так как сооруженная инфраструктура представляет собой фиксированную конструкцию. Удаленные углеводороды могут быть собраны для дальнейшей переработки, употребления в процессе и/или применены в том виде, как получены.
Каждый из этих аспектов настоящего изобретения более подробно описан ниже. Сооруженная инфраструктура с контролируемой проницаемостью может быть сформирована с использованием существующего грунта как опорной подушки и/или как боковой опорной стенки для сооруженной инфраструктуры. Например, управляющая инфраструктура может быть сформирована как отдельно стоящая конструкция, то есть с использованием только существующего грунта в качестве подстилающей породы, с построенными искусственно боковыми стенками. Альтернативно, управляющая инфраструктура может быть сформирована внутри выкопанного котлована. Как бы то ни было, управляющая инфраструктура согласно настоящему изобретению всегда сформирована над поверхностью грунта.
Сооруженная инфраструктура с контролируемой проницаемостью согласно настоящему изобретению может включать накопительный резервуар с контролируемой проницаемостью, который определяет по существу замкнутый объем. Накопительный резервуар с контролируемой проницаемостью согласно настоящему изобретению по существу не содержит нетронутых геологических формаций. Более конкретно, аспект контролируемой проницаемости накопительного резервуара может быть полностью искусственным и созданным руками человека как отдельный изолирующий механизм для предотвращения неконтролируемой миграции материала в замкнутый объем или из такового.
В одном варианте осуществления настоящего изобретения накопительный резервуар с контролируемой проницаемостью может быть сформирован вдоль стенок выкопанной залежи углеводородсодержащего материала. Например, битуминозные сланцы, битуминозные пески или каменный уголь могут быть добыты из залежи с образованием котлована, который приблизительно соответствует желательному замкнутому объему для накопительного резервуара. Выкопанный котлован затем может быть использован в качестве формирующей и поддерживающей структуры для создания накопительного резервуара с контролируемой проницаемостью.
В одном альтернативном аспекте настоящего изобретения по меньшей мере одна дополнительная вырытая залежь может быть сформирована так, что может быть задействовано множество накопительных резервуаров. Далее, такая компоновка может способствовать сокращению дистанции транспортировки добытого материала. Более конкретно, добытый углеводородсодержащий материал для любого конкретного замкнутого объема может быть извлечен из соседней, разрабатываемой открытым способом залежи углеводородсодержащего материала. В этом подходе может быть построена сеть из сооруженных структур так, что добытый материал может быть немедленно и непосредственно доставлен в соседний накопительный резервуар.
Добыча из углеводородсодержащих залежей и/или их разработка открытым способом может производиться с использованием любой пригодной техники. Может быть использована традиционная поверхностная добыча, хотя альтернативные экскаваторы могут быть также применены без необходимости транспортировать добытые материалы. В одном конкретном варианте осуществления углеводородсодержащая залежь может быть вырыта с использованием навесного экскаваторного устройства на кране. Один вариант подходящего экскаватора может включать машины для пробуривания вертикальных туннелей. Такие машины могут быть скомпонованы для выкапывания скальной породы и материала под экскаватором. По мере извлечения материала экскаватор погружается для обеспечения по существу непрерывного контакта с пластом. Вынутый материал может быть транспортирован из разрабатываемой выемки с использованием транспортеров или лифтов. Альтернативно, выемка может происходить в условиях заполнения водной суспензией, сокращающей проблемы запыленности и служащей в качестве смазки/охладителя. Материал суспензии можно откачивать с места экскавации для отделения твердых компонентов в отстойном баке или другом подобном сепараторе для разделения твердого вещества и жидкости или может быть обеспечена возможность осаждения твердых веществ непосредственно в накопительном резервуаре. Этот подход может быть без труда скомбинирован с одновременным или последовательным извлечением металлов или других материалов с использованием растворения, как более подробно описано ниже.
Далее, выемка и формирование накопительного резервуара с контролируемой проницаемостью могут быть произведены одновременно. Например, экскаватор может быть скомпонован для извлечения углеводородсодержащего материала с попутным формированием боковых стенок накопительного резервуара. Материал может извлекаться непосредственно из-под нижних кромок боковых стенок так, что стенки могут нарастать по высоте вниз, обеспечивая возможность размещения стеновых сегментов в дополнение к уложенным выше. Этот подход может обеспечить возможность увеличивать глубины, в то же время устраняя или сокращая опасности обрушения до формирования опорных стенок накопительного резервуара.
Накопительный резервуар может быть сформирован из любого пригодного материала, который обеспечивает изоляцию от переноса материала сквозь стенки накопительного резервуара. Этим путем целостность стенок во время действия управляющей инфраструктуры сохраняется в достаточной степени, чтобы по существу предотвратить неконтролируемую миграцию текучих сред наружу из управляющей инфраструктуры. Неограничивающие примеры пригодного материала для употребления в формировании накопительного резервуара сооруженной инфраструктуры с контролируемой проницаемостью могут включать глину, бентонитовую глину (например, глину, включающую по меньшей мере часть бентонита), уплотненную наброску, огнеупорный цемент, цемент, синтетические геотекстильные материалы “Geogrid”, стекловолокно, арматурный пруток, наноуглеродные фуллереновые добавки, набитые мешки из геотекстиля, полимерные смолы, маслостойкую облицовку из поливинилхлорида или комбинации таковых. Проектируемые цементные композитные материалы, армированные волокном композиты и тому подобные могут быть в особенности прочными и могут быть без труда приспособлены для соответствия требованиям проницаемости и температурной устойчивости для данного сооружения. В качестве общей методической рекомендации предпочтительны, хотя и необязательны материалы, имеющие низкую проницаемость и высокую механическую целостность при рабочих температурах инфраструктуры. Например, могут быть применимыми материалы, имеющие температуру плавления выше максимальной рабочей температуры инфраструктуры, чтобы сохранять герметичность во время и после нагревания и извлечения. Однако могут быть также употреблены низкотемпературные материалы, если между стенками и нагретыми частями проницаемого массива поддерживается ненагреваемая буферная зона. Такие буферные зоны могут варьировать по величине от 6 дюймов (15,24 см) до 50 футов (15,24 м) в зависимости от конкретного материала, используемого для накопительного резервуара, и состава проницаемого массива. В еще одном аспекте настоящего изобретения стенки накопительного резервуара могут быть устойчивыми к кислотам, воде и/или рассолу, например, в достаточной мере для противостояния воздействию экстракционного растворителя и/или растворов для промывания кислотами или рассолом, а также водяного пара и воды. Для стенок накопительного резервуара, сформированных вдоль пластов или прочих сплошных опорных поверхностей, стенки накопительного резервуара могут быть сформированы путем набрызгивания жидкого цементного раствора, набрызгивания жидких эмульсий или других набрызгиваемых материалов, таких как набрызгиваемый цементный раствор огнеупорного сорта, который образует уплотнение на формации и создает стенку с контролируемой проницаемостью для накопительного резервуара согласно настоящему изобретению. Стенки накопительного резервуара могут быть по существу сплошными так, что накопительный резервуар определяет замкнутый объем, достаточный для предотвращения существенного перемещения текучих сред в накопительный резервуар или из такового в иных местах, нежели предусмотренные входы и выходы, например, через трубопроводы или тому подобные, как здесь обсуждается. Этим путем накопительные резервуары согласно настоящему изобретению могут без проблем соответствовать правительственным предписаниям относительно миграции текучих сред. Альтернативно или в сочетании с искусственно изготовленным барьером, части стенок накопительного резервуара могут представлять собой нетронутую геологическую формацию и/или уплотненный грунт. В таких случаях сооруженная инфраструктура с контролируемой проницаемостью представляет собой комбинацию проницаемых и непроницаемых стенок, как более подробно описано ниже.
В одном аспекте настоящего изобретения часть углеводородсодержащего материала до переработки или после переработки может быть использована в качестве цементного укрепления и/или цементной основы, которые затем отливаются на месте с образованием фрагментов или цельных стенок управляющей инфраструктуры. Эти материалы могут быть сформированы на месте или могут быть изготовлены предварительно и затем собраны на рабочей площадке, чтобы образовать цельную конструкцию накопительного резервуара. Например, накопительный резервуар может быть сооружен с помощью литьевого формования на месте в виде монолитного блока путем экструзии, штабелированием предварительно сформованных или отлитых тюбингов, бетонных панелей, соединенных цементным раствором (цемент, проектируемый цементный композит или другой пригодный материал), надувных сегментов или тому подобных. Опалубки могут быть сооружены с опорой на формацию или могут представлять собой отдельно стоящие конструкции. Опалубки могут быть изготовлены из любого подходящего материала, такого, но не ограничивающегося таковыми, как сталь, древесина, стекловолокно, полимер или тому подобные. Опалубки могут быть собраны на месте или могут быть размещены с использованием крана или другого пригодного механизма. Альтернативно, сооруженная инфраструктура с контролируемой проницаемостью может быть сформирована из набитых камнями сетчатых ящиков (габионов) и/или синтетических геотекстильных материалов, собранных в слои с уплотненным материалом засыпки. Для повышения герметичности стенок с контролируемой проницаемостью необязательно могут быть добавлены связующие средства. В еще одном дополнительном подробном аспекте настоящего изобретения управляющая инфраструктура может включать или по существу состоит из уплотнительного материала, цементного раствора, арматурного прутка, синтетической глины, бентонитовой глины, глиняной облицовки, огнеупорного цемента, высокотемпературных геомембран, дренажных труб, листовых сплавов или комбинаций таковых.
