ОБЛАГОРАЖИВАНИЕ И ДОБЫЧА УГЛЯ Российский патент 2007 года по МПК E21B43/24 

Область техники, к которой относится изобретение

Настоящее изобретение в основном относится к производству полезных материалов из угля. Некоторые варианты воплощения настоящего изобретения в основном относятся к способам и системам облагораживания углеводородов внутри угольной формации.

Описание уровня техники

Углеводороды, которые получают из подземных (например, осадочных) формаций, часто используют в качестве энергетических носителей, в качестве исходного сырья и продуктов потребления. Проблема истощения доступных углеводородных ресурсов и снижение суммарного качества полученных углеводородов привела к разработке способов более эффективного извлечения, переработки и/или использования доступных углеводородных ресурсов. Для изменения углеводородсодержащих материалов в зоне разработки формации можно использовать способ конверсии на месте (в подземной формации). Может возникнуть необходимость изменения химических и/или физических свойств углеводородного материала внутри подземной формации, для того чтобы обеспечить более легкое извлечение углеводородного материала из подземной формации. Эти химические и физические изменения могут включать реакции на месте, в которых образуются извлекаемые текучие среды, изменения состава, изменения растворимости, изменения фазового состояния и/или изменения вязкости углеводородного материала внутри формации. Текучая среда может представлять собой (но не ограничивается указанными) газ, жидкость, эмульсию, суспензию и/или поток твердых частиц, для которого характеристики течения подобны потоку жидкости.

Уголь часто добывается для применения в качестве топлива на энергетической установке, производящей электроэнергию. Значительное число угольных формаций непригодно для экономичной добычи. Например, добычу угля из крутопадающих угольных пластов, из сравнительно тонких угольных пластов (например, толщиной меньше, чем приблизительно 1 м) и/или из угольных пластов глубокого залегания, по-видимому, нельзя считать экономически целесообразной. Угольные пласты глубокого залегания включают угольные пласты, которые находятся (или простираются) на глубине больше, чем приблизительно 914 м (около 3000 футов), ниже уровня поверхности земли. Эффективность энергетического превращения горящего угля для производства электричества является относительно низкой, по сравнению с такими видами топлива, как природный газ. Кроме того, при сгорании угля для производства электричества могут образоваться значительные количества диоксида углерода, оксидов серы и оксидов азота, которые выбрасываются в атмосферу.

Существует значительное число попыток разработки способов и систем экономичного производства углеводородов, водорода и/или других продуктов из угольной формации. Однако в настоящее время еще имеется множество угольных формаций, для которых невозможно экономичное производство углеводородов, водорода и/или других продуктов. Традиционные экстракционные технологии не могут подходить для всех формаций. В некоторых формациях материал, содержащий много углеводородов, может быть расположен в слоях, которые являются слишком тонкими для экономичной экстракции с использованием традиционных методов. В способе конверсии на месте углеводородсодержащий материал может измениться в зоне разработки формации. При воздействии тепла углеводородный материал, такой как уголь, может превращаться и/или облагораживаться, тем самым ускоряется процесс, который в естественных условиях протекает в течение геологического периода времени.

Сущность изобретения

В основу изобретения положена задача разработки способа получения облагороженного угля из углеродной формации.

Поставленная задача решается тем, что способ получения облагороженного угля из углеродной формации включает обработку, по меньшей мере, части углеродной формации посредством подачи тепла, по меньшей мере, из одного или нескольких нагревателей, с целью нагрева, по меньшей мере, части углеродной формации и добычи текучих сред из углеродной формации, в котором обработка углеродной формации повышает категорию части угля, причем повышение категории, по меньшей мере, улучшает качество части угля и добычу, по меньшей мере, части облагороженного угля из обработанной углеродной формации.

Предпочтительно, чтобы формация, по меньшей мере, частично была пиролизована.

Не менее предпочтительно, чтобы, по меньшей мере, часть углеводородов в угле была пиролизована.

Целесообразно, когда получение угля включает в себя добычу угля в виде порошка.

Альтернативно, бывает целесообразно, когда получение угля включает в себя добычу угля в виде суспензии.

Нужно, чтобы способ дополнительно включал в себя подачу текучей среды в часть обработанной формации для того, чтобы удалить, по меньшей мере, часть угля.

При этом добытый облагороженный уголь включает в себя антрацит.

Следует учесть, что уголь до обработки не содержит значительного количества антрацита, а добытый уголь содержит значительное количество антрацита.

В способе, согласно изобретению, по меньшей мере, часть полученного облагороженного угля имеет содержание углерода выше, чем приблизительно 87 вес.%.

В способе, согласно изобретению, по меньшей мере, часть полученного облагороженного угля имеет содержание летучих веществ меньше, чем приблизительно 5 вес.%.

В способе, согласно изобретению, по меньшей мере, часть полученного облагороженного угля имеет теплотворность больше, чем приблизительно 25000 кДж/кг.

В способе, согласно изобретению, по меньшей мере, часть полученного облагороженного угля имеет степень отражения витринита больше, чем приблизительно 2,9%.

Рекомендуется, по меньшей мере, часть полученного облагороженного угля применять в производстве стали.

В одном варианте воплощения для утилизации угля в углеродную формацию подводится тепло. Углеводороды в углеродной формации можно превратить в смесь относительно высокого качества углеводородных продуктов, водорода и/или из формации могут быть выделены другие продукты. Углеводороды, водород и другие текучие среды могут быть удалены из формации через одну или несколько продуктивных скважин.

При воздействии тепла на углеродную формацию могут измениться свойства угля в формации. В некоторых вариантах воплощения часть углеродной формации может быть превращена в уголь высшего сорта. При воздействии тепла может снизиться содержание воды и/или содержание летучих соединений угля в углеродной формации. Текучие среды формации (например, вода и/или летучие соединения) могут удаляться в паровую фазу. В других вариантах воплощения текучие среды формации могут удаляться в жидкую и паровую фазы или в жидкую фазу. По меньшей мере, в части формации во время пиролиза можно контролировать температуру и давление для того, чтобы получить улучшенные продукты из формации. После воздействия тепла из формации можно добывать уголь.

Краткое описание чертежей

Преимущества настоящего изобретения могут стать очевидными специалистам в этой области техники с помощью следующего подробного описания предпочтительных вариантов воплощения, со ссылкой на сопровождающие чертежи.

На фиг.1 показана диаграмма, которая демонстрирует некоторые свойства ресурсов керогена.

На фиг.2 приведена иллюстрация стадий нагревания углеродной формации.

На фиг.3 показан вариант расположения источников тепла.

На фиг.4 показан вариант нагревающей скважины.

На фиг.5 показан вариант нагревающей скважины.

На фиг.6 показан вариант нагревающей скважины.

На фиг.7 схематически показана вертикальная проекция множества нагревателей, разветвляющихся из одной скважины в углеродной формации.

На фиг.8 показан вариант нагревающей скважины, расположенной в углеродной формации.

На фиг.9 показан вариант расположения нагревающих скважин в углеродной формации.

На фиг.10 показан вариант расположения источников тепла и эксплуатационных скважин в углеродной формации.

На фиг.11 представлен вид сверху варианта областей обработки, сформированных по периметрам барьеров.

На фиг.12 дано в поперечном разрезе представление экспериментального испытания на месте в полевых условиях.

На фиг.13 показано расположение источников тепла и скважин в экспериментальном испытании в полевых условиях.

На фиг.14 показана зависимость температуры от времени в экспериментальном испытании в полевых условиях.

На фиг.15 показана зависимость температуры от времени в экспериментальном испытании в полевых условиях.

На фиг.16 показана зависимость объема добытой нефти от времени в экспериментальном испытании в полевых условиях.

На фиг.17 показана зависимость объема газа, добытого из углеродной формации, от времени в экспериментальном испытании в полевых условиях.

На фиг.18 показано распределение числа атомов углерода в текучих средах, добытых в экспериментальном испытании в полевых условиях.

На фиг.19 показаны весовые доли (в %) различных текучих сред, добытых в углеродной формации при различных скоростях нагревания в лабораторных экспериментах.

Хотя это изобретение допускает различные модификации и альтернативные формы, конкретные варианты его воплощения показаны с помощью примеров в чертежах и могут быть подробно описаны в них. Эти чертежи не могут быть сведены к определенному масштабу. Однако следует понимать, что чертежи и, кроме того, подробное описание не предназначаются для ограничения изобретения раскрытыми конкретными формами; напротив, изобретение охватывает все модификации, эквиваленты и альтернативы, являющиеся частью замысла и объема настоящего изобретения, которое определено в прилагаемой формуле изобретения.

Подробное описание изобретения

Следующее ниже описание главным образом относится к системам и способам обработки углеродной формации. Такие формации могут быть обработаны таким образом, чтобы получить относительно высококачественные углеводородные продукты, водород, высокосортный уголь и другие продукты. При воздействии тепла на углеродную формацию часть углеродной формации может превращаться и/или облагораживаться, тем самым ускоряется процесс, который в естественных условиях протекает в течение геологического периода времени.

"Углеводороды" представляют собой молекулы, которые образуются главным образом из атомов углерода и водорода. "Смеси, содержащие углеводороды", могут включать в себя углеводороды, а также другие элементы, такие как (но не ограниченные указанными) галогены, металлические элементы, азот, кислород и/или сера. Углеводородсодержащие формации могут включать кероген, битум, пиробитум, нефть, природные минеральные воски и асфальтены. Смеси, содержащие углеводороды, могут быть расположены внутри или рядом с минеральными материнскими породами под землей. Материнская порода может включать (но не ограничиваться) осадочные горные породы, пески, силицилиты, карбонаты, диатомиты и другие пористые среды. "Углеводородсодержащие текучие среды" представляют собой текучие среды, которые содержат углеводороды. Углеводородсодержащие текучие среды могут включать в себя, вовлекать или вовлекаться в неуглеводородные текучие среды (например, водород Н₂, азот N₂, монооксид углерода, диоксид углерода, сероводород, вода и аммиак).

