CN101163851A

CN101163851A - 用于原地转换过程的双阻挡层系统

Info

Publication number: CN101163851A
Application number: CN200680013092.0A
Authority: CN
Inventors: K·M·考恩; W·迪格; B·J·麦金齐; H·J·维讷格; S-W·翁
Original assignee: Shell Internationale Research Maatschappij BV
Current assignee: Shell Internationale Research Maatschappij BV
Priority date: 2005-04-22
Filing date: 2006-04-21
Publication date: 2008-04-16
Also published as: CA2605720A1; CA2606295A1; IL186206A; IL186207A0; MA29469B1; CN101163853A; ATE427410T1; AU2006239997A1; EA200702297A1; EA200702305A1; CN101163855B; IL186205A; EP1871983B1; CA2605729A1; MA29468B1; EA200702303A1; WO2006116096A1; IL186203A0; EP1871858A2; EA012171B1

Abstract

本发明提供用于地下处理区域的双阻挡层系统(132)，该系统包括：围绕地下处理区域至少一部分形成的第一阻挡层(136)，第一阻挡层构造为阻止流体排出或进入地下处理区域；以及围绕第一阻挡层的至少一部分形成的第二阻挡层(138)，其中，第一阻挡层和第二阻挡层之间存在分离空间。本发明还提供形成该双阻挡层系统的方法。

Description

用于原地转换过程的双阻挡层系统

技术领域

本发明一般地涉及用于提供从各种地下地层，比如含碳氢化合物的地层，生产碳氢化合物、氢和/或其它产品用的阻挡层(barrier)的方法和系统。实施例涉及围绕一处理区域的至少一部分的双阻挡层的形成。

背景技术

原地过程可以用于处理地下地层。在某些原地过程中，流体可以引入或产生在地层内。引入或产生的流体可能需要被保持在一处理区域内，以减少或消除原地过程对相邻区域的冲击。在某些原地过程中可以围绕处理区域的全部或一部分形成一阻挡层，以阻止流体迁移出或迁移入处理区域。

为了许多目的，一低温区域可以用于隔离地下地层的选择的区域。在某些系统中，土地被冷冻，以阻止流体在土壤修复(remediation)时从处理区域迁移。下列美国专利描述了用于冷冻土地的系统：授予Krieg等人的4,860,544；授予Krieg等人的4,974,425；授予Dash等人的5,507,149；授予Briley等人的6,796,139；以及授予Vinegar等人的6,854,929。

为了形成低温阻挡层，可以在待形成阻挡层的地层内形成间隔开的井孔。导管可以放置在井孔内。一种低温热传递流体可以通过导管循环，以降低邻近井孔的温度。围绕井孔的低温区域可以向外扩张。最终，由两个相邻井孔产生的低温区域融合。低温区域的温度足够低，以冷冻地层流体，从而形成一基本上不渗透的阻挡层。井孔间距可以从约1m至3m或更大。

井孔间距可以是一系列因数的函数，这些因数包括地层的组分和性能、地层流体和性能、可用于形成阻挡层的时间、以及低温热传递流体的温度和性能。通常，低温热传递流体的非常冷的温度允许较大的间距和/或阻挡层较快的形成。非常冷的温度可以为-20℃或更低。

确定围绕一处理区域的阻挡层何时形成可能存在问题。同样，如果在阻挡层内产生缺口，确定缺口的位置以及限制缺口对处理区域或相邻区域的影响可能是困难的。因此，希望具有用于原位过程的阻挡层系统，该系统允许确定阻挡层的形成。该阻挡层系统应该是，如果出现阻挡层系统的一部分的缺口，则对处理区域和/或相邻区域的影响最小或没有影响。

发明内容

本发明一般地涉及用于提供从各种地下地层，比如含碳氢化合物的地层，生产碳氢化合物、氢和/或其它产品用的阻挡层的方法和系统。实施例涉及围绕处理区域的至少一部分的双阻挡层的形成。

在某些实施例中，本发明提供用于地下处理区域的阻挡层系统，该系统包括：围绕地下处理区域的至少一部分形成的第一阻挡层，该第一阻挡层构造为阻止流体排出或进入地下处理区域；以及围绕第一阻挡层的至少一部分形成的第二阻挡层，其中在第一阻挡层和第二阻挡层之间存在分离空间。

本发明还提供使用所述本发明以建立围绕地下处理区域的双阻挡层的方法。

在另一些实施例中，特定的实施例的特点可以与其它实施例的特点相结合。例如，一个实施例的特点可以与任何其它实施例的特点相结合。

在另一些实施例中，地下地层的处理可以使用这里所述的任何方法或系统进行。

在另一些实施例中，附加的特点可以增加至这里所述的特定的实施例。

附图说明

本发明的优点对于本领域技术熟练人员在阅读下列详细说明并参见附图之后而变得明显，其中：

图1示出用于处理含碳氢化合物的地层的原地转换系统一部分的一个实施例的示意图；

图2示出用于一循环液体冷冻系统的冷冻井的一个实施例，其中冷冻井的剖面图表示低于地表面；

图3示出一双阻挡层保持系统的示意图；

图4示出一双阻挡层保持系统的横剖面图；

图5示出在一双阻挡层保持系统的第一阻挡层内一个缺口的示意图；

图6示出在一双阻挡层保持系统的第二阻挡层内一个缺口的示意图。

虽然本发明易于接受各种改进和代替形式，但在附图中以实例方式示出其特定实施例，并在文中详细地说明。附图可能不是按比例的。然而，应该理解，这里的附图和详细说明不是有意地限制本发明为公开的特定的形式，相反，本发明覆盖如所附权利要求书限定的本发明的精神和范围内的全部改进、等同物和替代方案。