В одном варианте осуществления конструкция стенок и полов накопительного резервуара может включать множественные утрамбованные слои местных или обработанных низкосортных глинистых сланцев в любой комбинации с песком, цементом, волокном, растительным волокном, наноуглеродным волокном, толченым стеклом, стальной арматурой, проектируемой углеродной армирующей сеткой, кальцием и тому подобным. В дополнение к таким композитным стенкам могут быть привлечены конструкции, которые долговременно подавляют миграцию текучей среды и газа через дополнительное непроницаемое уплотнение, включающие, но не ограничивающиеся таковыми, облицовки, геомембраны, утрамбованные грунты, привозной песок, гравий или скальную породу, и самотечные дренажные контуры для отведения текучих сред и газов от непроницаемых слоев к сточным сбросам. Конструкция пола и стенок накопительного резервуара может, но не обязательно должна включать ступенчатый кверху или ступенчатый книзу наклон или изгиб согласно тому, как ход выработки пласта может следовать извлечению оптимального сорта руды. В любых таких ступенчатых кверху или книзу вариантах выравнивание пола и герметизация стеновых конструкций типично могут предусматривать сток или уклон в одну сторону или к специальной(-ным) центральной(-ным) сборной(-ным) зоне(-нам) для удаления текучих сред с помощью самотечного дренирования.
Необязательно, капсульная конструкция стенок и пола может включать изоляцию, которая предотвращает теплоперенос наружу из управляющей инфраструктуры или наружу из внутренних отсеков или трубопроводов внутри первично созданного герметичного отсека. Изоляция может включать изготовленные материалы, цемент или разнообразные материалы, прочие материалы, которые являются менее теплопроводными, чем окружающие массы, то есть проницаемый массив, формация, соседние инфраструктуры и т.д. Термоизоляционные барьеры могут быть также сформированы внутри проницаемого массива, вдоль стенок накопительного резервуара, покрывающих и/или подстилающих пород. Один подробный аспект настоящего изобретения включает применение биоразложимых изоляционных материалов, например, соевой изоляции и тому подобных. Это согласуется с вариантами исполнения настоящего изобретения, в котором накопительный резервуар представляет собой систему однократного употребления, так что изоляции, трубопроводы и/или другие компоненты могут иметь относительно короткий срок службы, например, менее чем 1-2 года. Это может снизить стоимость оборудования, а также сократить долговременное вредное воздействие на окружающую среду.
2
Конструкции и способы согласно настоящему изобретению могут быть реализованы почти в любом масштабе. Более крупные замкнутые объемы и увеличенное число накопительных резервуаров могут легко производить углеводородные продукты с производительностью, сравнимой или превосходящей более мелкие сооруженные инфраструктуры. В качестве иллюстрации одиночные накопительные резервуары могут варьировать по размерам от десятков метров в поперечнике до десятков акров по площади. Оптимальные размеры накопительного резервуара могут варьировать в зависимости от углеводородсодержащего материала и эксплуатационных параметров, однако предполагается, что пригодные площади могут варьировать от около половины акра до пяти акров (2023,43-20234,3 м).
Способы и инфраструктуры согласно настоящему изобретению могут быть использованы для добычи углеводородов из разнообразных углеводородсодержащих материалов. Одно особенное преимущество настоящего изобретения состоит в широком диапазоне регулирования размеров частиц, условий и состава проницаемого массива, введенного в замкнутый объем. Неограничивающие примеры добытого углеводородсодержащего материала, который может быть обработан, включают битуминозные сланцы, битуминозные пески, каменный уголь, бурый уголь, битум, торф или комбинации таковых. В некоторых случаях может быть желательным введение одиночного типа углеводородсодержащего материала так, что проницаемый массив состоит исключительно из одного из вышеперечисленных материалов. Однако проницаемый массив может включать смеси этих материалов, так что сорт, содержание нефти, содержание водорода, проницаемость и тому подобные могут быть скорректированы для достижения желательного результата. Далее, различные углеводородные материалы могут быть помещены в виде многочисленных слоев или в смешанной форме, такой как смешение каменного угля, битуминозных сланцев, битуминозных песков, биомассы и/или торфа.
В одном варианте осуществления углеводородсодержащий материал может быть рассортирован в разнообразные внутренние отсеки внутри первичной сооруженной инфраструктуры из соображений оптимизации. Например, разрабатываемые формации битуминозных сланцев в слоях и глубинах залегания могут быть более обогащенными в определенных глубинных продуктивных зонах при их добыче. Однажды разрушенные, добытые, выкопанные и перевезенные внутрь отсека для размещения, обогащенные нефтью руды могут быть рассортированы или смешаны по степени обогащения для оптимизации выходов, ускорения извлечения или для оптимального усреднения в пределах каждого накопительного резервуара. Далее, размещение слоев с различающимся составом может предоставить дополнительные преимущества. Например, более низкий слой битуминозных песков может быть расположен под верхним слоем битуминозных сланцев. В общем, верхний и нижний слои могут находиться в непосредственном контакте друг с другом, хотя это и необязательно. Верхний слой может включать нагревательные трубы, введенные в таковой, как более подробно описано ниже. Нагревательные трубы могут нагревать битуминозные сланцы в степени, достаточной для высвобождения керогенного масла, содержащего короткоцепочечные жидкие углеводороды, которые могут действовать как растворитель для битума, удаляемого из битуминозных песков. Этим путем верхний слой действует как источник растворителя на месте для интенсификации извлечения битума из нижнего слоя. Нагревательные трубы внутри нижнего слоя необязательны, так что нижний слой может не содержать нагревательных труб или может включать нагревательные трубы в зависимости от количества тепла, переносимого с перетекающими вниз жидкостями из верхнего слоя и от любых прочих источников тепла. Способность селективно контролировать характеристики и состав проницаемого массива добавляет дополнительную степень свободы в оптимизации выходов и качества нефти.
Далее, во многих вариантах осуществления настоящего изобретения выделившиеся газообразные и жидкие продукты действуют как образованный на месте растворитель, который способствует удалению керогена и/или дополнительному извлечению углеводородов из углеводородсодержащего материала.
В еще одном аспекте настоящего изобретения проницаемый массив может дополнительно включать добавки или биомассу. Добавки могут включать любую композицию, которая служит для повышения качества извлекаемых углеводородов, например, для повышения показателя Американского Института Нефти, снижения вязкости, улучшения характеристик текучести, сокращения смачивания остаточных глинистых сланцев, снижения содержания серы, в качестве гидрирующих реагентов и т.д. Неограничивающие примеры пригодных добавок могут включать битум, кероген, пропан, природный газ, конденсат природного газа, сырую нефть, очищенные донные остатки, асфальтены, общеупотребительные растворители, прочие разбавители и комбинации этих материалов. В одном варианте осуществления добавка может включать средство для улучшения текучести и/или реагент в качестве донора водорода. Некоторые материалы могут исполнять либо обе, либо одну из этих функций, то есть улучшать характеристики текучести и/или быть донором водорода. Неограничивающие примеры таких добавок могут включать метан, конденсаты природного газа, общеупотребительный растворитель, такой как ацетон, толуол, бензол и т.д., и прочие добавки, перечисленные выше. Добавки могут действовать для повышения отношения водорода к углероду в любых углеводородных продуктах, а также служить в качестве средства для улучшения текучести. Например, разнообразные растворители и другие добавки могут создавать физическую смесь, которая имеет пониженную вязкость и/или уменьшенное сродство к определенным твердым веществам, горным породам и тому подобным. Далее, некоторые добавки могут химически реагировать с углеводородами и/или обеспечивать жидкотекучее состояние углеводородных продуктов. Любые используемые добавки могут составить часть конечного извлеченного продукта или могут быть удалены и применены повторно или утилизированы иным путем.
Подобным образом, биологическое гидроксилирование углеводородсодержащих материалов с образованием синтетического газа или прочих продуктов с низкой молекулярной массой может быть выполнено с использованием известных добавок и подходов. Подобным образом могут быть также использованы другие ферменты или биокатализаторы. Далее, в качестве добавок также могут быть употреблены созданные руками человека материалы, такие, но не ограничивающиеся таковыми, как автомобильные шины, полимерные отходы или другие углеводородсодержащие материалы.
2
Хотя способы согласно настоящему изобретению являются широко применимыми, в качестве общей методической рекомендации проницаемый массив может включать частицы с размерами от около 1/8 дюйма (3,175 мм) до около 6 футов (182,88 см), и в некоторых случаях менее чем 1 фут (30,48 см), и в других случаях менее чем около 6 дюймов (152,4 мм). Однако из практических соображений размеры от около 2 дюймов (50,8 мм) до около 2 футов (60,96 см) могут обеспечить хорошие результаты, при диаметре около 1 фута (30,48 см), в особенности применимом для битуминозных сланцев. Для определения оптимальных размеров частиц важным фактором может быть свободный поровый объем. В качестве общей методической рекомендации может быть использован любой функциональный свободный поровый объем; однако от около 15% до около 40%, и в некоторых случаях около 30% обычно дают хороший баланс проницаемости и эффективного использования доступных объемов. Поровые объемы могут колебаться до некоторой степени при варьировании прочих параметров, таких как расположение нагревательных трубопроводов, добавки и тому подобные. Механическое разделение добытых углеводородсодержащих материалов позволяет создать проходящие через тонкую сетку частицы с высокой проницаемостью, которые повышают скорости рассеяния теплоты, будучи помещенными в отсеке внутри накопительного резервуара. Дополнительная проницаемость обеспечивает возможность регулирования более рациональных пониженных температур, которые также помогают избежать высоких температур, которые приводят к образованию больших количеств СО при разложении карбонатов и связанного с этим высвобождения следовых тяжелых металлов, летучих органических соединений и прочих веществ, которые могут создавать токсичные отходы и/или нежелательные материалы, которые должны отслеживаться и контролироваться.