"Формация" включает в себя один или несколько углеводородсодержащих слоев, один или несколько неуглеводородных слоев, перекрытых и/или подстилающих. "Перекрытые" и/или "подстилающие" слои включают в себя один или несколько различных типов непроницаемых материалов. Например, перекрытые и/или подстилающие слои могут включать в себя горные породы, глинистый сланец, аргиллит или влагонепроницаемый карбонат (то есть непроницаемый карбонат без углеводородов). В некоторых вариантах воплощения способов конверсии на месте перекрытые и/или подстилающие слои могут включать в себя углеводородсодержащие слои или углеводородсодержащие слои, которые относительно непроницаемы и не подвергаются воздействию температуры во время переработки путем конверсии на месте, что приводит к существенным изменениям характеристик углеводородсодержащих перекрытых и/или подстилающих слоев. Например, подстилающий слой может содержать уголь. В некоторых случаях перекрытые и/или подстилающие слои могут обладать определенной проницаемостью.

"Кероген" представляет собой твердый нерастворимый углеводород, который может превращаться путем естественного разложения (например, путем диагенеза) и который в основном содержит углерод, водород, азот, кислород и серу. Примером керогена является уголь. "Нефть" представляет собой текучую среду, содержащую смесь конденсирующихся углеводородов.

Термины "текучие среды формации" и "полученные текучие среды" относятся к текучим средам, удаленным из углесодержащей формации, и могут включать текучие среды пиролиза, синтез-газ, подвижные углеводороды и воду (пар). Текучие среды формации могут содержать углеводородные текучие среды, а также неуглеводородные текучие среды.

"Число атомов углерода" относится к числу атомов углерода в молекуле. Углеводородная текучая среда может включать в себя различные углеводороды, имеющие различное число атомов углерода. Углеводородная текучая среда может быть описана с помощью распределения числа атомов углерода. Число атомов углерода и/или распределение числа атомов углерода могут быть определены с помощью распределения истинных температур кипения и/или методом газожидкостной хроматографии.

"Источник тепла" представляет собой любую систему, обеспечивающую тепло, по меньшей мере, для части формации практически за счет излучения и/или кондуктивной теплопроводности. Например, источник тепла может включать в себя электрические нагреватели, такие как изолированный проводник, удлиненный элемент и проводник, размещенные в изоляционной трубке. Кроме того, источник тепла может включать в себя источники тепла, в которых тепло выделяется за счет сжигания топлива вне или внутри формации, такие как поверхностные горелки, газовые горелки, расположенные в скважине, распределенные беспламенные области сгорания и естественно распределенные области сгорания. Кроме того, предполагается, что в некоторых вариантах воплощения тепло, подводимое или выделяющееся одним или несколькими источниками тепла, может поступать из других источников энергии.

Другие источники энергии могут непосредственно нагревать формацию или энергия может быть передана транспортным средам, которые непосредственно или косвенно нагревают формацию. Следует понимать, что в одном или более источниках тепла, которые подают тепло в формацию, могут использоваться различные источники энергии. Например, для данной формации некоторые источники тепла могут подводить тепло от нагревателей электросопротивления, некоторые источники тепла могут подводить тепло за счет сгорания и некоторые источники тепла могут подводить тепло от одного или нескольких источников энергии (например, за счет химических реакций, солнечной энергии, энергии ветра, энергии биомассы или других возобновляемых источников энергии). Химическая реакция может включать экзотермические реакции (например, реакция окисления). Тепловой источник может включать нагреватель, который подводит тепло в соседнюю зону или окружающую область нагрева, такую как нагревающую скважину.

"Нагреватель" представляет собой любую систему для выделения тепла в скважину или вблизи ствола скважины. Нагреватели могут представлять собой (но не ограничиваться) электронагреватели, горелки, области сгорания, которые взаимодействуют с материалом внутри формации или образуются в ней (например, естественно распределенные области сгорания), и/или их сочетания. Термин "модуль источников тепла" относится к ряду источников тепла, которые образуют фрагмент, который повторяется, создавая систему источников тепла внутри формации.

Термин "ствол скважины" относится к полости в формации, выполненной путем бурения или вставки трубопроводов в формацию. Ствол скважины может иметь практически круглое поперечное сечение или другую форму сечения (например, круга, овала, прямоугольника, треугольника, щели или другой постоянной или непостоянной формы). Используемый здесь термин "скважина" и "выработка", когда они относятся к вскрытию формации, могут использоваться попеременно с термином ствол скважины.

Термин "естественно распределенные области сгорания" относится к нагревателю, в котором используется окислитель для окисления, по меньшей мере, части углерода в формации, для того чтобы выделилось тепло, и в котором окисление протекает в непосредственной близости к стволу скважины. Большая часть продуктов сгорания, образовавшихся в естественно распределенной области сгорания, удаляется через ствол скважины.

Термин "изолированный проводник" относится к любому удлиненному материалу, который способен проводить электричество и который покрыт, полностью или частично, электроизолирующим материалом. Термин "саморегулирование" относится к регулированию излучаемой мощности нагревателя без какого-либо внешнего контроля.

"Пиролиз" представляет собой разрыв химических связей под действием тепла. Например, пиролиз может включать превращение соединения в одно или несколько других веществ только под действием тепла. Для того чтобы вызвать протекание пиролиза, в часть формации может быть подведено тепло.

Термины "текучие среды пиролиза" или "продукты пиролиза" относятся к текучим средам, полученным главным образом во время пиролиза углеводородов. Текучие среды, полученные в процессе пиролиза, могут смешиваться с другими текучими средами в формации. Эти смеси можно рассматривать как текучие среды пиролиза или продукты пиролиза. Используемый здесь термин "зона пиролиза" относится к объему формации, в котором протекает взаимодействие с образованием текучей среды пиролиза.

"Теплопроводность" представляет собой свойство материала, которое описывает скорость, с который тепло передается между двумя поверхностями материала в стационарном состоянии при заданной разности температур между двумя поверхностями.

"Конденсирующиеся углеводороды" представляют собой углеводороды, которые конденсируются при температуре 25°С и абсолютном давлении 1 атм. Конденсирующиеся углеводороды могут включать смесь углеводородов, имеющих число атомов углерода больше, чем 4. "Неконденсирующиеся углеводороды" представляют собой углеводороды, которые не конденсируются при температуре 25°С и абсолютном давлении 1 атм. Неконденсирующиеся углеводороды могут включать углеводороды, имеющие число атомов углерода меньше, чем 5.

"Синтез-газ" представляет собой смесь, содержащую водород и монооксид углерода, используемую для синтеза целого ряда соединений. Дополнительные компоненты синтез-газа могут включать воду, диоксид углерода, азот, метан и другие газы. Синтез-газ может быть произведен с использованием различных процессов, из различного сырья.

Термин "опускающаяся" относится к формации, которая наклонена вниз или отклоняется от плоскости, параллельной земной поверхности, в предположении, что эта поверхность является плоской (т.е. "горизонтальная" плоскость). "Наклон" представляет собой угол, который пласт или аналогичная структура образует с горизонтальной плоскостью. "Крутопадающая" углеродная формация относится к формации, содержащей уголь и лежащей под углом, по меньшей мере, 20 градусов от горизонтальной плоскости. "Наклон вниз" относится к направлению вниз, параллельно наклону формации. "Наклон вверх" относится к направлению вверх, параллельно наклону формации. Термин "простирание пласта" относится к направлению или простиранию углеводородного материала, которое перпендикулярно к направлению наклона.

"Оседание" представляет собой движение вниз части формации относительно начальной высотной отметки поверхности.

Термин "толщина слоя" относится к толщине поперечного сечения слоя, в котором поперечное сечение перпендикулярно к плоскости слоя.

Термин "облагораживание" относится к улучшению качества углеводородов. Например, облагораживание угля может привести к улучшению категории угля.

Углеродные формации могут включать кероген. Кероген состоит из органического вещества, которое превращается в процессе созревания. Процесс созревания может включать две стадии: биохимическую стадию и геохимическую стадию. Обычно биохимическая стадия включает в себя разложение органического материала с помощью аэробных и/или анаэробных организмов. Геохимическая стадия обычно включает в себя превращение органического материала вследствие изменений температуры, а также значительного давления. В ходе созревания могут образоваться нефть и газ, когда превращается органический материал керогена.

Как показано на фиг.1, диаграмма Ван Кревелена иллюстрирует последовательность процесса созревания керогена, который обычно протекает в течение геологического периода при воздействии температуры и давления. Кроме того, на диаграмме Ван Кревелена классифицированы различные природные отложения керогена. Например, кероген можно классифицировать на четыре различные группы: тип I, тип II, тип III и тип IV, которым соответствуют четыре области на диаграмме Ван Кревелена. Классификация типа керогена может зависеть от материалов, предшествующих керогену. Материалы предшественника керогена со временем превращаются в мацералы.

"Мацералы" представляют собой микроскопические структуры в керогене. Структура и свойства мацералов зависят от типа материалов предшественника, из которых они получены.

Кероген типа I может классифицироваться как альгинит, так как кероген типа I образуется в основном из массы водорослей. Кероген типа I образуется из отложений, полученных в озерной окружающей среде. Кероген типа II образуется из органического вещества, которое является отложением в морской окружающей среде. Кероген типа III обычно включает витринитные мацералы. Витринит образуется из клеточных стенок и/или древесных тканей (например, стволов, ветвей, листьев и корней растений). Кероген типа III может присутствовать в большинстве гуминовых углей. Кероген типа III образуется из органического материала, который осаждается в болотах. Кероген типа IV включает мацеральную группу инертинита. Мацеральная группа инертинита состоит из растительных материалов, таких как листья, кора и стволы, которые подверглись окислению на ранних стадиях образования торфа при диагенезе захоронений. Химически он подобен витриниту, но имеет высокое содержание углерода и низкое содержание водорода.

На диаграмме Ван Кревелена, показанной на фиг.1, по оси ординат приведено атомарное отношение водорода к углероду (Н/С) в зависимости от атомарного отношения кислорода к углероду (О/С) для различных типов керогена. Диаграмма Ван Кревелена иллюстрирует последовательность процесса созревания для различных типов керогена, который обычно протекает в течение геологического периода при воздействии температуры, давления и биохимического разложения. Эта последовательность созревания может быть ускорена путем нагревания на месте (в пласте) с регулируемой скоростью и/или при регулируемом давлении.

Если формация, содержащая кероген в области 30 или в области 32, выбрана для конверсии на месте, то термическая обработка на месте может ускорить созревание керогена по маршрутам, которые представлены стрелками на фиг.1. Например, кероген в области 30 может превратиться в кероген области 32 и затем, возможно, в кероген области 34. Кероген в области 32 может превратиться в кероген области 34. Конверсия на месте может способствовать созреванию керогена и обеспечить получение ценных продуктов из керогена. Область 36 на фиг.1 может соответствовать области графита.