具体实施方式

下列的说明一般地涉及用于处理地层内的碳氢化合物的系统和方法。这种地层可以被处理以产生碳氢化合物产品、氢和其它产品。

“碳氢化合物”一般地定义为主要由碳和氢原子形成的分子。碳氢化合物可以还包括其它元素，比如，但不局限于卤族元素、金属元素、氮、氧和/或硫。碳氢化合物可以是，但不局限于油母质、沥青、焦沥青、油类、天然矿物蜡和地沥青。碳氢化合物可以位于或邻近地球内的矿物母岩(mineral matrices)。矿物母岩可包括，但不局限于沉积岩、砂子、硅化岩、碳酸盐类，硅藻土和其它疏松介质。“碳氢化合物流体”是包含碳氢化合物的流体。碳氢化合物流体可以包括、夹杂或被夹杂在非碳氢化合物流体中，比如氢、氮、一氧化碳、二氧化碳、硫化氢、水和氨。

“地层”包括一个或更多个含碳氢化合物的层、一个或更多个非碳氢化合物层、上覆岩层(overburden)和/或下伏岩层(underburden)。“上覆岩层”和/或“下伏岩层”包括一种或更多种不同类型的不可渗透的材料。例如，上覆岩层和/或下伏岩层可以包括岩石、页岩、泥石岩或湿/致密碳酸盐。在原地转换过程的某些实施例中，上覆岩层和/或下伏岩层可以包括一个含碳氢化合物的层或几个含碳氢化合物的层，这些层较不可渗透，以及在原地转换过程中不经受温度，该原地转换过程导致上覆岩层和/或下伏岩层的含碳氢化合物层显著的性能改变。例如，下伏岩层可能含有页岩或泥石岩，但下伏岩层不允许在原地转换过程中加热至热分解温度。在某些情况下，上覆岩层和/或下伏岩层可能稍有可渗透性。

“地层流体”是指存在于地层内的流体，以及可以包括热分解流体、合成气体、可移动的碳氢化合物和水(蒸汽)。地层流体可以包括碳氢化合物流体以及非碳氢化合物流体。术语“可移动的流体”是指在含碳氢化合物地层内作为地层热处理结果可以流动的流体。“生产的流体”是指从地层移出的地层流体。

“热源”是基本借助传导和/或辐射热传递提供热量至地层的至少一部分的任何系统。例如，热源可以包括电加热器，比如设置在一导管内的绝缘导体、细长部件和/或导体。热源还可以包括借助在地层外部或地层内燃烧燃料产生热量的系统。这种系统可以是地面燃烧器、孔下气体燃烧器、无焰分布燃烧室式燃烧器和自然分布燃烧室式燃烧器。在某些实施例中，提供至一个或更多个热源或在其中产生的热量可以由其它能源供给。其它能源可以直接加热地层或将能量施加至传递介质，该传递介质直接地或间接地加热地层。应该理解，施加热量至地层的一个或更多个热源可以使用不同的能源。因此，例如，对于一个给定的地层，某些热源可以由电阻加热器供热，某些热源可以由燃烧器供热，以及某些热源可以由一个或更多个其它能源(例如，化学反应、太阳能、风能、生物物质或其它可再生能源)供热。化学反应可以包括放热反应(例如氧化反应)。热源还可以包括提供热量至邻近区域和/或围绕加热位置，比如一个加热井的加热器。

“加热器”是用于在钻井内或邻近井孔区产生热量的任何系统或热源。加热器可以是，但不局限于电加热器、燃烧器、燃烧室式燃烧器，这些加热器可以与地层内存在或从地层产生的材料和/或这些材料的组合反应。

“原地转换过程”是指这样的过程，即，由热源加热含碳氢化合物的地层以使地层的至少一部分的温度升高超过热分解温度从而在地层中产生热分解流体。

术语“井孔”是指在地层中钻出的一个孔，或在地层内插入一根导管形成的孔。井孔可以具有基本上圆横截面或其它的横截面形状。在这里使用的术语“钻井”和“开口”当指地层内的开口时可以与术语“井孔”互换地使用。

“热分解”是由于施加热量而使化学键破坏。例如，热分解可以包括单独依靠热量使一种化合物转换成一种或多种其它物质。热量可以传递至地层的一段，以引起热分解。在某些地层内，地层的各部分和/或在地层内的其它材料可以通过催化剂活性促进热分解。

“热分解流体”或“热分解产品”是指基本上在碳氢化合物热分解时产生的流体。借助热分解反应产生的流体可能与地层内的其它流体混合。这种混合物被认为是热分解流体或热分解产品。在此处使用的“热分解区域”是指地层的某一体积(例如，较可渗透的地层，比如，焦油砂地层)该地层可以反应以形成热分解流体。

“热传导性”是材料的一种性能，它描述在静态下在材料的两个表面之间对于两表面之间一给定的温差下热量流动的速率。

在地层内的碳氢化合物和其它希望的产品可以使用各种原地过程产生。能够用于产生碳氢化合物或希望的产品的某些原地过程是原地转换过程、蒸气驱(flooding)、火焰驱、蒸气辅助重力排泄以及溶液开采。在某些原地转换过程中，阻挡层可能是需要或要求的。阻挡层可以阻止流体，比如地层水进入处理区域。阻挡层还可以阻止流体从处理区域不被希望的排出。阻止流体从处理区域不被希望的排出可以减少或消除原地过程对处理区域的邻近区域的影响。