В одном варианте осуществления компьютер, используемый для сопровождения добычи, планирования добычи, транспортировки, взрывных работ, взятия проб, загрузки, транспорта, размещения и измерений уровня пыления, может быть использован для контроля и оптимизации скорости перемещения добытого материала в сооруженную структуру с изолированными отсеками. В одном альтернативном аспекте настоящего изобретения накопительные резервуары согласно настоящему изобретению могут быть сформированы в вырытых объемах углеводородсодержащей формации, хотя могут быть также применимыми другие местоположения вдали от управляющей инфраструктуры. Например, некоторые углеводородсодержащие формации имеют относительно тонкие слои, обогащенные углеводородами, например, менее чем около 300 футов (91,44 м). Поэтому добыча из вертикальных стволов и бурение оказываются экономически неэффективными. В таких случаях может быть применимой горизонтальная разработка для извлечения углеводородсодержащих материалов для формирования проницаемого массива. Хотя горизонтальная разработка продолжает оставаться рискованным предприятием, был разработан и продолжает разрабатываться ряд технологий, которые могут быть полезными в связи с настоящим изобретением. В таких случаях по меньшей мере часть накопительного резервуара может быть сформирована поперек горизонтального слоя, тогда как другие части накопительного резервуара могут быть сформированы вдоль и/или по соседству со слоями формации, не содержащими углеводородов. Другие подходы к добыче, такие, но не ограничивающиеся таковыми, как шахты или рудники с камерно-столбовой системой разработки, могут обеспечить эффективный источник углеводородсодержащего материала с минимальными отходами и/или утилизацией, который может быть транспортирован в накопительный резервуар и обработан в соответствии с настоящим изобретением.
Настоящее изобретение позволяет в широких пределах контролировать соответственные свойства и характеристики проницаемого массива, который может быть спроектирован и оптимизирован для данного сооружения. Накопительные резервуары, по отдельности и в сочетании множества накопительных резервуаров, могут быть без труда точно приспособлены и классифицированы, основываясь на разнообразных составах материалов, предполагаемых продуктах и тому подобном. Например, некоторые накопительные резервуары могут быть рассчитаны на получение тяжелой сырой нефти, тогда как другие могут быть скомпонованы для производства более легких продуктов и/или синтетического газа. Неограничивающие примеры потенциальных классификаций и факторов могут включать каталитическую активность, ферментативные реакции для специфических продуктов, ароматические соединения, содержание водорода, штамм или назначение микроорганизмов, процесс модернизации, целевой конечный продукт, давление (влияющее на качество и тип продукта), температуру, характеристики набухания, акватермальные реакции, реагенты в качестве доноров водорода, перераспределение теплоты, накопление отходов, накопление сточных вод, трубы многократного использования и прочие. Типично множество этих факторов может быть использовано для компоновки накопительных резервуаров в данном проекте для определенных продуктов и целей.
Раздробленный углеводородсодержащий материал может быть загружен в управляющую инфраструктуру с образованием проницаемого массива любым пригодным способом. Типично раздробленный углеводородсодержащий материал может быть транспортирован в управляющую инфраструктуру с помощью разгрузки навалом, транспортеров или другими подходящими путями. Как упомянуто ранее, проницаемый массив может иметь надлежащий большой поровый объем. Беспорядочное наваливание может привести к избыточному уплотнению и сокращению поровых объемов. Таким образом, проницаемый массив может быть сформирован путем транспортирования в инфраструктуру с небольшим уплотнением углеводородсодержащего материала. Например, для подачи материала вблизи верхушки проницаемого массива по мере его формирования могут быть использованы выдвижные транспортеры. Этим путем углеводородсодержащий материал может сохранять существенный поровый объем между частицами без значительного дальнейшего измельчения или уплотнения, несмотря на некоторую небольшую степень уплотнения, которая часто обусловливается литостатическим давлением по мере формирования проницаемого массива.
Когда желательный проницаемый массив был сформирован внутри управляющей инфраструктуры, может быть подведено тепло, достаточное для начала удаления углеводородов, например, в результате пиролиза. Пригодный источник тепла может быть термически связан с проницаемым массивом. Оптимальные рабочие температуры внутри проницаемого массива могут варьировать в зависимости от состава и желательных продуктов. Однако в качестве общей методической рекомендации эксплуатационные температуры могут варьировать от около 200°F (93,33°С) до около 750°F (398,89°С). Температурные вариации могут варьировать по всему замкнутому объему и в некоторых зонах могут достигать максимально 900°F (482,22°С) или выше. В одном варианте осуществления рабочая температура может быть относительно низкой температурой для облегчения образования жидкого продукта, такой как температура от около 200°F (93,33°С) до около 650°F (343,33°С). Эта стадия нагревания может представлять собой операцию кальцинирования, которая имеет результатом обогащение измельченной руды в проницаемом массиве. Кроме того, один вариант осуществления настоящего изобретения включает регулирование температуры, давления и других переменных параметров, достаточное для получения преимущественно, а в некоторых случаях по существу исключительно, жидкого продукта. В общем же продукты могут включать как жидкие, так и газообразные продукты, в то время как жидкие продукты могут потребовать нескольких производственных стадий, таких как газопромывные колонны и т.д. Относительно высокая проницаемость проницаемого массива позволяет получать жидкие углеводородные продукты и свести к минимуму образование газообразных продуктов, до некоторой степени в зависимости от конкретных исходных материалов и эксплуатационных условий. В одном варианте осуществления извлечение углеводородных продуктов может происходить по существу при отсутствии крекинга внутри проницаемого массива.
В одном аспекте настоящего изобретения тепло может быть подведено к проницаемому массиву путем конвекции. Нагретые газы могут быть вдуты в управляющую инфраструктуру так, что проницаемый массив первоначально нагревается в результате конвекции по мере протекания нагретых газов через проницаемый массив. Нагретые газы могут быть получены сжиганием природного газа, углеводородного продукта или любого другого подходящего источника. Нагретые газы могут быть заимствованы из внешних источников или утилизированы из процесса согласно настоящему изобретению.
Альтернативно или в сочетании с конвективным нагреванием подход с высокой способностью к реконфигурации может включать введение множества трубопроводов внутрь проницаемого массива. Трубопроводы могут быть скомпонованы для употребления в качестве нагревательных труб, охлаждающих труб, теплопередающих труб, дренажных труб или газовых труб. Далее, трубопроводы могут быть предназначены для отдельной функции или могут служить для множественных функций во время работы инфраструктуры, то есть теплопереноса и дренажа. Трубопроводы могут быть сформированы из любого пригодного материала в зависимости от предполагаемого назначения. Неограничивающие примеры пригодных материалов могут включать глиняные трубы, трубы из огнестойкого цемента, трубы из проектируемого цементного композита, отлитые на месте трубы, металлические трубы, такие как трубы из литейного чугуна, нержавеющей стали и т.д., полимерные трубы, такие как поливинилхлоридные и тому подобные. В одном конкретном варианте осуществления все или по меньшей мере часть внедренных трубопроводов может включать разложимый материал. Например, негальванизированные 6-дюймовые (152,4 мм) трубы из литейного чугуна могут быть эффективно использованы для вариантов одноразового употребления и успешно действовать в течение должного срока службы накопительного резервуара, типично менее чем около 2 лет. Далее, различные части множества трубопроводов могут быть сформированы из различных материалов. Отлитые на месте трубы могут быть в особенности применимыми для очень крупных замкнутых объемов, где диаметры труб превышают несколько футов. Такие трубы могут быть сформированы с использованием гибких оболочек, которые удерживают вязкую текучую среду в кольцевой форме. Например, поливинилхлоридные трубы могут быть использованы в качестве части формы вдоль гибких оболочек, где бетон или другая вязкая текучая среда закачивается в кольцевое пространство между поливинилхлоридной трубой и гибкой оболочкой. В зависимости от предполагаемого назначения в трубопроводах могут быть проделаны отверстия или другие проемы для обеспечения возможности протекания текучих сред между трубопроводами и проницаемым массивом. Типичные рабочие температуры превышают температуру плавления традиционных полимерных и синтетических труб. В некоторых вариантах осуществления трубопроводы могут быть размещены и ориентированы так, что трубопроводы преднамеренно расплавляются или иным образом разрушаются во время работы инфраструктуры.