Когда кероген подвергается созреванию, его состав обычно изменяется из-за удаления летучих веществ (например, диоксида углерода, метана и масла) из керогена. Ранговая категория керогена указывает уровень созревания керогена. Например, когда кероген подвергается созреванию, категория керогена повышается. С повышением категории керогена содержание летучих веществ в нем, а также в полученных продуктах уменьшается. Кроме того, содержание влаги в керогене обычно снижается с повышением категории керогена. Для более высоких категорий керогена содержание влаги может достигать относительно постоянного значения. Для более высоких категорий керогена, который подвергся существенному созреванию, таких как полуантрацит и антрацитный уголь, наблюдается тенденция к повышенному содержанию углерода и пониженному содержанию летучих веществ, по сравнению с керогенами более низких категорий, таких как лигнит. В некоторых вариантах воплощения содержание углерода в полученном угле может быть выше, чем приблизительно 87 вес.% и/или содержание летучих веществ может быть меньше, чем приблизительно 5 вес.%.

Этапы категорий углеродной формации включают в себя следующие классификации, которые перечислены в порядке повышения категории и зрелости для керогена типа III: древесина, торф, лигнит, слабобитуминозный уголь, высоколетучий битуминозный уголь, среднелетучий битуминозный уголь, слаболетучий битуминозный уголь, полуантрацит и антрацит. По мере повышения категории, существует тенденция к увеличению ароматического характера керогена.

Для конверсии на месте углеродные формации могут быть выбраны на основе свойств, по меньшей мере, части формации. Например, формация может быть выбрана на основе ее потенциала, толщины и/или глубины (то есть толщины перекрытия) формации. Кроме того, фактором выбора формации для конверсии на месте может быть тип текучих сред, получаемых из формации. В некоторых вариантах воплощения качество текучих сред, добываемых из формаций, может быть оценено до их обработки. Оценка продуктов, которые могут быть получены из формации, может привести к существенному сокращению затрат, поскольку необходимо подвергать конверсии на месте только те формации, которые будут давать желаемые продукты. Свойства, которые можно использовать для оценки углеводородов в формации, включают (но не ограничиваются) следующие: количество углеводородной жидкости, которое можно будет получить из углеводородов, вероятно, удельный вес полученной углеводородной жидкости (в градусах Американского института нефти), степень отражения витринита, количество углеводородного газа, которое можно будет получить из формации, и/или количество диоксида углерода и воды, которое можно будет получить при конверсии на месте.

Например, степень отражения витринита часто коррелирует с атомарным отношением водорода к углероду (Н/С) в керогене и атомарным отношением кислорода к углероду (О/С) в керогене, как показано пунктирными линиями на фиг.1. Диаграмма Ван Кревелена может быть полезной при выборе ресурса для процесса конверсии на месте. Степень отражения витринита для керогена в углеродной формации может указать, какие текучие среды будут получаться из формации при нагревании. Например, степень отражения витринита приблизительно от 0,5% до 1,5% может указать, что из керогена будет получаться большое количество конденсирующихся текучих сред. Кроме того, степень отражения витринита приблизительно от 1,5% до 3% может указывать, что кероген находится в области 34. В случае нагревания углеродной формации, содержащей такой кероген, значительное количество (например, основная часть) текучей среды, полученной при таком нагревании, может включать в себя метан и водород. Эта формация может быть использована для получения синтез-газа, если ее температура повышается достаточно высоко и в формацию вводится текучая среда, образующая синтез-газ.

Углеродные формации могут иметь разнообразную геометрию и форму. Традиционные технологии экстракции не могут быть применимы для всех формаций. В некоторых формациях материал с высоким содержанием углеводородов может быть расположен в слоях, которые являются слишком тонкими для экономичной экстракции с использованием традиционных способов. Богатые углеродные формации обычно находятся в слоях, имеющих толщину приблизительно между 0,2 и 8 м. Эти богатые углеродные формации могут включать, но не ограничиваются, сапропелитовые угли (битуминозный каменный уголь, кеннельский уголь и/или торбаниты). Эти углеводородные слои при пиролизе могут давать приблизительно от 205 л до 1670 л нефти на одну метрическую тонну.

В процессе конверсии на месте углеводородсодержащий материал может изменяться в области обработки формации. При воздействии тепла углеводородный материал, такой как уголь, может быть превращен и/или облагорожен в результате ускорения процесса, который в естественных условиях будет протекать в течение геологического периода времени. Различные свойства угля в зоне обработки, которые могут изменяться, включают, но не ограничиваются, следующие: теплотворную способность, степень отражения витринита, содержание влаги, содержание (в %) летучих веществ, проницаемость, пористость, концентрацию различных компонентов в угле, таких как сера и/или содержание углерода.

При нагревании углеродной формации уголь может подвергаться нескольким стадиям нагрева, как показано на фиг.2. В качестве примера на фиг.2 представлена зависимость выхода (ВОЕ - баррель нефтяного эквивалента на 1 т) (по оси ординат) текучей среды из углеродной формации от температуры формации (по оси абсцисс).

Десорбция метана и испарение воды происходят в ходе нагрева в области 38. Нагревание формации в области 38 может быть осуществлено по возможности быстро. Например, при первоначальном нагреве формации углеводороды в формации могут десорбировать поглощенный метан. Десорбированный метан можно добывать из формации. В случае дальнейшего нагрева углеродной формации вода может испариться из углеродной формации. В некоторых углеродных формациях вода может занимать приблизительно между 10 и 50% объема пор в формации. В других формациях вода может занимать большую или меньшую часть объема пор. Обычно вода испаряется в формации приблизительно при температуре между 160 и 285°С при абсолютном давлении приблизительно от 6 до 70 бар (0,6-7 МПа). В некоторых вариантах воплощения испарившаяся вода может вызвать изменения смачиваемости формации и/или увеличение давления в формации. Изменения смачиваемости и/или увеличение давления могут влиять на процесс пиролиза или на другие процессы в формации. В определенных вариантах воплощения испарившаяся вода может быть удалена из формации. В других вариантах воплощения испарившаяся вода может быть использована для регулирования отбора пара и/или дистилляции в формации или вне формации. Удаление воды из формации и увеличение объема пор в формации могут увеличить пространство для хранения углеводородов внутри объема пор.

После нагрева в области 38 формация может быть нагрета выше, для того чтобы температура внутри формации достигла (по меньшей мере) начальной температуры пиролиза (например, температуры на нижнем краю температурного интервала, показанного как область 40). Углеводороды внутри формации можно подвергать пиролизу в области 40. Температурный интервал пиролиза может изменяться в зависимости от типа углеводородов внутри формации. Температурный интервал пиролиза может включать в себя температуры приблизительно между 250 и 900°С. Для получения желаемых продуктов температурный интервал пиролиза может простираться только в части общего интервала температур пиролиза. В некоторых вариантах воплощения температурный интервал пиролиза для получения желаемых продуктов может включать в себя температуры приблизительно между 250 и 400°С. Если температура углеводородов в формации медленно повышается в температурном интервале приблизительно от 250 до 400°С, образование продуктов пиролиза может быть практически завершено, когда температура достигнет 400°С. Нагревание формации, содержащей углеводороды, с помощью множества тепловых источников может привести к установлению температурных градиентов вокруг тепловых источников и к медленному повышению температуры углеводородов в формации в температурном интервале пиролиза.

В некоторых вариантах воплощения процесса конверсии на месте температура углеводородов, которые будут подвергаться пиролизу, не может медленно повышаться в температурном интервале приблизительно от 250 до 400°С. Углеводороды в формации могут быть нагреты до желаемой температуры (например, приблизительно 325°С). В качестве желаемой температуры могут быть выбраны другие температуры. Суперпозиция тепла от тепловых источников может обеспечить относительно быстрое и эффективное достижение желаемой температуры в формации. Для того чтобы поддерживать температуру в формации практически на желаемом уровне, можно регулировать подачу энергии в формацию от тепловых источников. Температура углеводородов может поддерживаться практически на желаемом уровне до затухания пиролиза, когда производство желаемых текучих сред из формации станет неэкономичным.

Текучие среды, включающие в себя текучие среды пиролиза, могут добываться из формации. Текучие среды пиролиза могут включать в себя, но не ограничиваются, следующие: углеводороды, водород, диоксид углерода, монооксид углерода, сероводород, азот, аммиак, воду и их смеси.

При повышении температуры формации количество конденсирующихся углеводородов в текучих средах, образовавшихся в формации, имеет тенденцию снижаться. При высоких температурах формация может продуцировать главным образом метан и/или водород. Если углеродная формация нагревается во всем интервале температур пиролиза, то формация может продуцировать только небольшое количество водорода вблизи верхнего интервала температур пиролиза. После извлечения всего доступного водорода обычно формация дает минимальное количество текучей среды.

После пиролиза углеводородов в формации еще могут присутствовать значительное количество углерода и немного водорода. В некоторых вариантах воплощения углеродная формация может разрабатываться после завершения генерации синтез-газа в ходе нагрева области 42. Обработка углеродной формации может привести к созреванию оставшегося угля в формации в направлении антрацитного угля. В некоторых вариантах воплощения извлеченный из формации материал может быть использован в области металлургии, например, в качестве топлива для достижения высокой температуры при производстве стали. В результате пиролиза углеродной формации может повыситься категория угля. После пиролиза уголь преобразуется и приобретает характеристики антрацита. Отработанная углеродная формация может иметь толщину 30 м или больше. Для сравнения, типичная толщина пластов, которые обычно разрабатываются для металлургических целей, составляет приблизительно 1 м или меньше.

Например, уголь внутри области обработки может считаться битумным углем до обработки. Под действием тепла возможно преобразование угля с получением антрацитного угля. Антрацитный уголь имеет пониженное содержание влаги, повышенную теплотворную способность и более высокое содержание углерода. В некоторых вариантах воплощения антрацитный уголь может быть использован в металлургическом производстве. Обычно антрацитный уголь находится в тонких угольных пластах, толщиной в несколько метров. В результате процесса конверсии на месте можно получить пласт антрацита из толстого слоя битуминозного угля, который толще пласта, образующегося в естественных условиях.