图1示出用于处理含碳氢化合物的地层的原地转换系统100的一部分的一个实施例的示意图。原地转换系统100可以包括阻挡层钻井102。阻挡层钻井102用于形成围绕处理区域的阻挡层。阻挡层阻止流体流入和/或流出处理区域。阻挡层钻井包括，但不局限于脱水钻井、真空钻井、捕获钻井、注射钻井、灌浆钻井、冷冻井或它们的组合。在图1所示的实施例中，阻挡层钻井102被示出为仅沿着热源104一侧延伸，但是阻挡层钻井典型地环绕已使用的或待使用的用于加热地层的处理区域的全部热源104。

热源104放置在地层的至少一部分内。热源104可以包括加热器，比如绝缘导体、导管内导体加热器、地面燃烧器、无火焰分布燃烧室式燃烧器和/或天然分布燃烧室式燃烧器。热源104还可以包括其它类型的加热器。热源104提供热量至地层的至少一部分，以加热地层内的碳氢化合物。能量可以通过供给管路106供给至热源104。供给管路106根据用于加热地层的热源的类型而在结构上是不同的。用于热源的供给管路106可以传送用于电加热器的电能，可以传送用于燃烧器的燃料，或可以传送在地层内循环的热交换流体。

生产钻井108使用于从地层移出地层流体。在某些实施例中，生产钻井108可包括一个或更多个热源。在生产钻井内的热源可以加热在生产钻井处或接近生产钻井的地层的一个或更多个部分。在生产钻井内的热源可以阻止从地层移出的地层流体的冷凝和回流。

从生产钻井108生产的地层流体可以通过收集管路110运输至处理设备112。地层流体还可以从热源104产生。例如，流体可以从热源104产生以控制邻近热源的地层内的压力。从热源104产生的流体可以通过管道或管路运输至收集管路110或产生的流体可以通过管道或管路直接运输至处理设备112。处理设备112可以包括分离单元、反应单元、提质(upgrading)单元、燃料电池、涡轮、储存罐和/或用于加工生产的地层流体的其它系统和装置。处理设备可以由从地层生产的碳氢化合物的至少一部分形成运输燃料。

在地层内形成的某些井孔可以用于方便形成围绕处理区域的周边阻挡层。周边阻挡层可以是，但不局限于：由形成在地层内的冷冻井、脱水钻井、灌浆钻井形成的低温或冷冻阻挡层，硫化水泥阻挡层；由在地层中产生的凝胶形成的阻挡层；由地层内盐分的沉积形成的阻挡层；由地层内热分解反应形成的阻挡层；和/或插入地层的钢板。热源、生产钻井、注射钻井、脱水钻井和/或监测钻井可以在设置阻挡层之前、同时或之后设置在由阻挡层限定的处理区域内。

围绕处理区域的至少一部分的低温区域可以由冷冻井形成。在一个实施例中，致冷剂通过冷冻井循环，以形成围绕每个冷冻井的低温区域。各冷冻井设置在地层内，从而使低温区域重叠并形成围绕处理区域的低温区域。借助冷冻井建立的低温区域保持在低于地层内水流体的冰点。进入低温区域的水流体冻结和形成冷冻阻挡层。在其它实施例中，冷冻阻挡层是借助成批工作的冷冻井形成的。一种冷流体，比如液氮，被引入冷冻井，以形成围绕冷冻井的低温区域。该流体按照需要补充。

在某些实施例中，两排或更多排冷冻井位于处理区域周边的全部或一部分周围，以形成厚的互相连接的低温区域。厚的低温区域可以形成在地层内水流体流动速率高的地层内的区域附近，厚的阻挡层可以保证由冷冻井建立的冷冻阻挡层不会被穿透。

竖直定位的冷冻井和/或水平定位的冷冻井可以定位成围绕处理区域的各侧。如果地层的上层(上覆岩层)或下层(下伏岩层)有可能允许流体流入或流出处理区域，则水平定位的冷冻井可以用于形成用于处理区域的上和/或下阻挡层。在某些实施例中，如果上层和/或下层是至少基本上不可渗透的，则上阻挡层和/或下阻挡层可能是不需要的。如果上冷冻阻挡层形成，则穿过由冷冻井产生的低温区域形成上冷冻阻挡层钻井的热源、生产钻井、注射钻井和/或脱水钻井的各部分可以被隔离和/或热跟踪，从而使低温区域不会不利地影响穿过低温区域的热源、生产钻井、注射钻井和/或脱水钻井的功能。

相邻的冷冻井之间的间距是一系列不同因数的函数。这些因数可以包括，但不局限于地层材料的物理性能、冷冻系统的类型、致冷剂的冷度和热性能、流入和流出处理区域的材料的流动速率、用于形成低温区域的时间以及经济性的考虑。固结的或部分固结的地层材料可以允许冷冻井之间大的分离距离。在固结的或部分固结的地层材料内的冷冻井之间的分离距离为从约3m至约20m，从约4m至约15m或从约5m至约10m。在一个实施例中，相邻的冷冻井之间的间距为约5m。在非固结的或基本上非固结的地层材料内，比如在焦油砂内，冷冻井之间的间距可能需要小于在固结的地层材料内的间距。在非固结的地层材料内冷冻井之间的分离距离可以为从约1m至约5m。

冷冻井可以设置在地层内，从而使一个冷冻井相对于一相邻的冷冻井的取向偏移最小。过大的偏移可能导致相邻的冷冻井之间大的分离距离，这样的分离距离可能不允许在相邻的冷冻井之间形成互相连接的低温区域。影响冷冻井插入地层的方式的因素包括，但不局限于冷冻井的插入时间、冷冻井的插入深度、地层性能、希望的钻井取向以及经济性。

用于冷冻井的较低深度井孔，可以采用冲击和/或振动方式插入某些地层。在某些类型的地层内，用于冷冻井的井孔可以采用冲击和/或振动方式插入地层的深度从约1m至约100m，冷冻井相对于相邻的冷冻井没有过大的取向偏移。