Множество трубопроводов может быть без труда сориентировано в любой конфигурации, будь то по существу горизонтальная, вертикальная, наклонная, разветвленная или тому подобная компоновка. По меньшей мере часть трубопроводов может быть ориентирована по заранее заданным маршрутам до введения трубопроводов внутрь проницаемого массива. Заранее заданные маршруты могут быть спроектированы для улучшения теплопередачи, контактирования газообразной, жидкостной и твердой сред, максимизации подведения текучей среды к конкретным зонам или удаления ее из таковых внутри замкнутого объема или тому подобного. Далее, по меньшей мере часть трубопроводов может быть предназначена для нагревания проницаемого массива. Эти нагревательные трубопроводы могут быть селективно перфорированы для обеспечения возможности нагретым газам или другим текучим средам конвективно нагревать и смешиваться во всем проницаемом массиве. Перфорации могут быть размещены и подобраны по размерам для оптимизации равномерного и/или управляемого нагревания во всем проницаемом массиве. Альтернативно, нагревательные трубопроводы могут образовывать замкнутый контур так, что нагретые газы или текучие среды отделены от проницаемого массива. Таким образом, «замкнутый контур» не обязательно предусматривает рециркуляцию, но скорее изоляцию нагревательной текучей среды от проницаемого массива. Этим путем нагревание может быть выполнено главным образом или по существу исключительно в результате теплопередачи сквозь стенки трубопроводов от нагретых текучих сред к проницаемому массиву. Нагревание в замкнутом контуре позволяет исключить массоперенос между нагретой текучей средой и проницаемым массивом и может сократить образование и/или экстракцию газообразных углеводородных продуктов.
Во время нагревания или кальцинирования проницаемого массива локальные зоны нагрева, в которых превышены температуры разложения материнской горной породы, часто выше около 900°F (482,22°С), могут снижать выходы и образовывать диоксид углерода и нежелательные загрязняющие соединения, которые могут вести к сточным водам, содержащим тяжелые металлы, растворимые органические вещества и тому подобные. Нагревательные трубопроводы согласно настоящему изобретению могут обеспечить возможность в существенной степени устранения таких локальных зон перегрева, в то же время поддерживая подавляющее большинство материала проницаемого массива в пределах желательного температурного диапазона. Степень однородности температуры может быть предметом баланса между стоимостью (например, для дополнительных нагревательных трубопроводов) и выходами. Однако по меньшей мере около 85% проницаемого массива может без труда поддерживаться в пределах примерно 5-10% целевого температурного интервала практически без зон перегрева, то есть с превышением температуры разложения углеводородсодержащих материалов, такой как около 800°F (426,67°С) и во многих случаях около 900°F (482,22°С). Таким образом, работая в описываемом здесь режиме, системы согласно настоящему изобретению могут обеспечить возможность извлечения углеводородов, в то же время исключая или по существу избегая образования нежелательных стоков. Хотя продукты могут существенно варьировать в зависимости от исходных материалов, возможно получение высококачественных жидких и газообразных продуктов. В соответствии с одним вариантом осуществления настоящего изобретения раздробленный материал битуминозных сланцев может давать жидкий продукт, имеющий показатель Американского нефтяного института от около 30 до около 45, с типичным в настоящее время значением от около 33 до около 38, непосредственно из битуминозных сланцев без дополнительной обработки. Интересно то, что разработка настоящего изобретения привела к пониманию, что давление оказалось гораздо менее значимым фактором влияния на качество извлеченных углеводородов, чем температура и продолжительности нагревания. Хотя продолжительности нагревания могут существенно варьировать в зависимости от свободного порового объема, состава проницаемого массива, качества и т.д., в порядке общей методической рекомендации продолжительности могут варьировать от нескольких дней (то есть 3-4 дня) вплоть до около одного года. В одном конкретном примере продолжительности нагревания могут варьировать от около 2 недель до около 4 месяцев. Недогретые битуминозные сланцы при коротких временах пребывания, то есть от минут до нескольких часов, могут вести к образованию вымываемых и/или в какой-то мере летучих углеводородов. Соответственно этому настоящее изобретение позволяет увеличить времена пребывания при умеренных температурах так, что органические вещества, присутствующие в битуминозных сланцах, могут быть испарены и/или обуглены, оставляя несущественные количества вымываемых органических компонентов. В дополнение, расположенные в основании глинистые сланцы в общем не подвергаются разложению или изменению, что сокращает образование растворимых солей.
Трубопроводы могут быть ориентированы среди множества накопительных резервуаров и/или управляющих инфраструктур для переноса текучих сред и/или тепла между структурами. Трубопроводы могут быть сварены между собой с использованием традиционной сварки или тому подобного. Трубопроводы могут включать соединения, которые обеспечивают возможность вращения и или небольшие перемещения во время расширения и усадки материала в проницаемом массиве. Дополнительно трубопроводы могут включать опорную систему, которая действует как станина для сборного узла трубопроводов до и во время заполнения замкнутого объема, а также во время работы. Например, во время нагревания потоков текучих сред нагревание и тому подобное обусловливает расширение (растрескивание или «эффект попкорна») или осадку, достаточные для создания потенциально опасного напряжения и деформации в трубопроводах и связанных с ними соединениях. Опорная система в виде фермы или других подобных фиксирующих элементов может быть полезной в сокращении повреждений трубопроводов. Крепежные элементы могут включать цементные блоки, двутавровые балки, арматурный пруток, колонны и т.д., которые могут быть соединены со стенками накопительного резервуара, включая боковые стенки, полы и потолки.
Альтернативно, трубопроводы могут быть полностью сформированы и собраны до введения в любые добытые материалы в замкнутом объеме. Проектирование заранее заданных маршрутов трубопроводов и способа заполнения объема может быть проведено с осмотрительностью и планированием, чтобы избежать повреждения трубопроводов во время процесса заполнения по мере засыпания трубопроводов. Так, в качестве общей методической рекомендации трубопроводы, используемые в настоящем изобретении, ориентируют изначально или до внедрения в проницаемый массив, так что их не укладывают в пробуренные каналы. В результате сооружение трубопроводов и размещение таковых могут быть выполнены без излишнего колонкового бурения и/или сложного оборудования, связанного с бурением скважин или горизонтальным бурением. Скорее горизонтальная или любая иная ориентация трубопровода может быть без труда достигнута монтажом желательных заранее заданных путей до заполнения инфраструктуры добытым углеводородсодержащим материалом или же одновременно с таковым. Трубопроводы, размещенные без бурения, с помощью монтажных работ с использованием крана, ориентированные с разнообразными геометрическими конфигурациями, могут быть уложены с вентилями в местах контролируемых соединений, которые обеспечивают возможность точного и прямого мониторинга нагревания внутри отсека в накопительном резервуаре. Возможность размещения и укладки трубопроводов, включая соединения, байпасы и проточные вентили, и точки прямого впуска и выпуска позволяет поддерживать точный температурный режим и скорости нагревания, точный уровень давления и скорости повышения давления и точные параметры поступления, вывода и состава смесей текучей среды и газа. Например, когда употребляются бактерии, ферменты или другой биологический материал, можно без труда поддерживать оптимальные температуры во всем проницаемом массиве для повышения производительности, реакционной способности и безотказности действия таких биоматериалов.
Трубопроводы в общем будут проходить через стенки сооруженной инфраструктуры в разнообразных местах. Вследствие температурных перепадов и допустимых отклонений может быть полезным включение изолирующего материала в сопряжение между стенкой и трубопроводами. Размеры этого сопряжения могут быть сведены к минимуму, в то же время с оставлением также пространства для учета теплового расширения во время пуска, при эксплуатации в стационарном режиме, при колебаниях эксплуатационных условий и отключении инфраструктуры. Сопряжение может также включать изоляционные материалы и уплотнительные приспособления, которые предотвращают неконтролируемый выход углеводородов или других материалов из управляющей инфраструктуры. Неограничивающие примеры пригодных материалов могут включать высокотемпературные прокладки, металлические сплавы, керамические материалы, глинистые или минеральные облицовки, композиты и прочие материалы, которые имеют температуры плавления выше типичных рабочих температур и действуют как продолжение контроля проницаемости, обеспечиваемого стенками управляющей инфраструктуры.
Стенки сооруженной инфраструктуры могут быть скомпонованы так, чтобы свести к минимуму потери тепла. В одном аспекте могут быть сооружены стенки, имеющие по существу равномерную толщину, которая оптимизирована для обеспечения достаточной механической прочности, в то же время также сводя к минимуму объем материала стенки, через которую проходят трубопроводы. Более конкретно, избыточно толстые стенки могут сократить количество теплоты, которая передается в проницаемый массив, вследствие поглощения таковой в результате теплопроводности. Напротив, стенки, которые также действуют как термический барьер, до некоторой степени изолируют проницаемый массив и сохраняют тепло в таковом во время эксплуатации.
В одном варианте осуществления текучие и газообразные соединения внутри проницаемого массива могут быть изменены для получения желательных добываемых продуктов с использованием, в качестве примера, давления, создаваемого газами, или литостатического давления в нагроможденном раздробленном материале. Таким образом, одновременно с процессом добычи согласно настоящему изобретению может быть проведена в некоторой степени модернизация и/или модификация. Далее, определенные углеводородсодержащие материалы могут потребовать обработки с использованием специфических разбавителей или других материалов. Например, обработка битуминозных песков может быть без труда проведена впрыскиванием водяного пара или введением растворителя для облегчения отделения битума от частиц песка согласно хорошо известным методикам.