Преобразованный в процессе конверсии на месте уголь может иметь высокую проницаемость и пористость. По меньшей мере, часть угля, нагретого с использованием процесса конверсии на месте, в некоторых вариантах воплощения может иметь несколько разломов. В некоторых случаях, по меньшей мере, часть угля может быть рыхлой или находится в виде порошка. В некоторых вариантах воплощения уголь, обработанный в процессе конверсии на месте, может быть легко извлечен из формации с использованием подземной автоматизированной системы или робототехники, причем уголь добывается в виде порошка или суспензии. Например, для удаления, по меньшей мере, части угля в виде суспензии можно использовать гидромонитор. В некоторых вариантах воплощения перекрытие может быть удалено с помощью землеройных и транспортировочных машин по истечении достаточного времени для того, чтобы обработанная формация могла остыть до температуры, при которой возможна безопасная работа. В некоторых вариантах воплощения могут быть проложены туннели для угля, который обработан с использованием процесса конверсии на месте. Для проходки и удаления угля можно использовать традиционное горное оборудование.

Уголь, добытый в виде порошка или в виде суспензии, может быть использован в различных процессах, которые включают (но не ограничиваются) непосредственное сжигание угля на поверхности для использования в качестве источника энергии и/или суспендирование и транспортирование угля для продажи в качестве энергетического топлива. Например, первая текучая среда может быть подана в часть формации, которая была обработана с использованием процесса конверсии на месте. Первая текучая среда может содержать воду. Первая текучая среда может разбивать и/или измельчать уголь в формации на относительно небольшие куски. Эти относительно небольшие куски можно объединить с первой текучей средой с образованием суспензии, которая может быть удалена или добыта из формации. Эта суспензия может быть обработана в установке на поверхности, для того чтобы отделить первую текучую среду от относительно небольших кусков угля. Куски угля могут быть обработаны в установке на поверхности, в процессах очистки или экстракции.

Такой уголь можно использовать в качестве фильтра из активированного угля, для того чтобы удалить компоненты из различных водных и/или воздушных потоков в технологическом модуле процесса конверсии на месте и/или вне модуля. Альтернативно, уголь может быть использован в качестве адсорбента (который может дополнительно улучшать топливные характеристики угля), с последующим сжиганием угля для производства энергии, в качестве промежуточного соединения в производстве красителей (например, антрахинон), в качестве топлива и/или в металлургических процессах. Обработка угля в процессе конверсии на месте может преобразовать уголь таким образом, что возрастает экономическая ценность угля и/или снижаются затраты, связанные с добычей угля.

В процессе пиролиза суммарное энергосодержание в текучих средах, добытых из углеродной формации, может оставаться практически постоянным. В ходе пиролиза при относительно низких температурах формации значительная часть полученной текучей среды может представлять собой конденсирующиеся углеводороды, которые имеют высокое энергосодержание. Однако при повышенной температуре пиролиза меньшая часть текучей среды формации может включать конденсирующиеся углеводороды. Из формации можно получить больше не конденсирующихся текучих сред. Энергосодержание на единицу объема произведенной текучей среды может немного снизиться в ходе образования преимущественно не конденсирующихся текучих сред формации.

Нагревание углеродной формации может включать подвод значительного количества энергии к источникам тепла, расположенным внутри формации. Углеродная формация также может содержать некоторое количество воды. Значительная часть энергии, которая первоначально подведена в формацию, может быть использована для нагревания воды внутри формации. Начальная скорость подъема температуры может снижаться вследствие наличия воды в формации. Может потребоваться избыточное количество тепла и/или времени для нагрева формации, имеющей высокое содержание влаги, до температуры, достаточной для пиролиза углеводородов в формации. В некоторых вариантах воплощения можно предотвратить поступление воды в формацию, которая будет подвергаться конверсии на месте. Формация, которая будет подвергаться конверсии на месте, может иметь низкое начальное содержание влаги. Начальное содержание влаги в формации может быть меньше, чем приблизительно 15 вес.%. Некоторые формации, которые будут подвергаться конверсии на месте, могут иметь начальное содержание влаги меньше, чем приблизительно 10 вес.%. Другие формации, которые будут подвергаться конверсии на месте, могут иметь начальное содержание влаги больше, чем приблизительно 15 вес.%. Для формаций с начальным содержанием влаги больше, чем приблизительно 15 вес.% в ходе нагрева до температуры пиролиза могут потребоваться значительные затраты энергии на удаление воды, которая изначально находилась в формации.

Углеродная формация может включать в себя множество слоев. Такие слои могут содержать слои, содержащие углеводороды, а также слои, не содержащие углеводороды или имеющие относительно малое количество углеводородов. Условия внутри формации могут определять толщину углеводородных и неуглеводородных слоев в углеродной формации. Углеродная формация, которая будет подвергаться конверсии на месте, обычно может включать в себя, по меньшей мере, один слой, содержащий углеводороды и имеющий толщину, которая достаточна для экономичного производства текучих сред в формации. Потенциал слоя, содержащего углеводороды, может служить фактором для оценки возможности обработки формации способом конверсии на месте. Тонкий и богатый углеводородный слой может обеспечить получение значительно более ценных углеводородов, чем гораздо более толстый, но менее богатый углеводородный слой. Для добычи углеводородов желательна формация, которая является толстой, а также богатой.

На фиг.3 показана принципиальная схема варианта воплощения части системы конверсии на месте для переработки углеродной формации. Источники 44 тепла могут быть расположены внутри, по меньшей мере, части углеродной формации. Источники 44 тепла могут включать, например, электронагреватели, такие как изолированные проводники, нагреватели-проводники в изоляционной трубке, поверхностные горелки, беспламенные распределенные области сгорания и/или естественно распределенные области сгорания. Кроме того, источники 44 тепла могут включать другие типы нагревателей. Источники 44 тепла могут обеспечивать теплом, по меньшей мере, часть углеродной формации. В некоторых вариантах воплощения тепло может доставляться в первую часть формации и передаваться во вторую часть формации (например, зону пиролиза). Энергия может подводиться к источникам 44 тепла по линиям 46 подачи.

Линии 46 подачи могут быть структурно различными, в зависимости от типа источников тепла, которые будут использованы для нагрева формации. Линии 46 подачи для источников 44 тепла могут подавать электричество для электронагревателей, могут транспортировать топливо в области сгорания или могут транспортировать теплообменную текучую среду, которая циркулирует внутри формации.

Эксплуатационные скважины 48 можно использовать для удаления текучей среды из формации. Текучие среды, полученные из эксплуатационной скважины 48, могут транспортироваться через трубный коллектор 50 в устройство 52 для обработки. Кроме того, текучие среды формации могут быть получены от источников 44 тепла. Например, текучие среды могут быть получены от источников тепла 44, для того чтобы регулировать давление внутри формации, рядом с источником тепла. Текучая среда, полученная от источников 44 тепла, может транспортироваться по трубопроводам или системе труб в трубный коллектор 50 или полученная текучая среда может транспортироваться по трубопроводам или системе труб непосредственно в устройство 52 для обработки. Устройство 52 для обработки может включать блоки разделения, реакционные блоки, блоки облагораживания, топливные элементы, турбины, резервуары-хранилища и другие системы и блоки для обработки полученных текучих сред формации.

Система конверсии на месте для переработки углеводородов может включать в себя барьерные скважины 54 (скважины, обозначенные позицией 54, в некоторых вариантах воплощения могут быть обезвоживающими скважинами, замороженными скважинами, захватывающими скважинами, изолирующими скважинами и/или другими типами барьеров). В некоторых вариантах воплощения барьерные скважины 54 могут быть вакуумными скважинами, через которые удаляется вода и/или предотвращается поступление жидкой воды в часть углеводородсодержащей формации, которая будет нагрета, или в нагреваемую формацию. Множество барьерных скважин 54 может окружать всю формацию или ее часть, которая будет нагреваться. В варианте воплощения, изображенном на фиг.3, показаны скважины, проходящие только вдоль одной стороны источников 44 тепла, но барьерные скважины 54 обычно окружают все используемые источники тепла или источники, которые будут использованы, для того чтобы нагреть формацию.

В некоторых вариантах воплощения барьерные скважины 54 могут быть обезвоживающими скважинами. В некоторых вариантах воплощения зона обработки может быть окружена двумя или более рядами обезвоживающих скважин. В одном воплощении перепад давления между последовательными рядами обезвоживающих скважин может быть минимизирован (например, поддерживается относительно низким или близким к нулю), чтобы создать между рядами границу с "малым или отсутствующим потоком".

В определенных вариантах воплощения скважины, которые сначала использовались с одной целью, в последующем могут быть использованы для одной или нескольких других целей, тем самым снижаются капитальные затраты и/или сокращается время, необходимое для осуществления определенных задач. Например, эксплуатационные скважины (и в некоторых случаях нагревающие скважины) сначала могут быть использованы как обезвоживающие скважины (например, до начала нагрева и/или при пуске начального нагрева). Кроме того, в некоторых случаях обезвоживающие скважины в последующем могут быть использованы в качестве эксплуатационных скважин (и в некоторых случаях как нагревающие скважины). По сути, обезвоживающие скважины могут быть размещены или спроектированы таким образом, чтобы такие скважины в последующем можно было использовать в качестве эксплуатационных скважин и/или нагревающих скважин. Нагревающие скважины могут быть размещены или спроектированы таким образом, чтобы такие скважины в последующем можно было использовать в качестве эксплуатационных скважин и/или обезвоживающих скважин. Эксплуатационные скважины могут быть размещены или спроектированы таким образом, чтобы такие скважины в последующем можно было использовать в качестве обезвоживающих скважин и/или нагревающих скважин. Аналогично, нагнетательные скважины могут представлять собой скважины, которые сначала использовались для других целей (например, для нагрева, эксплуатации, обезвоживания, контроля и т.д.), и в последующем нагнетательные скважины могут быть использованы для других целей. Аналогично, контрольные скважины могут представлять собой скважины, которые сначала использовались для других целей (например, для нагрева, эксплуатации, обезвоживания, нагнетания и т.д.), и в последующем контрольные скважины могут быть использованы для других целей.

В некоторых вариантах воплощения источники тепла могут быть расположены внутри нагревающей скважины, сформированной внутри углеродной формации. Нагревающая скважина может включать в себя отверстие сквозь перекрытие формации. Нагревающая скважина может простираться внутрь или сквозь, по меньшей мере, (одного) один углеводородный слой формации. В углеродной формации углеводородный слой обычно представляет собой слой угля. Показанный на фиг.4 вариант воплощения нагревающей скважины 56 может включать в себя отверстие в углеводородном слое 58, которое может иметь винтообразную или спиральную форму. Спиральная нагревающая скважина может увеличивать контакт с формацией, по сравнению с нагревателем, расположенным вертикально. Спиральная нагревающая скважина может обеспечивать пространство для расширения, которое предотвращает выпучивание или другие формы повреждений, когда нагревающая скважина нагревается или охлаждается. В некоторых вариантах воплощения нагревающая скважина может включать в себя практически прямые участки, проходящие сквозь перекрытие 60. Использование практически прямого участка нагревающей скважины, проходящего сквозь перекрытие 60, может сокращать потери тепла в перекрытии и снижать затраты на нагревающую скважину 56.