用于设置在地层深处的冷冻井的井孔或用于设置在带有难以用冲击或振动方式钻穿钻井的岩层的地层内的冷冻井的井孔可以借助定向钻进和/或地质导向(geosteering)设置在地层内。在第一井孔内产生的声频信号、电信号、磁信号和/或其它信号可以用于引导相邻井孔的钻进，从而能够保持相邻的钻井之间希望的间距。严格控制用于冷冻井的井孔之间的间距是减少阻挡地层构造完成时间的一个重要因素。

在用于冷冻井的井孔形成之后，井孔可以使用邻近准备降低温度以形成冷冻阻挡层一部分的地层部分的水反冲洗(backflush)。该水可以排出保留在井孔内的钻进流体。该水可以排出在邻近地层的空穴内的固有的气体。在某些实施例中，井孔用来自上通至上覆岩层水平的管路的水充填。在某些实施例中，井孔分段用水反冲洗。井孔可以按长度为约6m、10m、14m、17m或更大的分段进行处理。在井孔内的水的压力保持低于地层的断裂压力。在某些实施例中，水或部分水从井孔移出，并在地层内设置冷冻井。

图2示出冷冻井114的一个实施例。冷冻井114可以包括筒罐116、入口管路118、隔片120和钻井帽122。隔片120可以将入口管路118定位在筒罐116内，从而在筒罐和管路之间形成一个环形空隙。隔片120可以促进在入口管路118和筒罐116之间的环形空隙内致冷剂的紊流，但该隔片也会引起流体压力的显著降低。紊流流体在环形空间内的流动可以借助下列措施增强：将筒罐116的内表面粗糙化，将入口管路118的外表面粗糙化和/或将环形空间的横截面缩小，从而允许在环形空间内高的致冷剂流速。在某些实施例中，不使用隔片。

地层致冷剂可以通过冷侧面管路124从一致冷单元流至冷冻井114的入口管路118。地层致冷剂可以通过入口管路118和筒罐116之间的环形空间流动至暖侧面管路126。热量可以从地层传送至筒罐116，并从筒罐传送至环形空间内的地层致冷剂。入口管路118可以是隔热的，以阻止在地层致冷剂移动进入冷冻井114时热量传递至地层致冷剂。在一个实施例中，入口管道118是高密度聚乙烯管。在冷温度下，某些聚合物可以显示出大量热收缩。例如，一条260m初始长度的聚乙烯管路经受约-25℃的温度，收缩可能达6m或更大。如果使用高密度聚乙烯管路或其它聚合物管路，在确定冷冻井的最终深度时，材料的大的热收缩必须考虑在内。例如，冷冻井可能钻得比需要的深，以及管路可能允许在使用时缩回。在某些实施例中，入口管路118是隔热的金属管。在某些实施例中，隔热层可以是聚合物涂层，比如，但不局限于聚氯乙烯、高密度聚乙烯和/或聚苯乙烯。

冷冻井114可以使用螺旋管钻具引导进入地层。在一个实施例中，筒罐116和入口管路118缠绕在一个单独卷轴上。螺旋管钻具引导筒罐和入口管路118进入地层。在一个实施例中，筒罐116缠绕在第一卷轴上，并且入口管路118缠绕在第二轴上。螺旋管钻具引导筒罐116进入地层。随后，螺旋管钻具用于引导入口管路118进入筒罐。在其它实施例中，冷冻井在井孔位置分段组装，并被引导进入地层。

冷冻井114的隔离段可以放置成邻接上覆岩层128。冷冻井114的非隔离段可以放置成邻接将形成低温区域的一个或更多个层130。在某些实施例中，冷冻井的非隔离段可以定位成仅邻近允许流体流入或流出处理区域的地层的含水层或其它可渗透部分。准备放置冷冻井的非隔离段的地层部分可以使用钻芯分析和/或测井技术确定。

各种类型的致冷系统可以用于形成低温区域。合适的致冷系统的确定可以根据许多因素，包括，但不局限于：冷冻井类型；相邻的冷冻井之间的距离；致冷剂；形成低温区域的时限；低温区域的深度；致冷剂将经受的温差；致冷剂的化学和物理性能；有关潜在的致冷剂释放、泄漏或溢出的环境考虑；经济性；在地层内地层水的流动；地层水的成分和性能，包括地层水的盐浓度；以及地层的各种性能，比如，热传导性、热扩散性和热容。

循环流体致冷系统可以使用通过冷冻井循环的液体致冷剂(地层致冷剂)。对于地层致冷剂的某些希望的性能是：低的工作温度、处在和接近工作温度时的低粘度、高密度、高比热容、高热传导性，低成本、低腐蚀性和低毒性。地层致冷剂的低工作温度允许围绕冷冻井建立大的低温区域。地层致冷剂的低工作温度应为约-20℃或更低。具有至少为-60℃的低工作温度的地层致冷剂可以包括：氨水、甲酸钾溶液，比如，DynaleneHC-50(Dynalene热传递流体公司(美国宾夕法尼亚州的怀特霍尔镇))或FREEZIUM(Kemira化学品公司(芬兰的赫尔辛基))；硅酮热传递流体，比如，Syltherm XLT(Dow Corning公司(美国密歇根州的米德兰市))；碳氢化合物致冷剂，比如，丙烯；以及氯氟化烃，比如R-22。氨水是氨和水的溶液，氨的重量百分比在约20％和约40％之间。氨水具有一些性能和特点，使得氨水可作为希望的地层致冷剂使用，这些性能和特点包括，但不局限于极低的冰点、低粘度、易获取性和低成本。