С учетом вышеприведенного описания Фиг.1 изображает вид сбоку одного варианта осуществления изобретения, показывающий разработанный секционный локализующий и экстракционный накопительный резервуар 100, где существующий грунт 108 используется прежде всего как опора для непроницаемого слоя 112 подстилающей породы. Наружные боковые стенки 102 секционного накопительного резервуара обеспечивают герметизацию и могут, но не обязательно должны быть, разделены внутренними стенками 104. Подразделение может создавать отдельные герметизированные отсеки 122 внутри более крупного замкнутого объема накопительного резервуара 100, который может иметь любые геометрическую форму, размер или секционирование. Дополнительное секционирование может быть горизонтальным или вертикально многоярусным. Созданием отдельных герметичных отсеков 122 или камер может быть без труда произведена рассортировка для низкосортных материалов, разнообразных газов, разнообразных жидкостей, разнообразных стадий процесса, разнообразных ферментов или микробиологических типов, или прочих желательных и выполняемых поэтапно процессов. Секционированные отсеки, оформленные как бункеры внутри более крупных сооруженных помещений, могут быть также предназначены для проведения постадийных и последовательных процессов, вариаций температур, составов газов и текучих сред и теплопереноса. Такие секционированные отсеки могут обеспечить дополнительный экологический мониторинг и могут быть сформированы облицованными и отсыпанными бермами из пустой породы подобно первичным наружным стенкам. В одном варианте осуществления секции внутри накопительного резервуара 100 могут быть использованы для размещения материалов в изолированном состоянии при отсутствии доступа тепла извне или с намерением ограничить или контролировать сгорание или действие растворителя. Материал с пониженным содержанием углеводородов может быть полезным в качестве горючего материала или в качестве наполнителя или строительного материала для стенки бермы. Материал, который не соответствует разнообразным пороговым уровням, при которых добыча становится нерентабельной, также может быть изолирован без изменения в накопительном резервуаре, предназначенном для этой цели. В таком варианте осуществления такие зоны могут быть полностью изолированы или шунтированы для потоков теплоты, растворителей, газов, жидкостей или тому подобных. Необязательные контрольные устройства и/или оборудование могут быть постоянно или временно размещены внутри накопительного резервуара или по наружным периметрам накопительного резервуара, чтобы проверять локализацию изолированного материала.
Стенки 102 и 104, а также покрывающая порода 116 и непроницаемый слой 112 могут быть сооружены и укреплены набитыми камнями сетчатыми ящиками 146 (габионами) и/или геотекстильным материалом 148, уложенным в слои с уплотненным наполняющим материалом. Альтернативно, стенки 102, 104, 116 и 112, которые составляют накопительный резервуар с контролируемой проницаемостью и в совокупности определяют замкнутый объем, могут быть сформированы из любого другого пригодного материала, как описано ранее. В этом варианте осуществления накопительный резервуар 100 включает боковые стенки 102 и 104, которые являются свободно стоящими. В одном варианте осуществления бермы из отработанной пустой породы, стенки и подстилающие породы могут быть уплотнены и обработаны для структурирования, а также для проницаемости. Применение уплотняющих геотекстильных материалов и других анкерных конструкций для закрепления берм и насыпей может быть предусмотрено до сооружения слоев с контролируемой проницаемостью или включено в таковые, которые могут содержать песок, глину, бентонитовую глину, гравий, цемент, жидкий цементный раствор, армированный цемент, огнеупорный цемент, изоляционные материалы, геомембраны, дренажные трубы, термостойкие изоляции для введенных нагретых труб и т.д.
В одном альтернативном варианте осуществления накопительный резервуар с контролируемой проницаемостью может включать боковые стенки, которые представляют собой уплотненный грунт и/или нетронутые геологические формации, тогда как покрывающая и подстилающая порода являются непроницаемыми. Более конкретно, в таких вариантах осуществления непроницаемая покрывающая порода может быть использована для предотвращения неконтролируемой утечки летучих веществ и газов из накопительного резервуара с тем, чтобы можно было использовать надлежащие выходные газовые коллекторы. Подобным образом, непроницаемая подстилающая порода может быть использована для приема и направления собранных жидкостей к пригодному выходному каналу, такому как дренажная система 133, чтобы удалять жидкие продукты из нижних уровней накопительного резервуара. Хотя непроницаемые боковые стенки накопительного резервуара могут быть желательными в некоторых вариантах осуществления, таковые не всегда являются необходимыми. В некоторых случаях боковые стенки могут примыкать к нетронутому грунту или к уплотненной засыпке или земле, или другому проницаемому материалу. Наличие проницаемых боковых стенок может допускать некоторую небольшую утечку газов и/или жидкостей из накопительного резервуара.
Выше, ниже, вокруг и рядом с построенным секционным отсеком могут быть сооружены камеры экологического гидрологического контроля для отведения поверхностных вод от стенок, полов, крыш и т.д. отсеков во время работы. Далее, самотечные дренажные трубы и приспособления могут быть использованы для объединения и перемещения текучих сред, жидкостей или растворителей внутри замкнутого объема к центральному коллектору, в трубы для перекачки, конденсации, нагревания, распределения и выгрузки, бункеры, цистерны и/или скважины, как потребуется. Подобным образом могут быть вовлечены в рециркуляцию водяной пар и/или вода, которые преднамеренно вводятся, например, для обработки битума из битуминозных песков.
Когда стенки 102 и 104 сооружены над подготовленным и выполненным непроницаемым слоем 112 подстилающей породы, который начинается с поверхности грунта 106, добытый раздробленный материал 120 (который может быть измельчен или рассортирован соответственно размеру или содержанию углеводородов) может быть помещен слоями поверх (или рядом с) уложенными трубчатыми нагревательными магистралями 118, дренажными трубами 124 для текучих сред и/или трубами 126 для сбора или введения газов. Эти трубы могут быть ориентированы и скомпонованы для любой оптимальной конфигурации потоков, под любым углом, с любыми длиной, размером, объемом, пересечениями, трассировкой, размером стенок, составом сплава, распределением перфорации, скоростью подачи и скоростью экстракции. В некоторых случаях трубы как таковые, используемые для теплопередачи, могут быть соединены с источником 134 тепла, вовлечены в рециркуляцию через таковой или получать тепло от такового. Альтернативно или в сочетании с этим извлеченные газы могут быть сконденсированы с использованием конденсатора 140. Тепло, регенерированное в конденсаторе, необязательно может быть употреблено для дополнительного нагревания проницаемого массива или для других производственных нужд.
Источник 134 тепла может выводить, усиливать, накапливать, создавать, объединять, разделять, передавать или включать тепло, выведенное из любого пригодного источника тепла, включающего, но не ограничивающегося таковыми, топливные элементы, твердооксидные топливные элементы, солнечные батареи, ветровые источники энергии, нагреватели, сжигающие жидкие или газообразные углеводороды, геотермальные источники тепла, атомную электростанцию, работающую на угле тепловую электростанцию, теплоту радиочастотного излучения, волновую энергию, беспламенные горелки, горелки с естественной подачей или любую комбинацию таковых. В некоторых случаях могут быть использованы электрорезистивные нагреватели или другие нагреватели, хотя в настоящее время являются предпочтительными твердооксидные топливные элементы и основанные на горении нагреватели. В некоторых местах на поверхность могут быть выходить геотермальные воды в достаточных количествах для нагревания проницаемого массива и направления в инфраструктуру.
В еще одном варианте осуществления во всем проницаемом массиве может быть распределен электропроводный материал, и через электропроводный материал может быть пропущен электрический ток, достаточный для генерирования тепла. Электропроводный материал может включать, но не ограничивается таковыми, металлические куски или зерна, проводящий цемент, покрытые металлом частицы, металлокерамические композиты, проводящие полуметаллические карбиды, прокаленный нефтяной кокс, проволочную свивку, комбинации этих материалов и тому подобные. Электропроводный материал может быть предварительно примешанным, имея разнообразные размеры частиц, или материалы могут быть введены в проницаемый массив после формирования проницаемого массива.
Жидкости или газы могут переносить тепло от источника 134 тепла, или, в еще одном варианте осуществления, в случае горелок для сжигания жидких или газообразных углеводородов, радиочастотных генераторов (микроволновых устройств), топливных элементов или твердооксидных топливных элементов, все они могут, но не обязательно должны генерировать тепло непосредственно внутри объема секционированного накопительного резервуара 114 или 122. В одном варианте осуществления нагревание проницаемого массива может быть выполнено путем конвективного нагревания от сгорания углеводородов. Особенный интерес представляет сгорание углеводородов, производимое при стехиометрических условиях соотношения топлива и кислорода. Стехиометрические условия могут обеспечить возможность существенного повышения температур нагретого газа. Для стехиометрического горения может быть использован, но не обязательно необходим, источник чистого кислорода, который может быть получен известными способами, включающими, но не ограничивающимися таковыми, концентраторы кислорода, мембраны, электролиз и тому подобные. В некоторых вариантах осуществления кислород может быть получен из воздуха в стехиометрических соотношениях кислорода и водорода. Отходящие газы от горения могут быть направлены в ультравысокотемпературный теплообменник, например, из керамического или другого пригодного материала, имеющего рабочую температуру выше около 2500°F (1371,11°С). Воздух, полученный из окружающей среды или рециркуляционный из других процессов, может быть нагрет с помощью ультравысокотемпературного теплообменника и затем направлен в накопительный резервуар для нагревания проницаемого массива. Отходящие газы после горения могут быть затем изолированы без необходимости дальнейшего разделения, то есть ввиду того, что отходящие газы в основном состоят из диоксида углерода и воды.