На фиг.5 показан вариант воплощения источника тепла, имеющего U-образную форму. "Рукава" этой формы могут быть шире или уже, в зависимости от конкретных характеристик нагревающей скважины и формации. В некоторых вариантах воплощения первая часть 62 и третья часть 64 нагревающей скважины 56 могут быть расположены практически перпендикулярно верхней части углеводородного слоя 58. Кроме того, первая часть и третья часть нагревающей скважины могут простираться практически вертикально через перекрытие 60. Вторая часть 66 нагревающей скважины 56 может проходить практически параллельно верхней поверхности углеводородного слоя.

В некоторых случаях множественные источники тепла (например, 2, 3, 4, 5, 10 источников тепла или больше) могут выходить из нагревающей скважины. Как показано на фиг.6, источники 44, 44' и 44'' тепла проходят через перекрытие 60 в углеводородный слой 58 из нагревающей скважины 56. Могут быть использованы множественные скважины, выходящие из одного ствола скважины, когда в связи с ситуацией на поверхности (например, из соображений эстетики, использования земли на поверхности и/или неблагоприятного состояния почвы вблизи поверхности) является желательной концентрация буровых платформ на небольшой площадке. Например, в районах с замерзшей или болотистой почвой, с точки зрения экономии затрат, может быть более эффективным иметь минимальное число буровых платформ, расположенных на отдельной площадке.

В некоторых вариантах воплощения первая часть нагревающей скважины может простираться от поверхности земли, через перекрытие, до углеродной формации. Вторая часть нагревающей скважины может включать одну или несколько нагревающих скважин в углеродной формации. Эти одна или несколько нагревающих скважин в углеродной формации могут быть расположены под различными углами. В некоторых вариантах воплощения, по меньшей мере, одна нагревающая скважина может быть расположена практически параллельно границе углеродной формации. В других вариантах воплощения, по меньшей мере, одна нагревающая скважина может быть расположена практически перпендикулярно углеродной формации. Кроме того, по меньшей мере, одна или несколько нагревающих скважин могут быть расположены под углом между перпендикулярным и параллельным к слою в формации.

На фиг.7 изображен общий вид из высотной отметки множественных источников тепла, разветвленных из единственного вскрытия. В некоторых вариантах воплощения источники 44 тепла могут быть использованы для генерирования тепла по длине нагревателя внутри вертикального вскрытия 68 и горизонтальных отверстий 70. В других вариантах воплощения источники 44 тепла могут быть использованы для генерирования тепла только внутри горизонтальных отверстий 70. В некоторых вариантах воплощения интенсивность тепла, генерируемого источниками 44 тепла, может изменяться по длине источника и/или изменяться между вертикальным вскрытием 68 и горизонтальными отверстиями 70. Например, источники 44 тепла могут генерировать меньше тепла в вертикальное вскрытие 68 и могут генерировать больше тепла в горизонтальные отверстия 70. Может быть выгодным иметь, по меньшей мере, один незначительный подогрев внутри вертикального вскрытия 68. Это может поддерживать текучие среды, добытые из формации, в паровой фазе в продуктопроводе 72 и/или может улучшать качество полученных текучих сред внутри эксплуатационной скважины. Благодаря тому, что продуктопровод 72 и источники 44 тепла смонтированы в формации через единственное вскрытие 68, могут быть снижены затраты, связанные с формированием вскрытий в формации и монтажом производственного оборудования и нагревателей внутри формации.

В углеводородном слое 58 может быть сформировано одно или несколько вертикальных вскрытий 68. Каждое из вертикальных вскрытий 68 может быть расположено вдоль единственной плоскости в углеводородном слое 58. Горизонтальные отверстия 70 могут простираться в плоскости практически перпендикулярно плоскости вертикальных вскрытий 68. В некоторых вариантах воплощения дополнительные горизонтальные отверстия могут находиться в плоскости, расположенной ниже изображенных горизонтальных отверстий. Число вертикальных вскрытий 68 и/или промежутков между вертикальными вскрытиями может определяться, например, желаемой скоростью нагрева или желаемым уровнем производительности. В некоторых вариантах воплощения промежутки между вертикальными вскрытиями могут составлять приблизительно от 4 м до 30 м. В соответствии с конкретными потребностями формации могут быть использованы более длинные или более короткие промежутки. Длина горизонтальных отверстий 70 может составлять приблизительно до 1600 м. Однако длина горизонтальных отверстий 70 может изменяться, например, в зависимости от максимальных затрат на монтажные работы, площади углеводородного слоя 58 или максимальной длины производящего нагрев нагревателя.

В варианте воплощения процесса конверсии на месте может быть обработана формация, имеющая один или несколько тонких углеводородных слоев. В некоторых вариантах воплощения процесса конверсии на месте такие формации могут быть обработаны с использованием источников тепла, которые расположены практически горизонтально внутри и/или рядом с тонким углеводородным слоем или тонкими углеводсродными слоями. Относительно тонкий углеводородный слой может быть расположен на значительной глубине ниже поверхности земли. Например, формация может иметь перекрытие глубиной вплоть до приблизительно 650 м. Затраты на бурение на значительную глубину большого числа практически вертикальных скважин внутри формации могут быть значительными. Может быть выгодным горизонтальное расположение нагревателей внутри этих формаций для того, чтобы нагреть большую часть формации по длине приблизительно до 1600 м. Использование горизонтальных нагревателей может уменьшить число вертикальных скважин, которые необходимы для того, чтобы разместить достаточное число нагревателей внутри формации.

Угол наклона углеводородного слоя 58 относительно верхней поверхности земли 74 может быть различным. Например, углеводородный слой 58 может быть наклонным или крутопадающим относительно верхней поверхности земли 74, как показано на фиг.8. В некоторых вариантах воплощения углеводородный слой может проходить почти горизонтально относительно верхней поверхности земли. При использовании имеющихся в настоящее время методов добычи экономически целесообразная разработка крутопадающих углеводородных слоев представляется невозможной.

Наклонный или относительно крутопадающий углеводородный слой может быть вовлечен в процесс конверсии на месте. Ряд эксплуатационных скважин 48 может быть размещен вблизи наивысшей части наклонного углеводородного слоя углеродной формации. Ряд нагревающих скважин 56 может быть размещен в углеводородном слое 58. Ряд нагревающих скважин 56 может быть использован для нагрева области 76 обработки. Первоначально может быть обработана верхняя часть углеводородного слоя 58. Тепловая энергия, поступающая из нагревающей скважины 56, может вызвать пиролиз угля с образованием углеводородных паров, которые выводятся из продуктивных эксплуатационных скважин 48. Когда добыча из верхней части формации снижается, более глубокие части формации могут нагреваться до температуры пиролиза. Полученные пары углеводородов могут проходить сквозь ранее подвергнутый пиролизу уголь. Высокая проницаемость, обусловленная пиролизом, и добыча текучей среды из верхней части формации могут обеспечивать транспортирование паровой фазы при минимальной потере напора. Транспортирование паровой фазы текучей среды, полученной в формации, может исключить необходимость в глубоких эксплуатационных скважинах, в дополнение к эксплуатационным скважинам. Может быть уменьшено число продуктивных скважин, необходимых для разработки формации. Уменьшение числа продуктивных скважин, необходимых для добычи, может повысить экономическую эффективность процесса конверсии на месте.

Ствол скважины может быть получен путем направленного бурения, структурно направленного бурения, бурения с управляемым двигателем и измерителем ускорения, по ударной технологии и/или по технологии ультразвукового бурения. Способ, используемый для получения ствола скважины, может определяться с учетом ряда факторов. Эти факторы могут включать, но не ограничиваться, доступность месторождения, глубину ствола скважины, свойства перекрытия и свойства углеводородсодержащего слоя или слоев.

Вариант воплощения множества нагревающих скважин 56, сформированных в углеводородном слое 58, показан на фиг.9. Углеводородный слой 58 может быть крутопадающим слоем. В формации могут быть расположены одна или несколько нагревающих скважин 56 таким образом, чтобы две (или более) нагревающие скважины были практически параллельны друг другу и/или таким образом, чтобы, по меньшей мере, одна нагревающая скважина была практически параллельна границе углеводородного слоя 58 с неуглеводородным слоем. Например, одна или несколько нагревающих скважин 56 могут быть сформированы в углеводородном слое 58 магнитонаправленным методом. Пример магнитонаправленного метода описан в патенте США №5676212 (Kuckes). Магнитонаправленное бурение может включать бурение нагревающей скважины 56 параллельно соседней нагревающей скважине. Эта соседняя скважина может быть пробурена предварительно. Кроме того, магнитонаправленное бурение может включать бурение, направленное сенсорами и/или с определением магнитного поля, созданного в соседней нагревающей скважине. Например, магнитное поле может быть создано в соседней нагревающей скважине за счет прохождения тока в изолированной электропроводной линии, расположенной в соседней нагревающей скважине.

В варианте воплощения процесса конверсии на месте степень нагрева может регулироваться таким образом, чтобы минимизировать затраты, связанные с нагреванием выбранного разреза. Эти затраты могут включать в себя, например, затраты на подводимую энергию и затраты на оборудование. В некоторых вариантах воплощения затраты, связанные с нагреванием выбранного разреза, могут быть минимизированы путем снижения степени нагрева, когда затраты, связанные с нагреванием, являются относительно высокими, и путем увеличения степени нагрева, когда затраты, связанные с нагреванием, являются относительно низкими. Например, может быть использована степень нагрева приблизительно 330 Вт/м, когда соответствующие затраты являются относительно высокими, и может быть использована степень нагрева приблизительно 1640 Вт/м, когда соответствующие затраты являются относительно низкими. В некоторых вариантах воплощения степень нагрева может изменяться приблизительно между 300 и 800 Вт/м, когда соответствующие затраты являются относительно высокими, и приблизительно между 1000 и 1800 Вт/м, когда соответствующие затраты являются относительно низкими. Затраты, связанные с нагреванием, могут быть относительно высокими в период пикового использования энергии, как, например, в дневное время. Например, потребление энергии в жаркий сезон может быть высоким в дневное время в связи с расходом энергии на кондиционирование воздуха. Периодом низкого потребления энергии может быть, например, ночное время или конец недели, когда расход энергии снижается. В этом варианте воплощения степень нагрева может изменяться от более высокой степени нагрева в период низкого потребления энергии, как, например, в ночное время, до меньшей степени нагрева в период высокого использования энергии, как, например, в дневное время.