能够急冷至水地层流体的冰点以下温度的地层致冷剂可以用于形成围绕处理区域的低温区域。下列公式(Sanger公式)可以为用于形成围绕具有表面温度T_s的冷冻井半径为R的冷冻阻挡层所需时间t₁建模：

(1)

t_{1} = \frac{R^{2} L_{1}}{4 k_{f} v_{s}} [21 n \frac{R}{r_{o}} - 1 + \frac{c_{vf} v_{s}}{L_{1}}]

式中：

L_{1} = L \frac{a_{r}^{2} - 1}{21 {na}_{r}} c_{vu} v_{o}

a_{r} = \frac{R_{A}}{R}

在这些公式中，k_f是冷冻材料的热导率；c_vf和c_vu分别是冷冻的和未冷冻的材料的体积热容；r_o是冷冻井的半径；v_s是冷冻井表面温度T_s和水的冰点T_o之间的温差；v_o是周围地层温度T_g和水的冰点T_o之间的温差；L是地层冷冻的体积潜热；R是冷冻-未冷冻界面处的半径；以及R_A是没有受到致冷管的影响的半径。Sanger公式可提供形成半径为R的冷冻阻挡层所需时间的保守估计，因为该公式没有考虑来自其它冷冻井的冷却的重叠。地层致冷剂的温度是一个可调节的变量，它可以显著地影响冷冻井之间的间距。

公式1意味着可以使用具有非常低的初始温度的致冷剂形成大的低温区域。使用初始冷温度为约-30℃或更低的地层致冷剂是希望的。初始温度暖于约-30℃的地层致冷剂也可以使用，但这种地层致冷剂对于借助单独的冷冻井连接产生的低温区域需要较长的时间。此外，这种地层致冷剂可能需要使用更近的冷冻井间距和/或更多的冷冻井。

用于建造冷冻井的材料的物理性能可以是确定用于形成围绕处理区域的低温区域的地层致冷剂的最冷温度的一个因素。碳钢可以用作冷冻井的结构材料。ASTM A333，6级钢合金和ASTM A333，3级钢合金可以用于低温用途。ASTM A333，6级钢合金典型地含有少量或不含镍，并具有约-50℃的低工作温度极限。ASTM A333，3级钢合金典型地含有镍和具有冷得多的低工作温度极限。ASTM A333，3级合金增加在冷温度时的延展性，但也显著地提高金属的成本。在某些实施例中，致冷剂的最冷温度为从约-35℃至约-55℃，从约-38℃至约-47℃，或从约-40℃至约-45℃，以允许使用ASTM A333，6级钢合金以建造用于冷冻井的筒罐。不锈钢，比如304不锈钢，可以用于形成冷冻井，但不锈钢的成本典型地大大高于ASTM A333，6级钢合金。

在某些实施例中，用于形成冷冻井的筒罐的金属可以作为管子提供。在某些实施例中，用于形成冷冻井的筒罐的金属可以作为板材形式提供。金属板可以被纵向地焊接，以形成管子和/或螺旋管。使用板材金属成形筒罐通过允许螺旋管绝热和减少使用管子形成和安装筒罐所需的设备和人力而改进系统的经济性。

一种致冷单元可用于降低地层致冷剂的温度至低工作温度。在某些实施例中，致冷单元使用氨蒸发循环。致冷单元可以从下列公司买到：Cool Man公司(美国威斯康星州密尔沃基市)，GartnerRefrigeration & Manufacturing公司(美国明尼苏达州明尼阿波利斯市)，以及其它供应商。在某些实施例中，可以使用级联的致冷系统，其第一级为氨以及第二级为二氧化碳。通过冷冻井的循环致冷剂可以是在水中30％重量的氨(氨水)。或者，也使用单级二氧化碳致冷系统。

在某些实施例中，使用双阻挡层系统以隔离处理区域。双阻挡层系统可以由第一阻挡层和第二阻挡层组成。第一阻挡层可以围绕处理区域的至少一部分形成，以阻止流体流入或排出处理区域。第二阻挡层可以围绕第一阻挡层的至少一部分形成，以隔离在第一阻挡层和第二阻挡层之间的阻挡层间区域。双阻挡层系统可以允许比单阻挡层系统大的设计深度。使用双阻挡层系统可以实现较大深度是因为跨过第一阻挡层和第二阻挡层的阶梯压差小于跨过一个单独阻挡层的压差。对于双阻挡层系统，跨过第一阻挡层和第二阻挡层较小的压差使得双阻挡层系统的缺口比单阻挡层系统在此深度处发生的可能性小。

双阻挡层系统减少阻挡层缺口影响处理区域或缺口形成在双阻挡层外侧的可能性。这就是说，在第一阻挡层内缺口发生的位置和/或时间与在第二阻挡层内缺口发生的位置和/或时间重合的可能性低，尤其是，如果在第一阻挡层和第二阻挡层之间的距离较大时(例如，大于约15m)。具有双阻挡层可以减少或消除流体跟随第一或第二阻挡层的缺口流入处理区域。如果第二阻挡层出现缺口，处理区域不会受影响。如果第一阻挡层出现缺口，仅有阻挡层间区域中的一部分流体能够进入保持区域。而且，来自保持区域的流体将不会通过第二阻挡层。修复双阻挡层系统的一个阻挡层的一个缺口比修复一个单独阻挡层系统的一个缺口需要更少时间和资源。例如，跟随一个双阻挡层系统的一个缺口的处理区域的再加热比跟随一个单独阻挡层的一个缺口的同样尺寸处理区域的再加热需要更少的能量。