5
6
5
Для сведения к минимуму потери тепла могут быть минимизированы расстояния между камерой сгорания, теплообменником и накопительным резервуаром. Поэтому в одном конкретном подробном варианте осуществления портативные топочные камеры могут быть присоединены к отдельным нагревательным трубопроводам или более мелким секциям трубопроводов. Портативные топочные камеры или горелки могут по отдельности давать от около 100000 Btu (Британских тепловых единиц) (1055×10 Дж) до около 1000000 Btu (1055×10 Дж), при достаточном количестве около 600000 Btu (6330×10 Дж) на трубу.
Альтернативно, сгорание внутри отсека может быть инициировано внутри изолированных отсеков в пределах первично сооруженной структуры, секционированной на отсеки. Для этого процесса частично сжигают углеводородсодержащий материал для получения тепла и внутреннего пиролиза. Нежелательные выбросы 144 в атмосферу могут быть поглощены и изолированы в формации 108, будучи выведенными из герметичного отсека 114, 122 или источника 134 тепла и направленными в пробуренную скважину 142. Источник 134 тепла может также генерировать электрический ток и передавать, преобразовывать или питать с помощью линий 150 электропередачи. Жидкости или газы, извлеченные из обрабатывающей зоны 114 или 122 отсека накопительного резервуара, могут быть сохранены в близлежащем сборном баке 136 или внутри герметичного отсека 114 или 122. Например, непроницаемый слой 112 подстилающей породы может включать наклонный участок 110, который направляет жидкости к дренажной системе 133, откуда жидкости направляются в сборный бак.
Когда раздробленный материал 120 размещен вокруг труб 118, 124, 126 и 128, предполагаются разнообразные измерительные устройства или датчики 130 для отслеживания температуры, давления, текучих сред, газов, составов, скоростей нагревания, плотности и всех других параметров процесса во время процесса экстракции внутри сформированного секционированного на отсеки накопительного резервуара 100, вокруг такового или под таковым. Такие устройства и датчики 130 для мониторинга могут быть распределены в любом месте внутри, вокруг, в части, в соединении или на верхней части размещенных трубопроводов 118, 124, 126 и 128, или на вершине раздробленного материала 120, покрытыми таковым или погруженными в таковой, или в непроницаемом слое 112.
Когда размещенный раздробленный материал 120 наполняет обрабатывающую зону 114 или 122 отсека, материал 120 становится опорой для потолка из непроницаемой барьерной зоны 138, сформированной из покрывающей породы, и стеновой барьерной конструкции 170, которая может включать любую комбинацию непроницаемости и сформированного барьера для текучей среды и газа, или сооруженную герметичную конструкцию, включающую таковые, которые могут быть сформированы из непроницаемого слоя 112, включая, но не ограничиваясь глиной 162, утрамбованную насыпь или привозной материал 164, содержащий цемент или огнеупорный цемент материал 166, синтетическую геомембрану, облицовку или изоляцию 168. Над слоем 138 размещен заполняющий материал 116 для создания литостатического давления на герметизированные обрабатывающие зоны 114 или 122. Покрытие проницаемого массива уплотненной насыпью, достаточной для создания увеличенного литостатического давления внутри проницаемого массива, может быть полезным для дальнейшего повышения качества углеводородного продукта. Крыша из уплотненной насыпи может по существу закрывать проницаемый массив, тогда как проницаемый массив, в свою очередь, может по существу поддерживать крышу из уплотненной насыпи. Далее, крыша из уплотненной насыпи может быть по существу непроницаемой для удаляемого углеводорода, или же дополнительный слой материала с контролируемой проницаемостью может быть добавлен подобным образом, как боковые стенки и/или подстилающая порода. Дополнительное давление может быть создано в герметизированной обрабатывающей зоне 114 или 122 для экстракции путем увеличения количества любого газа или текучей среды, однажды извлеченных, обработанных или рециркулирующих, каковой случай может иметь место, через любую из труб 118, 124, 126 или 128. Все имеющие к этому отношение измерения, степени оптимизации, скорости подачи, уровни экстракции, температуры, скорости нагревания, расходы потоков, уровни давления, показания производительности, химические составы или другие данные, касающиеся процесса нагревания, экстракции, стабилизации, изоляции, накопления, модификации, очистки или анализа структуры внутри герметизированного накопительного резервуара 100 предполагаются контролируемыми путем соединения с компьютерным устройством 132, которое действует согласно компьютерной программе для управления, расчетов и оптимизации всего процесса в целом. Далее, керновое бурение, анализ геологических ресурсов и аналитическое моделирование формации до взрывных работ, добычи и транспортировки (или в любой момент до, после или во время таких операций) могут служить в качестве входных данных, вводимых в управляемые компьютером механизмы, которые действуют по программе для определения оптимальных местоположений, размеров, объемов и компоновок, калиброванных и взаимосвязанных с желательным уровнем производительности, значениями давления, температуры, скорости подведения тепла, весовыми процентными долями газа, составами вводимого газа, величинами теплоемкости, проницаемости, пористости, химическим и минеральным составом, уплотнением, плотностью. Такие анализ и определения могут включать прочие факторы типа погодных факторов, таких как температура и влажность воздуха, влияющих на общую производительность сооруженной инфраструктуры. Другие сведения, такие как влагосодержание, степень обогащения углеводородами, вес, размер частиц и минеральный и геологический состав, могут быть использованы как входные данные, в том числе данные временной стоимости денег, заложенные в проектные движение ликвидности, затраты на обслуживание долга и внутренние нормы доходности.
Фиг.2А показывает совокупность накопительных резервуаров, включающую непокрытый или незасыпанный секционный накопительный резервуар 100, содержащий секционированные герметичные накопительные резервуары 122 внутри открытой разработки 200 с разнообразными подъемными механизмами в уступной выемке. Фиг.2В иллюстрирует одиночный накопительный резервуар 122 без связанных с ним трубопроводов и прочих аспектов только ради ясности. Этот накопительный резервуар может быть подобным таковому, иллюстрированному в Фиг.1, или иметь любую другую конфигурацию. В некоторых вариантах осуществления представляется, что добытый раздробленный материал может быть перенесен вниз по желобу 230 или транспортерами 232 в карьерные секционные накопительные резервуары 100 и 122 без какой-либо необходимости в карьерных грузовиках.
Фиг.3 показывает непроницаемый слой 112, содержащий проницаемые барьеры 162, 164, 166 и 168 (фиг.1) и расположенный ниже герметичного накопительного резервуара 100, и покрывающую породу 302 на сторонах и вершине герметичного накопительного резервуара 100 для окончательного (после проведения процесса) укрытия и рекультивации новой поверхности 300 земли. Местные растения, которые могли быть временно перенесены из зоны, могут быть высажены вновь, например, деревья 306. Сооруженные инфраструктуры согласно настоящему изобретению в общем могут представлять собой структуры однократного употребления, которые могут быть легко и надежно выведены из эксплуатации с минимальной дополнительной рекультивацией. Это может резко сократить расходы, связанные с перемещением больших объемом израсходованных материалов. Однако при некоторых обстоятельствах сооруженные инфраструктуры могут быть раскопаны и использованы вновь. Некоторое оборудование, такое как радиочастотные (RF) установки, волноводы, устройства и эмиттеры, может быть изъято из сооруженного накопительного резервуара по завершении извлечения углеводородов.
Фиг.4 показывает компьютерное устройство 130, контролирующее разнообразные входные и выходные данные о параметрах трубопроводов 118, 126 или 128, соединенных с источником 134 тепла во время процесса в ряду подразделенных на отсеки накопительных резервуаров 122 внутри обобщенного накопительного резервуара 100, для контроля нагревания проницаемого массива. Тепло может необязательно представлять собой замкнутый контур так, что газы возвращаются к источнику тепла по возвратным трубопроводам 135 или иным образом выводятся из накопительных резервуаров. Подобным образом жидкость или пар, собранные из накопительных резервуаров, могут быть проконтролированы и собраны в бак 136 или конденсатор 140 соответственно. Например, жидкие продукты могут быть собраны через дренажную систему (не показана) и сохранены в цистерне 136 для накопления жидкости. Парообразные продукты из отдельных накопительных резервуаров могут быть собраны через подходящую газоколлекторную систему и направлены в конденсатор. Конденсируемые продукты типично представляют собой высококачественные углеводороды, например керосин, топливо для реактивных двигателей или прочие высокосортные топлива, и могут быть сохранены отдельно в баке 141 для конденсата. Подобным образом неконденсируемые фракции могут быть направлены в другие части процесса или сохранены в баке 143. Как описано ранее, жидкие и парообразные продукты могут быть объединены или, что чаще имеет место, оставлены как отдельные продукты в зависимости от способности к конденсации, целевого назначения продукта и тому подобного. Часть парообразного продукта может быть сконденсирована и объединена с жидкими продуктами в баке 136. Однако основная часть парообразного продукта будет представлять собой газообразные углеводороды с числом атомов углерода от 4 и менее, которые могут быть сожжены, проданы или использованы в пределах процесса. Например, газообразный водород может быть извлечен с использованием общепринятой технологии разделения газов и применен для гидрирования жидких продуктов соответственно общеупотребительным методам повышения качества, например, каталитическим и т.д., или неконденсируемый газообразный продукт может быть сожжен для производства тепла, употребляемого для нагревания проницаемого массива, нагревания соседнего или близлежащего накопительного резервуара, отопления площадки для технического обслуживания или помещения для персонала, или удовлетворения прочих потребностей процесса в тепле. Сооруженная инфраструктура может включать термопары, манометры, расходомеры, датчики распределения текучих сред, датчики содержания целевого компонента и любые другие общеупотребительные устройства для контроля процесса, распределенные по всей сооруженной инфраструктуре. Эти устройства могут быть функционально связаны с компьютером так, что скорости нагревания, величины расхода потоков продуктов и давления могут быть отслежены или изменены во время нагревания проницаемого массива. Необязательно может быть выполнено перемешивание на месте с использованием, например, ультразвуковых генераторов, которые соединены с проницаемым массивом. Такое перемешивание может облегчить выделение и пиролиз углеводородов из нижележащих твердых материалов, с которыми они связаны. Далее, достаточное перемешивание может сократить закупорку и агломерацию во всем объеме проницаемого массива и в трубопроводах.