Как показано на фиг.3, кроме источников 44 тепла, внутри части углеродной формации обычно может располагаться одна или несколько эксплуатационных скважин 48. Текучие среды формации можно добывать через эксплуатационную скважину 48. В некоторых вариантах воплощения эксплуатационная скважина 48 может включать в себя источник тепла. Этот источник тепла может нагревать часть формации в эксплуатационной скважине 48 или вблизи нее и обеспечивать удаление паровой фазы текучей среды. Потребность в перекачке при высокой температуре жидкостей из эксплуатационной скважины может быть снижена или исключена. Ограничение или исключение перекачки при высокой температуре жидкостей может существенно снизить эксплуатационные затраты. Обеспечение нагрева в эксплуатационной скважине или вблизи нее может: 1) предотвратить конденсацию и/или образование флегмы добытой текучей среды, когда такая среда перемещается в эксплуатационной скважине вблизи перекрытия, 2) увеличить подвод тепла в формацию и/или 3) увеличить проницаемость формации в эксплуатационной скважине или вблизи нее. В некоторых вариантах воплощения процесса конверсии на месте количество тепла, поданного в эксплуатационную скважину, значительно меньше количества тепла, подведенного к источникам тепла, которые нагревают формацию.

Варианты воплощения эксплуатационной скважины могут включать клапаны, которые изменяют, поддерживают и/или регулируют давление, по меньшей мере, в части формации. Эксплуатационные скважины могут представлять собой обсадную скважину. Эксплуатационные скважины могут иметь фильтры для продукта или перфорированные обсадные колонны вблизи производственной зоны. Кроме того, эксплуатационные скважины могут быть окружены песком, гравием или другими уплотняющими материалами, рядом с производственной зоной.

В ходе конверсии на месте эксплуатационные скважины могут эксплуатироваться таким образом, чтобы эксплуатационные скважины находились под меньшим давлением, чем другие части формации. В некоторых вариантах воплощения в эксплуатационных скважинах поддерживается вакуум. Поддержание пониженного давления в эксплуатационных скважинах может предотвратить миграцию текучих сред из формации наружу, из области обработки на месте.

На фиг.10 показана схема источников 44 тепла и эксплуатационных скважин 48, которая может быть использована для переработки углеродной формации. Источники 44 тепла могут быть расположены в блоке источников тепла, таком как треугольный фрагмент 82. Однако источники 44 тепла могут быть расположены различными фрагментами, которые включают, но не ограничиваются: квадраты, шестиугольники и другие многоугольники. Этот фрагмент может включать правильные многоугольники, которые обеспечивают равномерный нагрев формации, в которой расположены источники тепла. Кроме того, этот фрагмент может представлять собой линейный контур расположения. Обычно линейный контур расположения включает первое линейное расположение нагревающих скважин, второе линейное расположение нагревающих скважин и эксплуатационной скважины или линейное расположение эксплуатационных скважин между первым и вторым линейным расположением нагревающих скважин.

С помощью некоторых вариантов воплощения процесса конверсии на месте возможна экономичная переработка формаций, которая раньше считалась неэкономичной для производства. Извлечение углеводородов из формаций, считавшихся ранее неэкономичными для производства, стало возможным благодаря неожиданному увеличению термической проводимости и термодиффузии, которые могут быть использованы в ходе термической конверсии углеводородов внутри формации под действием индуктивного и/или излучательного нагрева части формации. Неожиданность результатов иллюстрируется тем фактом, что из уровня техники следует, что определенные углеродные формации, такие как уголь, обладают относительно низкими значениями термической проводимости и термодиффузии при нагревании. Например, в Государственном отчете №8364 J.M.Singer и R.P.Туе, озаглавленном как "Термические, механические и физические свойства избранных углей и коксов". Department of the Interior, Горное бюро США (1979), авторы приводят значения термической проводимости и термодиффузии для четырех битуминозных углей. В этот отчет включены зависимости термической проводимости и термодиффузии от температуры, из которых следует, что эти показатели имеют относительно низкие значения вплоть до 400°С (например, термическая проводимость составляет около 0,2 Вт/(м.К) или ниже, а термодиффузия - приблизительно 1,7·10^-3 см²/с). В этом Государственном отчете утверждается, что "угли и коксы являются отличными термическими изоляторами".

В некоторых вариантах воплощения процесса конверсии на месте углеводородсодержащие ресурсы (например, уголь) могут быть обработаны таким образом, что значения термической проводимости и термодиффузии являются значительно более высокими (например, термическая проводимость приблизительно 0,5 Вт/(м.К) и выше, а термодиффузия приблизительно 4,1·10^-3 см²/с), по сравнению со значениями, ожидаемыми из рассмотрения опубликованной литературы, такой как Государственный отчет №8364. Если углеродная формация вовлекается в процесс конверсии на месте, то уголь не ведет себя как "отличный термический изолятор". Напротив, тепло может и действительно передается и/или диффундирует в формацию со значительно более высокой (и лучшей) скоростью, чем скорость, ожидаемая в соответствии с опубликованной литературой, в результате чего существенно улучшается экономическая целесообразность термической обработки формации.

В варианте воплощения процесса конверсии на месте нагрев части углеродной формации на месте до температуры меньше, чем верхняя температура пиролиза может повысить проницаемость нагретой части формации. Проницаемость может увеличиться вследствие образования термических разломов внутри нагретой части. Термические разломы могут образоваться под действием теплового расширения формации и/или локального повышения давления из-за испарения жидких веществ (например, воды и/или углеводородов) в формации. По мере повышения температуры нагретой части формации вода в ней может испаряться. Испарившаяся вода может выходить и/или удаляться из формации. Удаление воды из формации также может увеличить проницаемость нагретой части формации. Кроме того, проницаемость нагретой части также может увеличиться за счет потери массы из формации, в результате образования текучих продуктов пиролиза в формации. Текучие продукты пиролиза могут быть удалены из формации с помощью эксплуатационных скважин.

Нагревание формации с помощью источников тепла, расположенных в формации, может обеспечить практически равномерную проницаемость нагретой части углеродной формации. Практически равномерная проницаемость может препятствовать образованию каналов текучей среды в формации и обеспечить получение продукции практически из всех частей нагретой формации. Определение величины (например, расчетом или оценкой) проницаемости любой выбранной части в формации, имеющей практически равномерную проницаемость, не может изменяться больше, чем в 10 раз в расчете на среднюю оценку проницаемости этой выбранной части.

Проницаемость выбранной части внутри нагретой части углеродной формации может быстро возрастать при нагревании этой выбранной части за счет проводимости. Проницаемость непроницаемой углеродной формации до обработки может быть меньше, чем приблизительно 0,1 милли Дарси (9,9·10^-17 м²). В некоторых вариантах воплощения за счет пиролиза, по меньшей мере, части углеродной формации проницаемость внутри этой выбранной части может увеличиваться приблизительно более чем до 10 милли Дарси, 100 милли Дарси, 1,0 Дарси, 10, 20 или 50 Дарси. Проницаемость этой выбранной части может увеличиваться приблизительно более чем в 100, 1000, 10000, 100000 раз или больше.

В некоторых вариантах воплощения процесса конверсии на месте наложение (например, перекрывание) потоков тепла от одного или нескольких источников тепла может привести практически к равномерному нагреву части углеродной формации. Поскольку обычно при нагреве формаций имеется градиент температур, который имеет максимальное значение вблизи источников тепла и снижается по мере увеличения расстояния от источников тепла, "практически равномерный" нагрев означает такой нагрев, когда температура в большинстве сечений не отличается больше, чем на 100°С от оценки среднего значения температуры в большинстве выбранных сечений (объема), которые обрабатываются.

Удаление углеводородов из формации в ходе процесса конверсии на месте может происходить в микроскопическом масштабе, а также в макроскопическом масштабе (например, через эксплуатационные скважины). Углеводороды могут быть удалены из микропор внутри части формации за счет нагрева. Микропоры в общем могут быть определены как поры, имеющие размер поперечного сечения приблизительно меньше, чем 1000 Ангстрем (100 нм). Удаление твердых углеводородов может привести практически к равномерному увеличению пористости выбранного сечения внутри нагретой части формации. Нагрев части углеродной формации может привести практически к равномерному увеличению пористости выбранного сечения внутри нагретой части. Термин "практически равномерная пористость" означает, что определение (например, расчетом или оценкой) пористости в любом выбранном сечении не отличается больше, чем на 25% от оценки средней пористости в такой выбранной части.

Физические характеристики части углеродной формации после пиролиза могут быть подобны характеристикам пористого слоя. Физические характеристики формации, подвергнутой процессу конверсии на месте, могут существенно отличаться от физических характеристик углеродной формации, подвергнутой нагнетанию газов, которые сжигают углеводороды, для того чтобы нагреть углеводороды, и/или формаций, подвергнутых добыче с закачкой водяного пара. Газы, нагнетаемые в неразработанные или трещиноватые формации, могут образовать каналы по всей формации. Эти газы могут быть неравномерно распределены по всей формации. Напротив, газ, нагнетаемый в часть углеродной формации, подвергнутой процессу конверсии на месте, может легко и практически равномерно контактировать с углеродом и/или углеводородами, оставшимися в формации. Газы, полученные путем нагрева углеводородов, могут перемещаться на значительное расстояние внутри нагретой части формации с минимальной потерей напора.

Транспортирование газов в формации на значительное расстояние может быть особенно выгодным для уменьшения числа эксплуатационных скважин, необходимых для добычи текучей среды из формации. Первая часть углеводородсодержащей формации может быть вовлечена в процесс конверсии на месте. Объем формации, вовлеченной в процесс конверсии на месте, может быть расширен путем нагрева прилегающих частей углеродной формации. Текучая среда формации, полученная в прилегающих частях формации, может быть добыта из эксплуатационных скважин в этой первой части. В случае необходимости, в прилегающих частях формации могут быть смонтированы несколько дополнительных эксплуатационных скважин, но такие эксплуатационные скважины могут иметь большие разделительные расстояния. Способность переносить текучие среды в формации на значительное расстояние может быть выгодной для обработки крутопадающей углеродной формации. Эксплуатационные скважины могут быть расположены в верхней части наклонной разработки. Источники тепла могут следовать наклону формации. Верхняя часть может быть подвергнута термической обработке путем активации части источников тепла в верхней части формации. Прилегающие части крутопадающей формации могут быть подвергнуты термической обработке, после обработки ее верхней части; это увеличивает проницаемость формации, так что текучие среды в нижних частях формации могут быть добыты из верхних частей.