第一阻挡层和第二阻挡层可以是相同类型的阻挡层或不同类型的阻挡层。在某些实施例中，第一阻挡层和第二阻挡层是通过冷冻井形成的。在某些实施例中，第一阻挡层是通过冷冻井形成的，以及第二阻挡层是灌浆墙。灌浆墙可以由水泥、硫胶浆(sulfur)、硫水泥或它们的组合形成。在某些实施例中，第一阻挡层的一部分和/或第二阻挡层的一部分是一个天然阻挡层，比如，不可渗透的岩石地层。

图3示出双阻挡层系统132的一个实施例。处理区域134的周边可以被第一阻挡层136围绕。第一阻挡层136可以被第二阻挡层138围绕。阻挡层间区域140可以隔离在第一阻挡层136、第二阻挡层138以及分隔部142之间。用分隔部142在第一阻挡层136和第二阻挡层138之间产生的分段限制保持在单独的阻挡层间区域140内的流体的量。分隔部142可以增强双阻挡层系统132。在某些实施例中，双阻挡层系统可以不包括分隔部。

阻挡层间区域可以具有从约1m至约300m的厚度。在某些实施例中，阻挡层间区域的厚度为从10m至约100m，或从约20m至约50m。

泵送/监测钻井144可以定位在保持区域134、阻挡层间区域140和/或第二阻挡层138外侧的外部区域146内。泵送/监测钻井144允许从处理区域134、阻挡层间区域140或外部区域146移出流体。泵送/监测钻井144还允许监测在处理区域134、阻挡层间区域140和外部区域146内的流体水平。

在某些实施例中，由热源加热处理区域134的一部分。最接近第一阻挡层136的热源可以安装在离开第一阻挡层的一个希望的距离处。在某些实施例中，在最近热源和第一阻挡层136之间的希望的距离在约5m和约300m之间范围内，在约10m和约200m之间或在约15m和约50m之间范围内。例如，在最近热源和第一阻挡层136之间希望的距离可以是约40m。

图4示出使用于隔离在地层内的处理区域134的双阻挡层系统132的横剖面图。地层可以包括一个或更多个流体承载区域148以及一个或更多个不可渗透的区域150。第一阻挡层136可以至少部分地围绕处理区域134。第二阻挡层138可以至少部分地围绕第一阻挡层136。在某些实施例中，不可渗透的区域150位于处理区域134的上面和/或下面。因此，处理区域134围绕各侧面和从顶部和底部被密封。在某些实施例中，形成一条或多条路径152以允许在处理区域134内的两个或更多个流体承载区域148之间的连通。在处理区域134内的流体可以从此区域被泵送。在阻挡层间区域140和外部区域146内的流体被阻止到达处理区域。在处理区域134内碳氢化合物的原地转换期间，在处理区域内产生的地层流体被阻止移动进入阻挡层间区域140和外部区域146。

在密封处理区域134之后，在一个给定的流体承载区域148内的流体水平可以改变，从而使在阻挡层间区域140内的流体高差和在外部区域146内的流体高差是不同的。在第一阻挡层136和第二阻挡层138形成之后，各个流体承载区域148内的流体压力和/或流体的量可以被调节。在各流体承载区域148内保持流体不同的量和/或压力的能力可以指示第一阻挡层136和第二阻挡层138的形成和完整性。具有在处理区域134、流体承载区域148、阻挡层间区域140以及在外部区域146的流体承载区域内不同的流体高差水平允许确定在第一阻挡层136和/或第二阻挡层138内的缺口的发生。在某些实施例中，跨过第一阻挡层136和第二阻挡层138的不同压差可以被调节以减少施加至第一阻挡层136和/或第二阻挡层138的应力，以及地层的某一岩层上的应力。

某些流体承载区域148可能含有天然流体，这些流体由于高的盐含量或化合物而使得流体的冰点降低，因而是难以冷冻的。如果第一阻挡层136和/或第二阻挡层138是通过冷冻井建立的低温区域，则难以冷冻的天然流体可以通过泵送/监测钻井144从阻挡层间区域140内的流体承载区域148移出。天然流体被冷冻井更容易冷冻的流体代替。

在某些实施例中，泵送/监测钻井144可以定位在处理区域134、阻挡层间区域140和/或外部区域146内。泵送/监测钻井144可用于测试冷冻的阻挡层的冷冻完成和/或压力测试冷冻的阻挡层和/或岩层。泵送/监测钻井144可用于移出流体和/或监测在处理区域134、阻挡层间区域140和/或外部区域146内的流体水平。使用泵送/监测钻井144监测在保持区域134、阻挡层间区域140和/或外部区域146内的流体水平可允许探测在第一阻挡层136和/或第二阻挡层138内的缺口。泵送/监测钻井144允许在处理区域134、阻挡层间区域140内每个流体承载区域148和外部区域146内每个流体承载区域内的压力被独立地监测，从而使在第一阻挡层136和/或第二阻挡层138内的缺口的发生和/或位置能够被确定。

在某些实施例中，在阻挡层间区域140内的流体压力保持大于在处理区域134内的流体压力，并小于在外部区域146内的流体压力。如果出现第一阻挡层136的缺口，则流体从阻挡层间区域140流动进入处理区域134，结果在阻挡层间区域内可探测的流体水平下降。如果出现第二阻挡层138的缺口，则流体从外部区域流动进入阻挡层间区域140，结果在阻挡层间区域内可探测的流体水平升高。

第一阻挡层136的缺口可以允许流体从阻挡层间区域140进入处理区域134。

图5示出双阻挡层保持系统132的第一阻挡层136中的缺口154。箭头156指示从阻挡层间区域140通过缺口154至处理区域134的流体158的流动方向。在流体承载区域148内，阻挡层间区域140的缺口154附近的流体水平下降至缺口的高度。