Фиг.5 показывает, как любой из трубопроводов может быть использован для переноса тепла в любой форме с газом, жидкостью, или тепла через передающее средство 510, от любого секционированного герметичного накопительного резервуара к другому таковому. Затем охлажденная жидкость может быть транспортирована через теплопередающее средство 512 в тепловыделяющий отсек или источник 134 тепла для поглощения дополнительной порции тепла из отсека 500 с обратной рециркуляцией в отсек 522 назначения. Таким образом, разнообразные трубопроводы могут быть использованы для переноса тепла из одного накопительного резервуара в другой, чтобы рекуперировать тепло и управлять расходованием энергии для сведения к минимуму потерь энергии.
В еще одном дополнительном аспекте настоящего изобретения в проницаемый массив во время стадии нагревания может быть введен водороднодонорный реагент. Реагент в качестве донора водорода может иметь любой состав, который способен гидрировать углеводороды и, необязательно, может действовать как восстановитель. Неограничивающие примеры пригодных водороднодонорных реагентов могут включать синтетический газ, пропан, метан, водород, природный газ, конденсат природного газа, промышленные растворители, такие как ацетон, толуолы, бензолы, ксилолы, кумолы, циклопентаны, циклогексаны, низшие алкены (С4-С10), терпены, замещенные производные этих растворителей и т.д. и тому подобные. Далее, извлеченные углеводороды могут быть подвергнуты гидрообработке либо внутри проницаемого массива, либо впоследствии, для сбора. Преимущественно водород, отделенный от газообразных продуктов, может быть вновь введен в жидкий продукт для модифицирования. Как бы то ни было, гидрообработка или гидродесульфуризация могут быть весьма полезными для сокращения содержания азота и серы в конечных углеводородных продуктах. Необязательно, для облегчения таких реакций могут быть введены катализаторы. В дополнение введение легких углеводородов в проницаемый массив может иметь результатом реакции риформинга, которые снижают молекулярную массу, в то же время повышая отношение водорода к углероду. Это является в особенности преимущественным для применения в настоящем изобретении отчасти благодаря по меньшей мере высокой проницаемости проницаемого массива, например, часто около 30% свободного порового объема, хотя поровый объем в общем может варьировать от около 15% до около 40% свободного порового объема. Легкие углеводороды, которые могут быть введены, могут быть любыми, которые обеспечивают риформинг извлеченных углеводородов. Неограничивающие примеры пригодных легких углеводородов включают природный газ, конденсаты природного газа, промышленные растворители, водороднодонорные реагенты и прочие углеводороды, имеющие десять или меньше атомов углерода, и часто пять или менее атомов углерода. В настоящее время природный газ является эффективным, удобным и имеющимся в изобилии легким углеводородом. Как упомянуто ранее, разнообразные растворители или другие добавки также могут быть внесены для способствования экстракции углеводородных продуктов из битуминозных сланцев и часто могут также повысить текучесть.
Легкий углеводород может быть введен в проницаемый массив подачей такового через питающий трубопровод, имеющий открытый конец, находящийся в коммуникации текучих сред с нижней частью проницаемого массива так, что легкие углеводороды (которые при нормальных эксплуатационных условиях являются газообразными) проникают внутрь проницаемого массива. Альтернативно, тот же подход может быть применен к извлеченным углеводородам, которые сначала подаются в пустой накопительный резервуар. Этим путем накопительный резервуар может действовать как сборный бак для продуктов, непосредственно добытых в близлежащем накопительном резервуаре, и как реактор для риформинга и повышения качества. В этом варианте осуществления накопительный резервуар может быть по меньшей мере частично заполнен жидким продуктом, где газообразный легкий углеводород пропускают через жидкие углеводородные продукты, обеспечивая контакт с таковыми при температурах и условиях, достаточных для инициирования риформинга в соответствии с хорошо известными процессами. Необязательно катализаторы риформинга, которые включают такие металлы, как палладий (Pd), никель (Ni) или прочие пригодные каталитически активные металлы, также могут быть введены в жидкий продукт внутри накопительного резервуара. Добавление катализаторов может служить для снижения и/или корректирования температуры преобразования и/или давления для конкретных жидких продуктов. Далее, накопительные резервуары согласно настоящему изобретению могут быть без труда сформированы почти с любой глубиной. Так, оптимальные давления реакции риформинга (или давления экстракции, когда глубина накопительного резервуара используется как средство контроля давления для извлечения из проницаемого массива) могут быть спроектированы на основе гидростатического давления, создаваемого массой жидкости в накопительном резервуаре и зависящего от высоты накопительного резервуара, то есть P=ρgh. В дополнение, давление может значительно варьировать по высоте накопительного резервуара в достаточной мере, чтобы создавать многочисленные зоны риформинга и точно соответствующие этому давления. В общем, давления внутри проницаемого массива могут быть достаточными для того, чтобы обеспечить возможность извлечения только жидких продуктов, хотя некоторые небольшие объемы паров могут образовываться в зависимости от конкретного состава проницаемого массива. В качестве общей методической рекомендации давления могут варьировать в диапазоне от около 5 атм (0,5065 МПа) до около 50 атм (5,065 МПа), хотя давления от около 6 атм (0,6078 МПа) до около 20 атм (2,026 МПа) могут быть в особенности благоприятными. Однако может быть использовано любое давление выше, чем примерно атмосферное.
В одном варианте осуществления извлеченная сырая нефть имеет тонкодисперсные частицы, осаждающиеся внутри секционированных отсеков. Извлеченные текучие среды и газы могут быть обработаны для удаления тонкодисперсных частиц и частиц пыли. Отделение тонкодисперсных частиц от битуминозных сланцев может быть выполнено такими способами, но не ограничивающимися таковыми, как горячая фильтрация газа, осаждение и рециркуляция тяжелой нефти.
Углеводородные продукты, извлеченные из проницаемого массива, могут быть далее переработаны (например, очищены) или использованы как есть. Любые конденсируемые газообразные продукты могут быть сконденсированы охлаждением и собраны, тогда как неконденсируемые газы могут быть собраны, сожжены в качестве топлива, вновь введены в процесс или утилизированы иным путем или ликвидированы. Необязательно, для сбора газов может быть применено мобильное оборудование. Эти установки могут быть без труда размещены поблизости от управляющей инфраструктуры, и газообразные продукты направлены в таковые по подходящим трубопроводам из верхней части управляющей инфраструктуры.
В еще одном дополнительном варианте осуществления вслед за первичным извлечением углеводородных материалов из проницаемого массива может быть утилизировано тепло внутри него. Например, большое количество тепла сохраняется в проницаемом массиве. В одном необязательном варианте осуществления проницаемый массив может быть промыт текучей средой, служащей в качестве теплоносителя, такой как вода в форме нагретой текучей среды, например, нагретой водой и/или паром. В то же время этот процесс может облегчить удаление некоторых остаточных углеводородных продуктов благодаря физическому промыванию отработанных твердых глинистых сланцев. В некоторых случаях введение воды и присутствие пара может иметь результатом побочные реакции образования водяного газа и формирования синтез-газа. Водяной пар, выведенный из этого процесса, может быть использован для приведения в действие генератора, направлен в еще одну близлежащую инфраструктуру или употреблен иным образом. Углеводороды и/или синтез-газ могут быть отделены от водяного пара или нагретой текучей среды общепринятыми способами.
Хотя способы и инфраструктура согласно настоящему изобретению позволяют улучшить проницаемость и контроль эксплуатационных условий, в проницаемом массиве часто остаются существенные количества неизвлеченных углеводородов, драгоценных металлов, минералов, бикарбоната натрия или других промышленно ценных материалов. Поэтому в проницаемый массив может быть впрыснут или введен селективный растворитель. Типично это может быть сделано после сбора углеводородов, хотя определенные селективные растворители могут быть преимущественно использованы до нагревания и/или извлечения. Это может быть выполнено с использованием одного или более существующих трубопроводов или прямым введением и просачиванием через проницаемый массив. Селективный растворитель или фильтрат может быть выбран как растворитель для одного или более целевых материалов, например, минералов, драгоценных металлов, тяжелых металлов, углеводородов или бикарбоната натрия. В одном конкретном варианте осуществления водяной пар или диоксид углерода может быть употреблен в качестве промывного средства для проницаемого массива, чтобы вытеснить по меньшей мере часть любых остаточных углеводородов. Это может быть полезным не только для удаления потенциально ценных вторичных продуктов, но и для очистки остаточных отработанных материалов от следовых количеств тяжелого металла или неорганических веществ до уровня ниже детектируемого значения, чтобы соответствовать законодательным стандартам или заблаговременно предотвратить непреднамеренную утечку материалов.