В одном воплощении добычу углеводородов из формации предотвращают до тех пор, пока, по меньшей мере, часть углеводородов в формации не будет подвергнута пиролизу. Углеводороды могут добываться из формации в тот момент, когда смесь приобретает заданное качество (например, удельный вес в градусах API, концентрация водорода, содержание ароматических углеводородов и др.). В некоторых вариантах воплощения заданные показатели качества включают удельный вес в градусах API, по меньшей мере, при температурах приблизительно 20, 30 или 40°С. Предотвращение добычи до тех пор, пока, по меньшей мере, часть углеводородов не подвергнется пиролизу, может привести к увеличению конверсии тяжелых углеводородов в легкие углеводороды. Предотвращение начальной добычи может свести к минимуму добычу тяжелых углеводородов из формации. При добыче значительного количества тяжелых углеводородов требуется дорогое оборудование и/или снижается срок службы производственного оборудования.

Когда добычу углеводородов из формации предотвращают, давление стремится вырасти с повышением температуры в формации из-за термического расширения и/или фазовых превращений тяжелых углеводородов и других текучих сред (например, воды) в формации. Может быть необходимым поддерживать давление внутри формации ниже заданного уровня, чтобы предотвратить нежелательную добычу, растрескивание перекрытия или подстилающего слоя и/или коксование углеводородов в формации. Заданное давление может быть литостатическим или гидростатическим давлением формации. Например, заданное давление может соответствовать приблизительно 15 МПа или в некоторых воплощениях заданное давление может быть равным приблизительно 3,5 МПа. Давление в формации можно регулировать путем контроля степени добычи из эксплуатационных скважин в формации. В других вариантах воплощения давление в формации можно регулировать путем сброса давления через одну или несколько разгрузочных скважин в формации. Разгрузочные скважины могут представлять собой скважины с источниками тепла или самостоятельные скважины, введенные в формацию.

Текучая среда удаляется из формации через разгрузочные скважины и может быть направлена в устройство обработки, расположенное на поверхности. Добыча, по меньшей мере, части углеводородов из формации может предотвратить рост давления в формации выше заданной величины.

В процессе медленного нагрева можно получить конденсированные углеводородные жидкости, имеющие удельный вес в градусах API в интервале от 22 до 50° (от 0,9328 до 0,7796) и среднюю молекулярную массу приблизительно от 150 до 250 г/г·моль.

В некоторых вариантах воплощения миграция текучих сред формации в область обработки или из этой области может быть предотвращена за счет использования барьеров. Барьеры могут включать, но не ограничиваются, барьеры естественного происхождения (например, перекрытия и/или подстилающие слои), замороженные барьерные зоны, низкотемпературные барьерные зоны, цементированные стенки, сернистые скважины, обезвоживающие скважины, нагнетающие скважины, барьер, сформированный гелем, образовавшимся в формации, барьер, сформированный за счет осаждения солей в формации, и/или их сочетания. Барьеры могут ограничивать область обработки. Альтернативно, часть области обработки может быть снабжена барьерами.

На фиг.11 изображен вариант областей 76 обработки, ограниченных барьером 84 по периметру. Барьер 84 по периметру определяет ограниченный объем формации, который будет обработан в процессе конверсии на месте. Ограниченный объем формации известен как область 76 обработки. Определение ограниченного объема формации, т.е. области, которая будет обработана, может обеспечить облегченное регулирование технологических условий внутри ограниченного объема.

Барьер 84 по периметру может включать смонтированные части и части формации естественного происхождения. Части формации естественного происхождения, которые образуют часть барьера по периметру, могут включать практически непроницаемые слои формации. Примеры барьеров по периметру естественного происхождения включают перекрытия и подстилающие слои. Смонтированные части барьера 84 по периметру могут быть смонтированы в случае необходимости, для того чтобы определить отдельные области 76 обработки. В процессе конверсии на месте скважины 86 могут быть расположены внутри областей 76 обработки. Скважины 86 процесса конверсии на месте могут включать источники тепла, продуктивные скважины, обезвоживающие скважины области обработки, контрольные скважины и другие типы скважин, которые используются в ходе процесса конверсии на месте.

Различные области 76 обработки могут разделять разрезы общих барьеров для того, чтобы минимизировать длину барьера 84 по периметру, который необходимо сформировать. Барьер 84 по периметру может предотвратить миграцию текучей среды в область 76 обработки, которую вовлекают в процесс конверсии на месте. Целесообразно, когда барьер 84 по периметру может предотвратить миграцию воды из формации в область 76 обработки. Вода формации обычно включает в себя воду и растворенный в воде материал (например, соли). Если допустить миграцию воды из формации в область 76 обработки в ходе процесса конверсии на месте, то вода формации может привести к увеличению эксплуатационных затрат этого процесса за счет добавления дополнительных энергозатрат, связанных с удалением, выделением и обработкой дополнительного количества воды в текучей среде, полученной в формации. При миграции значительного количества воды из формации в область обработки может замедляться подъем температуры внутри частей области 76 обработки до желаемой температуры.

Для определенных типов барьеров 84 по периметру (например, замороженные барьеры) между соседними областями 76 обработки возможно вовлечение соседних областей обработки в различные процессы конверсии на месте. Например, первая область обработки может быть подвергнута пиролизу, вторая область обработки, примыкающая к первой области обработки, может быть подвергнута генерации синтез-газа, третья область обработки, примыкающая к первой области обработки и/или ко второй области обработки, может быть вовлечена в процесс добычи на месте. Технологические условия в различных областях обработки могут отличаться по параметрам температуры, давления, производительности, скорости подвода тепла и др.

В некоторых формациях углеводородсодержащий слой, который будет вовлечен в процесс конверсии на месте, расположен в той части формации, которая является проницаемой и/или трещиноватой. В отсутствие барьера 84 по периметру текучая среда формации, образовавшаяся в ходе процесса конверсии на месте, могла бы покинуть объем формации, которая обрабатывается. Поток текучей среды формации из объема формации, которая обрабатывается, может ингибировать способность поддерживать желаемое давление внутри части обработанной формации. Таким образом, определение ограниченного объема формации, которая будет обработана, с использованием барьера 84 по периметру может обеспечить регулирование давления внутри ограниченного объема. Регулирование количества текучей среды, удаляемого из области 76 обработки через разгрузочные скважины, продуктивные скважины и/или источники тепла, может обеспечить регулирование давления внутри области обработки. В некоторых вариантах воплощения разгрузочные скважины представляют собой перфорированные обсадные колонны, расположенные внутри или рядом со стволами скважин источников тепла, которые имеют уплотненные обсадные колонны, такие как распределенные области беспламенного горения. Применение барьеров по периметру такого же типа (например, замороженные барьеры и цементированные стенки) может обеспечить регулирование давления в отдельных областях 76 обработки.

В ходе процесса конверсии на месте тепло, подведенное в формацию, может вызвать образование разломов внутри областей 76 обработки. Некоторые разломы могут распространяться в направлении периметра области 76 обработки. Распространяющийся разлом может пересекать водоносный слой, что приведет к поступлению воды формации в область 76 обработки. Вода формации, поступающая в область 76 обработки, может препятствовать повышению температуры формации под действием источников тепла, в части области обработки, до уровня, который существенно выше температуры испарения воды, входящей в формацию. Кроме того, разломы могут обеспечивать миграцию текучей среды, образующейся в ходе процесса конверсии на месте, из области 76 обработки.

Барьер 84 по периметру, вокруг области 76 обработки, может ограничивать влияние распространяющегося разлома на процесс конверсии на месте. В некоторых вариантах воплощения барьеры 84 по периметру располагают достаточно далеко от области 76 обработки так, что разломы, которые развиваются в формации, не влияют на целостность барьера по периметру. Барьеры 84 по периметру могут быть расположены на 10, 40 или 70 м в стороне от скважины 86 процесса конверсии на месте. В некоторых вариантах воплощения барьеры 84 по периметру могут быть расположены рядом с областью 76 обработки. Например, замороженный барьер, сформированный замороженными скважинами, может быть расположен рядом с источниками тепла, продуктивными скважинами или другими скважинами. Скважины 86 процесса конверсии на месте могут быть расположены на расстоянии менее 1 м от замороженных скважин, хотя при большем удалении можно целесообразным образом ограничить влияние на скважины процесса конверсии на месте замороженного барьера и ограничить влияние нагрева на замороженный барьер.

Барьеры по периметру могут быть использованы для обращения регулирующих импульсов и/или для обеспечения того, чтобы процесс конверсии на месте существенно не влиял на области, смежные с областью обработки (например, уровень грунтовых вод или другие области, чувствительные к окружающей среде). Формация внутри барьера по периметру может быть обработана с использованием процесса конверсии на месте. Барьер по периметру может предотвратить влияние на формацию с наружной стороны барьера процесса конверсии на месте, применяемого для формации внутри барьера. Барьеры по периметру могут предотвратить миграцию текучей среды из области обработки. Барьеры по периметру могут предотвратить рост температуры до температуры пиролиза с наружных сторон барьера по периметру.

В некоторых формациях имеется относительно тонкое перекрытие над частью формации. Некоторые формации могут иметь обнажение пород, которое приближается или простирается до поверхности земли. В некоторых формациях в ходе термической обработки в перекрытии могут появляться разломы или развивающиеся трещины, которые выходят на поверхность или приближаются к ней. Некоторые формации могут иметь проницаемые части, которые обеспечивают выход текучей среды формации в атмосферу при нагреве формации. Для этой части формации, которая будет обеспечивать или потенциально обеспечит выход текучей среды формации в атмосферу при термической обработке, может быть предусмотрено грунтовое покрытие.

Обработка формации на месте может существенно изменить характеристики формации, такие как проницаемость и структурная прочность. Добыча углеводородов из формации соответствует удалению углеводородсодержащего материала из формации. В некоторых формациях тепло, подведенное в формацию, может вызвать растрескивание формации. Удаление углеводородсодержащего материала и образование трещин может повлиять на структурную целостность формации. Выбранные участки в области обработки могут оставаться необработанными, для того чтобы сохранить структурную целостность формации, предотвратить оседание породы и/или предотвратить распространение трещин.