路径152允许流体158从缺口154流至处理区域134的底部，增加在保持区域的底部内的流体水平。从阻挡层间区域140流动进入处理区域134的流体体积典型地比处理区域的体积小。能够从阻挡层间区域140流动进入处理区域134的流体体积是受限制的，因为第二阻挡层138阻止流体158再充入受影响的流体承载区域。在某些实施例中，进入处理区域134的流体可以用在处理区域内的泵送/监测钻井144从处理区域泵送。在某些实施例中，进入处理区域134的流体可以使用处理区域中的组成原地转换过程系统一部分的加热器蒸发。从阻挡层间区域140吸入流体引起的冷却用于处理区域134的加热部分的恢复时间是短暂的。恢复时间可以是小于一个月、小于一星期或小于一天。

在阻挡层间区域140内的泵送/监测钻井144可以允许估计缺口154的位置。当缺口154开始形成时，从缺口附近的流体承载区域148流动进入处理区域134的流体在阻挡层间区域140内产生受影响的流体承载区域的流体水平降低的锥形。来自与缺口154相同的流体承载区域的泵送/监测钻井144的流体水平数据的时间分析可用于确定缺口的大致位置。

当第一阻挡层136的缺口154被探测到时，位于允许流体流动进入处理区域134流体承载区域内的泵送/监测钻井144可以被激励，以泵出阻挡层间区域的流体。泵出阻挡层间区域的流体减少了能够移动通过缺口154进入处理区域134的流体158的量。

缺口154可以是由于大地移动引起的。如果第一阻挡层136是由冷冻井形成的低温区域，则在第一阻挡层内缺口154处的地层温度低于阻挡层间区域140内流体158的冰点。流体158从阻挡层间区域140通过缺口154的移动可以导致缺口内的流体冻结和第一阻挡层136的自修复。

第二阻挡层的缺口可允许外部区域内的流体进入阻挡层间区域。第一阻挡层可以阻止进入阻挡层间区域的流体到达处理区域。

图6示出在双阻挡层系统132的第二阻挡层138内的缺口154。箭头156指示从第二阻挡层138的外侧通过缺口154至阻挡层间区域140的流体158的流动方向。当流体158流动通过在第二阻挡层138内的缺口154时，在缺口附近的阻挡层间区域140部分内的流体水平从开始水平160升高至等于外部区域146内相同的流体承载区域内的流体水平162之水平。在流体承载区域146内流体158的增加可以通过位于缺口154附近流体承载区域内的泵送/监测钻井144探测。

缺口154可以是由大地移动引起的。如果第二阻挡层138是通过冷冻井形成的低温区域，则在第二阻挡层内缺口154处的地层温度低于从外部区域146进入的流体的冰点。来自外部区域146的流体在缺口154内可以冻结和自修复第二阻挡层138。

双阻挡层保持系统的第一阻挡层和第二阻挡层可以通过冷冻井形成。在一个实施例中，首先形成第一阻挡层。保持第一阻挡层所需要的冷却负荷显著地小于形成第一阻挡层需要的冷却负荷。在第一阻挡层形成之后，致冷系统用于形成第一阻挡层的多余的冷却能力可用于形成第二阻挡层的一部分。在某些实施例中，首先形成第二阻挡层，以及致冷系统用于形成第二阻挡层的多余的冷却能力可用于形成第一阻挡层的一部分。在第一和第二阻挡层形成之后，通过用于形成第一阻挡层和第二阻挡层的一个或更多个致冷系统提供的多余的冷却能力可用于形成围绕待通过原地转换过程处理的下一个保持区域的一个或更多个阻挡层。

灌浆可以与冷冻井组合使用以提供用于原地转换过程的阻挡层。灌浆填充入地层内的空穴(岩孔)并减小地层的可渗透性。灌浆可以具有比填入地层空穴内的气体和/或地层流体更好的热传导性。将灌浆放置入空穴内允许较快地形成低温区域。灌浆形成在地层内的永久的阻挡层，该阻挡层可以增强地层。在非固结的或基本上非固结的地层材料内使用灌浆可以允许比不使用灌浆可能实现的更大的钻井间距。灌浆与通过冷冻井形成的低温区域的组合可以组成用于环境管理目的的双阻挡层。

灌浆可以通过冷冻井井孔引入地层。灌浆可以允许被设置。灌浆墙的整体性可以被检查。灌浆墙的整体性可以借助测井技术和/或液压静力测试检查。如果一个灌浆段的可渗透性过高，则额外的灌浆可以通过冷冻井井孔引入到地层中。在灌浆段的可渗透性充分地降低后，冷冻井可以安装到冷冻井井孔内。

灌浆在一高压，但低于地层的破坏压力下注射进入地层。在某些实施例中，灌浆在冷冻井井孔内以16m增量进行。如果希望，可以使用较大或较小的增量。在某些实施例中，灌浆仅施加至地层的某一些部分。例如，灌浆可以通过仅邻近蓄水区域和/或较高可渗透性区域(例如，具有可渗透性大于约0.1达西的区域)的冷冻井井孔施加至地层。施加灌浆至蓄水层可以防止当一个建立好的低温区域解冻时，水从一个蓄水层迁移至不同的蓄水层。

在地层内使用的灌浆可以是包括但不局限于细水泥、微细水泥、硫胶浆、硫水泥、粘性热塑性塑料或它们的组合中的任何类型的灌浆。细水泥可以是ASTM 3型波特兰水泥。细水泥比微细水泥价廉。在一个实施例中，一个冷冻井井孔成形在地层内。冷冻井井孔的选择部分使用细水泥灌浆。随后微细水泥通过冷冻井井孔注射入地层。细水泥可以将可渗透性降低至约10毫达西。微细水泥可以将可渗透性进一步降低至约0.1毫达西。在灌浆引入地层之后，冷冻井井孔的筒罐可以被插入地层。此过程可以对于将用于形成阻挡层的每个冷冻井重复进行。