Более конкретно, разнообразные стадии извлечения могут быть использованы либо до, либо после нагревания проницаемого массива, для извлечения тяжелых металлов, драгоценных металлов, следовых количеств металлов или прочих материалов, которые либо имеют экономическую ценность, либо могут создавать нежелательные проблемы во время нагревания проницаемого массива. Типично такое извлечение материалов может быть выполнено до термической обработки проницаемого массива. Стадии извлечения могут включать, но никоим образом не ограничиваются таковыми, добычу растворением, выщелачивание, экстракцию растворителями, осаждение, кислотную обработку (например, соляной кислотой, галогенангидридами кислот и т.д.), флотацию, обработку ионообменными смолами, гальваностегию или тому подобные. Например, тяжелые металлы, боксит или алюминий и ртуть могут быть удалены промыванием проницаемого массива подходящим растворителем и рециркуляцией полученного экстракта через надлежащим образом подобранные ионообменные смолы (например, в виде зерен, мембран и т.д.).
Подобно этому биоэкстракция, биовыщелачивание, биоизвлечение или биологическая очистка углеводородного материала, отработанных материалов или драгоценных металлов могут быть выполнены для дальнейшего повышения качества, экстрагирования ценных металлов и приведения отработанного материала к экологически приемлемым стандартам. В таких операциях биоэкстракции трубопроводы могут быть использованы для введения катализирующих газов как прекурсоров, которые помогают стимулировать биологические реакции и рост. Такие микроорганизмы и ферменты могут биохимически окислять рудную массу или материал или целлюлозный или другой материал биомассы путем биологического окисления перед экстракцией руды растворителем. Например, перфорированная труба или другой механизм могут быть применены для введения легкого углеводорода (например, метана, этана, пропана или бутана) в проницаемый массив, достаточного для стимулирования роста и действия нативных бактерий. Бактерии могут быть нативными или введенными, и могут расти в аэробных или анаэробных условиях. Такие бактерии могут выделять металлы из проницаемого массива, которые могут быть затем извлечены промыванием с помощью подходящего растворителя или иными пригодными способами извлечения. Выделенные металлы могут быть затем осаждены с использованием общепринятых методов.
2
Из проницаемого массива во время стадии нагревания может быть также извлечен синтез-газ. Разнообразные стадии получения газа могут быть реализованы способами, в которых повышаются или снижаются рабочие температуры внутри замкнутого объема и корректируются прочие вводимые в накопительный резервуар компоненты для получения синтетических газов, которые могут включать, но не ограничиваются таковыми, монооксид углерода, водород, сероводород, углеводороды, аммиак, воду, азот или разнообразные комбинации таковых. В одном варианте осуществления температуру и давление можно контролировать внутри проницаемого массива для снижения выбросов СО при извлечении синтетических газов.
Углеводородный продукт, извлеченный из сооруженных инфраструктур согласно настоящему изобретению, наиболее часто может быть далее переработан, например, путем повышения качества гидрированием, очистки и т.д. Сера при переработке путем гидрирования и очистки может быть изолирована в разнообразных специальных отсеках для серы внутри более крупного структурированного отсека накопительного резервуара. Специальные отсеки для серы могут представлять собой отработанные сооруженные инфраструктуры или предназначенные для цели хранения и изоляции после десульфуризации.
Подобным образом отработанный углеводородсодержащий материал, остающийся в сооруженной инфраструктуре, может быть утилизирован в производстве цемента и многочисленных продуктах для употребления в строительстве или укрепления самой инфраструктуры или для формирования соседних сооруженных инфраструктур. Такие цементные продукты, изготовленные из отработанных глинистых сланцев, могут включать, но не ограничиваются таковыми, смеси с портландцементом, кальцием, вулканическим пеплом, перлитом, синтетическим наноуглеродом, песком, стекловолокном, толченым стеклом, асфальтом, гудроном, полимерными связующими средствами, целлюлозными растительными волокнами и тому подобными.
В еще одном дополнительном варианте осуществления настоящего изобретения трубопроводы для введения, мониторинга и выведения продуктов или выпускные каналы для экстрактов могут быть включены в любую конфигурацию или компоновку внутри сооруженной инфраструктуры. Скважины для мониторинга и сооруженные слои из геомембран под построенным герметичным отсеком или снаружи такового могут быть использованы для отслеживания нежелательной миграции текучей среды и влаги вне границ отсека и сооруженной инфраструктуры.
Хотя заполненная и подготовленная сооруженная инфраструктура часто может быть немедленно нагрета для извлечения углеводородов, это не требуется. Например, сооруженная инфраструктура, которая построена и заполнена добытым углеводородсодержащим материалом, может быть оставлена на месте в качестве достоверного запаса. Такие конструкции менее чувствительны к взрыву или повреждению в результате террористических действий и могут также составить стратегические резервы необработанных нефтяных продуктов с классифицированными и известными свойствами, так что экономическая ценность может быть повышена и более предсказуема. Долговременное хранение нефти часто сталкивается с проблемами ухудшения качества с течением времени. Таким образом, настоящее изобретение необязательно может быть использовано для долгосрочного обеспечения качества и хранения без необходимости заботиться об утрате или разложении углеводородных продуктов.
В еще одном дополнительном аспекте настоящего изобретения высококачественный жидкий продукт может быть смешан с более вязкими низкосортными углеводородными продуктами (например, с более низким показателем API). Например, керогенное масло, полученное из накопительных резервуаров, может быть смешано с битумом с образованием смесевой нефти. Битум типично нетранспортабелен по протяженным трубопроводам при общепринятых и допустимых стандартах для трубопроводов и может иметь вязкость, существенно превышающую таковую для керогенного масла, и величину API, значительно более низкую, чем таковая для последнего. Количество примешиваемого компонента может в высокой степени варьировать в зависимости от конкретного качества битума и керогенных масел. Однако в качестве общей методической рекомендации смесевая нефть может содержать от 5% до 95% керогенного масла, в некоторых случаях от около 10% до около 40% и в других случаях от около 50% до 80%, причем остальное количество смесевой нефти по существу составляет битум. При смешении керогенного масла и битума смесевая нефть может стать транспортабельной без употребления дополнительных разбавителей или прочих модификаторов вязкости или показателя API. В результате смесевую нефть можно прокачивать по трубопроводу без необходимости дополнительных обработок для удаления разбавителя или возвращения таких разбавителей по вторичному трубопроводу. Традиционно битум комбинируют с таким разбавителем, как конденсат природного газа или другие жидкости с низкой молекулярной массой, чтобы обеспечить возможность прокачивания к отдаленному месту. Разбавитель удаляют и возвращают по вторичному трубопроводу обратно к источнику битума. Настоящее изобретение позволяет избавиться от удаления разбавителя и одновременно повышает качество битума.
Должно быть понятно, что вышеуказанные компоновки являются иллюстративными для реализации принципов настоящего изобретения. Таким образом, в то время как настоящее изобретение было описано выше с привлечением примерных вариантов исполнения изобретения, квалифицированным специалистам в этой области технологии будет очевидно, что множество модификаций и альтернативных компоновок может быть сделано без выхода за пределы принципов и концепций изобретения, изложенных в пунктах формулы изобретения
Ниже приведен пример осуществления способа согласно изобретению.
Пример.
23,9 галлонов на тонну нефтеносных сланцев были извлечены из пластов реки Грин-Ривер в штате Юта в США и помещены в вертикальную цилиндрическую реторту. Реторта нагревалась от 20 до 390°С в течение 7 дней по графику, который приблизительно соответствует промышленному нагреву, но уменьшенный во времени с коэффициентом, равным 30. Полученная при нагреве нефть была собрана через отверстие в дне реторты или конденсацией паров, выходящих из верхней части реторты. Объем и вес неконденсированных газов измерялись, при этом вес измерялся с использованием уравнения состояния идеального газа (уравнения Клапейрона) на основе измеренных молекулярных весов. После достижения в реторте желаемой конечной температуры она охлаждалась и исчерпанный сланец взвешивался. В результате были получены следующие данные.
Было загружено 55 690 г нефтеносных сланцев, составляющих 100% загрузку, и получено 3982 г нефти, составляющих 7.15% загрузки, 928 г газа, составляющих 1.66% загрузки, 1299 г воды, составляющих 2.33% загрузки, и 49457 г исчерпанного сланца, составляющего 88.81% загрузки. Таким образом общий выход равен 55666 г, т.е. 99.96% от загрузки.
Свойства полученной нефти были следующими:
3
плотность 0.8671 г/см при температуре, равной 20°С;
показатель Американского нефтяного института 15.6/15.6-31.3;
К-фактор - 11.58;
сера 0.288% веса;
азот - 1.65% веса;
водород - 12.48% веса;
упругость паров нефти по Рейду 0.81 фунтов/квадратный дюйм;
данные перегонки согласно документу D-2887 Американского общества по испытанию материалов (% вeca - °F):
1
143.9
5
262.1
10
329.4
20
418.8
50
612.6
80
782.9
90
849.3
95
898.2
99
992.6