Пример

Углеводородные текучие среды получают из части углеродной формации, в которой проводят эксперимент "на месте". Уголь представляет собой высоколетучий битуминозный уголь С. Формацию нагревают электрическими нагревателями. На фиг.12 приведен поперечный разрез, представляющий экспериментальную систему натурных испытаний на месте. Как видно из фиг.12, экспериментальная система натурных испытаний включает углеродсодержащую формацию 88. Область 76 обработки находится внутри барьера 84 по периметру, который представляет собой цементированную стенку. Углеводородный слой 58 имеет угол наклона приблизительно 36° и имеет толщину приблизительно 4,9 м. На фиг.13 продемонстрировано расположение источников тепла 44а, 44b, 44с, эксплуатационных скважин 48а, 48b и регистрационных скважин 90а, 90b, 90с, 90d, которые используются в экспериментальной системе натурных испытаний. Три источника тепла расположены в треугольной конфигурации. Эксплуатационная скважина 48а расположена непосредственно в центре схемы расположения источников тепла и на равном расстоянии от каждого источника тепла. Вторая эксплуатационная скважина 48b расположена вне схемы расположения источников тепла, на равном расстоянии от двух ближайших источников тепла. Барьер 84 по периметру сформирован вокруг контура расположения источников тепла и эксплуатационных скважин. Цементированная стенка образована из 24 опорных колонн. Барьер 84 по периметру предотвращает приток воды в часть формации в ходе эксперимента на месте. Кроме того, барьер 84 по периметру предотвращает потери образовавшихся текучих углеводородных продуктов в ненагретую часть формации.

Значения температуры измеряют в разное время эксперимента, в каждой из четырех регистрационных скважин 90а, 90b, 90с, 90d, которые расположены внутри и вне контура расположения источников тепла, как показано на фиг.13. На фиг.14 показана зависимость температуры, измеренной в каждой регистрационной скважине, от времени. Значения температуры в регистрационных скважинах 90а (представлены линией 92а), 90b (представлены линией 92b) и 90с (представлены линией 92с) были довольно близки между собой. Значение температуры в регистрационной скважине 90d (92d) было значительно ниже. Эта скважина для регистрации температуры расположена вне треугольной схемы расположения источников тепла, показанной на фиг.13. Эти данные демонстрируют, что в зонах, где имеется небольшое перекрывание потоков тепла, значение температуры существенно ниже. На фиг.15 показаны профили температуры, измеренные вблизи источников 44а тепла (представлены линией 94а), 44b (представлены линией 94b) и 44с (представлены линией 94с). Профили температуры у источников тепла были относительно однородными.

На фиг.16 показана зависимость суммарного объема (в куб. метрах) добытых жидких углеводородов (96) от времени (в сутках). На фиг.17 показана зависимость суммарного объема (в куб. метрах) добытого газа (98) от времени (в сутках) в одном и том же эксперименте на месте. На обеих фиг.16 и 17 показаны результаты в ходе стадии пиролиза только в эксперименте на месте.

На фиг.18 показано распределение числа атомов углерода в конденсирующихся углеводородах, добытых с использованием медленного низкотемпературного процесса пиролиза. В ходе переработки образуются продукты, имеющие относительно высокое качество. Результаты на фиг.18 согласуются с результатами, представленными на фиг.19, на которой показаны результаты, полученные при нагреве угля из той же самой формации в лаборатории, при скоростях нагрева, аналогичных использованным в эксперименте на месте.

В таблице 1 сведены результаты анализа угля до обработки и после того, как он был подвергнут термической обработке (включая пиролиз путем нагрева и производство синтез-газа). Керн угля отбирают из формации, расположенной приблизительно на 11-11,3 метров ниже поверхности и в середине слоя угля, для обоих образцов "до обработки" и "после обработки". Оба керна отбирают приблизительно из одного и того же места. Оба керна отбирают приблизительно на расстоянии 0,66 м от источника тепла 44с (между барьером 84 по периметру и источником тепла 44с), показанном на фиг.13. В следующей таблице 1 сокращение АФ означает анализ по Фишеру, "исх" означает, что образец испытан в исходном виде, без какой-либо дополнительной обработки. "Вода пир." означает воду, полученную при пиролизе; "атомарное отн. Н/С" означает отношение числа атомов водорода к числу атомов углерода, "сбз" означает сухой, беззольный, "сбм" означает сухой, без минеральных веществ и "бмв" означает без минеральных веществ. Удельный вес образца керна "после обработки" составляет приблизительно 0,85, тогда как удельный вес образца керна "до обработки" составляет приблизительно 1,35.

Таблица 1АнализДо обработкиПосле обработкиСтепень отражения витринита, %0,545,16АФ (галлон */т, исх)11,810,17АФ (вес.%, исх)6,10,61Вода пир. АФ (галлон */т, исх)10,542,22Атомное отн. Н/С0,850,06Н (вес.%, сбз)5,310,440 (вес.%, сбз)17,083,06N (вес.%, сбз)1,431,35Зола (вес.%, исх)32,7256,50Связанный углерод (вес.%, сбм)54,4594,43Летучие вещества (вес.%, сбм)45,555,57Теплотворность (БТЕ/фунт#, влажн, бмв)1204814281* 1 галлон/т = 3,78 л/т# Бте/фунт = 2,32 кДж/кг

Даже если керны были отобраны вне областей внутри треугольника, образованного тремя нагревателями, как на фиг.13, эти керны демонстрируют, что уголь, оставшийся в формации, существенно изменился в процессе обработки. Результаты по степени отражения витринита, показанные в табл.1, свидетельствуют о том, что категория угля, оставшегося в формации, существенно повысилась в процессе обработки. До обработки уголь был высоколетучим битуминозным углем С. Однако после обработки уголь практически представляет собой антрацит. В одном воплощении полученный уголь может иметь степень отражения витринита больше, чем приблизительно 2,9% и/или теплотворность больше, чем приблизительно 25000 кДж/кг.

Результаты анализа по Фишеру, приведенные в табл.1, демонстрируют, что большинство углеводородов в угле удаляется во время обработки. Атомарное отношение водорода к углероду демонстрирует, что большинство водорода в угле удаляется во время обработки. Значительное количество азота и золы остается в формации.

Обобщая показанные в табл.1 результаты, отметим, что значительное количество углеводородов и водорода удаляются в ходе обработки угля посредством пиролиза и генерации синтез-газа. Значительное количество нежелательных продуктов (зола и азот) остается в формации, в то время как удаляется значительное количество желаемых продуктов (например, конденсирующиеся углеводороды и газ).

С учетом этого описания дальнейшее усовершенствование и альтернативные воплощения различных аспектов изобретения могут быть очевидными для специалистов в этой области техники. Соответственно это описание следует рассматривать только как иллюстративное, которое приведено с целью ознакомления специалистов в этой области техники с общим характером осуществления изобретения. Следует понимать, что формы изобретения, продемонстрированные и раскрытые в этом описании, необходимо рассматривать как предпочтительные в настоящее время. Элементы и материалы, продемонстрированные и описанные в этом изобретении, могут быть заменены иными, детали и процессы могут быть упрощены, и определенные признаки изобретения могут быть использованы независимо, как это, возможно, станет очевидным специалистам в этой области техники после ознакомления с преимуществами этого изобретения. В описанных элементах изобретения могут быть сделаны изменения, без отклонения от духа и объема изобретения, которое описано в следующей ниже формуле изобретения. Кроме того, следует учитывать, что признаки, описанные в изобретении как независимые, в некоторых вариантах воплощения могут сочетаться.

Изобретение относится к облагораживанию и добыче угля и может быть использовано для истощенных или трудноизвлекаемых углеродов. В способе обрабатывают, по меньшей мере, часть углеродной формации посредством подачи тепла, по меньшей мере, из одного или нескольких нагревателей, с целью нагрева, по меньшей мере, части углеродной формации и добычи текучих сред из углеродной формации. Обработка углеродной формации повышает категорию части угля, причем повышение категории, по меньшей мере, улучшает качество части угля. Осуществляют добычу, по меньшей мере, части облагороженного угля из обработанной углеродной формации. Изобретение направлено на повышение эффективности разработки углеродных пластов. 12 з.п. ф-лы, 1 табл., 19 ил.

1. Способ получения облагороженного угля из углеродной формации, который включает в себя обработку, по меньшей мере, части углеродной формации посредством подачи тепла, по меньшей мере, из одного или нескольких нагревателей, с целью нагрева, по меньшей мере, части углеродной формации и добычи текучих сред из углеродной формации, в котором обработка углеродной формации повышает категорию части угля, причем повышение категории, по меньшей мере, улучшает качество части угля и добычу, по меньшей мере, части облагороженного угля из обработанной углеродной формации.2. Способ по п.1, в котором формация, по меньшей мере, частично пиролизована.3. Способ по п.1, в котором, по меньшей мере, часть углеводородов в угле пиролизована.4. Способ по любому одному из пп.1-3, в котором получение угля включает в себя добычу угля в виде порошка.5. Способ по любому одному из пп.1-3, в котором получение угля включает в себя добычу угля в виде суспензии.6. Способ по любому одному из пп.1-3, который дополнительно включает в себя подачу текучей среды в часть обработанной формации для того, чтобы удалить, по меньшей мере, часть угля.7. Способ по любому одному из пп.1-3, в котором добытый облагороженный уголь включает в себя антрацит.8. Способ по любому одному из пп.1-3, в котором уголь до обработки не содержит значительного количества антрацита, а добытый уголь содержит значительное количество антрацита.9. Способ по любому одному из пп.1-3, в котором, по меньшей мере, часть полученного облагороженного угля имеет содержание углерода выше, чем приблизительно 87 вес.%.10. Способ по любому одному из пп.1-3, в котором, по меньшей мере, часть полученного облагороженного угля имеет содержание летучих веществ меньше, чем приблизительно 5 вес.%.11. Способ по любому одному из пп.1-3, в котором, по меньшей мере, часть полученного облагороженного угля имеет теплотворность больше, чем приблизительно 25000 кДж/кг.12. Способ по любому одному из пп.1-3, в котором, по меньшей мере, часть полученного облагороженного угля имеет степень отражения витринита больше, чем приблизительно 2,9%.13. Способ по любому одному из пп.1-3, в котором, по меньшей мере, часть полученного облагороженного угля применяется в производстве стали.