在某些实施例中，细水泥被每隔一个地引导进入冷冻井井孔内。微细水泥被引导进入剩余的井孔内。例如，灌浆可用于带有设置为约5m间距的冷冻井井孔的地层内。第一井孔被钻出，并且细水泥通过该井孔引导进入地层。在第一井孔内定位有冷冻井筒罐。第二井孔在距第一井孔10m处钻出。细水泥通过第二井孔引导进入地层。在第二井孔内定位有冷冻井筒罐。第三井孔在第一井孔和第二井孔之间钻出。在某些实施例中，来自第一和/或第二井孔的灌浆可以在第三井孔的切缝内被探测到。微细水泥通过第三井孔引导进入地层。在第三井孔内定位有冷冻井筒罐。相同的程序用于形成其余的冷冻井，这些冷冻井将形成围绕处理区域的阻挡层。

本发明的各个方面的其它变型和替代实施例在技术熟练人员了解本说明后显而易见。因此，本说明应考虑仅作为示范性的，并仅用于本领域技术熟练人员以一般的方式实现本发明时的教导目的。应该理解，在文中所示和说明的本发明的形式被认为是现在优选的实施例。对于在文中所示和说明的元件和材料可以被代替，部件和过程可以修改，以及本发明的一定的特征可以单独地使用，在本领域技术熟练人员了解本发明的说明的利益之后全部将变得明显。在不脱离本发明所附权利要求书中所述本发明的精神和范围条件下，文中所述的部件可以改变。此外，应该理解，在文中独立描述的特征，在某些实施例中可以组合。

Claims

1.一种用于地下处理区域的双阻挡层系统，所述双阻挡层系统包括：

围绕地下处理区域的至少一部分形成的第一阻挡层，所述第一阻挡层构造为阻止流体排出或进入地下处理层；以及

围绕第一阻挡层的至少一部分形成的第二阻挡层，其中第一阻挡层和第二阻挡层之间存在分离空间。

2.按照权利要求1的阻挡层系统，其特征在于，第一阻挡层是通过若干冷冻井建立的冷冻阻挡层。

3.按照权利要求2的阻挡层系统，还包括通过用于形成第一阻挡层的冷冻井的至少一个冷冻井井孔引导入地层中的灌浆。

4.按照权利要求1-3中的任何一项的阻挡层系统，其特征在于，第二阻挡层是通过若干冷冻井建立的冷冻阻挡层。

5.按照权利要求4的阻挡层系统，还包括通过用于形成第二阻挡层的冷冻井的至少一个冷冻井井孔引导入地层中的灌浆。

6.按照权利要求1-5中的任何一项的阻挡层系统，其特征在于，处理区域包括含碳氢化合物的地层，并且该阻挡层系统还包括在处理区域内的多个加热器，加热器构造为加热含碳氢化合物的地层的碳氢化合物层。

7.按照权利要求1-6中的任何一项的阻挡层系统，还包括在第一阻挡层和第二阻挡层之间形成的阻挡层分段，其中，阻挡层分段构造为分隔在第一阻挡层和第二阻挡层之间的空间。

8.按照权利要求1-7中的任何一项的阻挡层系统，还包括在第一阻挡层和第二阻挡层之间的空间内的至少一个监测钻井，其中，至少一个监测钻井构造为监测第一阻挡层和/或第二阻挡层的完整性。

9.按照权利要求1-7中的任何一项的阻挡层系统，还包括在第一阻挡层和第二阻挡层之间的空间内的第一监测钻井，以及位于第一阻挡层对面的第二监测钻井，其中，第一监测钻井和第二监测钻井构造为监测第一阻挡层的整体性。

10.按照权利要求1-7中的任何一项的阻挡层系统，还包括在第一阻挡层和第二阻挡层之间的空间内的第一监测钻井，以及位于第二阻挡层外侧的第二监测钻井，其中，第一监测钻井和第二监测钻井构造为监测第二阻挡层的整体性。

11.建立按照权利要求1-8中的任何一项的双阻挡层的方法，所述方法包括：

围绕地下处理区域的至少一部分形成第一阻挡层；以及

围绕第一阻挡层形成第二阻挡层，其中，一个空间存在于第一阻挡层和第二阻挡层之间。

12.按照权利要求11的方法，还包括在第一阻挡层和第二阻挡层之间形成一个或更多个阻挡层分段，以将在第一阻挡层和第二阻挡层之间的空间分隔成为不同的部分。

13.按照权利要求12的方法，还包括监测所述部分中的一个或更多个，以监测第一阻挡层和/或第二阻挡层的整体性。

14.按照权利要求11-13中的任何一项的方法，还包括加热地下处理区域内的碳氢化合物。

15.按照权利要求11-14中的任何一项的方法，还包括降低在第一阻挡层和第二阻挡层之间的空间内水的盐度。

16.按照权利要求11-15中的任何一项的方法，还包括监测该空间以监测第一阻挡层和/或第二阻挡层的整体性。

17.按照权利要求11-16中的任何一项的方法，还包括将灌浆引导入地层中。

18.包括从地下地层产生的碳氢化合物的合成物，所述地下地层包括按照权利要求1-10中的任何一项的双阻挡层系统，或包括使用按照权利要求11-17中的任何一项的方法形成的双阻挡层。

19.一种由按照权利要求18的合成物制成的包括碳氢化合物的运输燃料。