JP2009512798A - 熱電併給システム及び炭化水素含有地層の処理方法 - Google Patents

Abstract

【課題】炭化水素含有地層から炭化水素、水素等を経済的に製造するスステムを提供すること。
【解決手段】炭化水素含有地層(２１２)の処理システムは水蒸気・電気併給設備(２１８）を備える。地層の第一部分には、前記併給設備からの水蒸気を該第一部分に供給するように構成された少なくとも１つの注入坑井（２１６）を配置する。前記第一部分には、第一の炭化水素を製造するように構成された少なくとも１つの製造坑井（２０６Ａ）を配置する。地層の第一部分及び／又は第二部分には、前記併給設備からの電気により出力するように構成された少なくとも１つの電気ヒーター（２１４）を配置する。地層の第一部分及び／又は第二部分には、第二の炭化水素を製造するように構成された少なくとも１つの製造坑井を配置する。前記併給設備は、第一炭化水素及び／又は第二炭化水素を用いて発電するように構成される。
【選択図】図３

Description

背景
１． 発明の分野
本発明は、一般に炭化水素含有地層のような各種地表下地層から炭化水素、水素、及び／又はその他の生成物を製造する方法及びシステムに関する。特に特定の実施態様は、水蒸気・電気併給設備と、炭化水素含有地層の水蒸気注入回収及び現場処理との組合わせ使用に関する。

２． 関連技術の説明
地下地層から得られる炭化水素は、エネルギー資源、供給原料、及び消費製品として使用されることが多い。有用な炭化水素資源の枯渇に対する関心及び製造される炭化水素の全体的品質低下に対する関心から、一層効率的な回収、処理、及び／又は有用な炭化水素資源の使用方法が発展してきた。現場方法を用いて地下地層から炭化水素材料を取出すことができる。地下地層から炭化水素材料を一層容易に取出すには、地下地層中の炭化水素材料の化学的、及び／又は物理的特性を変化させる必要があるかも知れない。化学的、及び／又は物理的変化としては、移動可能な流体を生成する現場反応、地層中の炭化水素の組成変化、溶解度変化、密度変化、相変化、及び／又は粘度変化が挙げられる。流体は、限定されるものではないが、ガス、液体、エマルジョン、スラリー、及び／又は液体流と同様な流れ特性を有する固体粒子の流れであってよい。

北米、南米、アフリカ及びアジアには、地層中の炭化水素が比較的透過できる地層（例えばタールサンド）に含まれる重質炭化水素（重油及び／又はタール）の大きな堆積が発見されている。タールは露天掘りして、重油、ナフサ、ケロシン及び／又はガス油のような軽質炭化水素に品質向上できる。表面混練（milling）法により、タールサンドから更にビチュメンを分離できる。分離したビチュメンは、従来の製油法を用いて軽質炭化水素に転化できる。採鉱用及び品質向上用（upgrading）タールサンドは、従来の油層から軽質炭化水素を製造するよりも、通常、実質的に高価である。

タールサンドからの炭化水素の現場製造は、地層を加熱する、及び／又は地層にガスを注入して行なえる。Ｏｓｔａｐｏｖｉｃｈ等の米国特許５，２１１，２３０及びＬｅａｕｔｅの同５，３３９，８９７には、油保持油層中に配置した水平製造坑井が記載されている。垂直導管を使用して、現場配合のため、油層中に酸化剤ガスを注入できる。
Ｌｊｕｎｇｓｔｒｏｍの米国特許２，７８０，４５０には、ビチュメン地質の地層を現場で加熱して、液体タール状物質を油及びガスに転化又は分解することが記載されている。
Ｗａｒｅ等の米国特許４，５９７，４４１には油、熱、及び水素を油層中で同時に接触させることが記載されている。水素化は、油層からの油の回収を促進できる。

Ｇｌａｎｄｔの米国特許５，０４６，５５９及びＧｌａｎｄｔ等の同５，０６０，７２６には、注入坑井と製造坑井間のタールサンド地層の一部を予熱することが記載されている。注入坑井から地層中に水蒸気を注入して、製造坑井で炭化水素を製造できる。
米国特許５，２１１，２３０ 米国特許５，３３９，８９７ 米国特許２，７８０，４５０ 米国特許４，５９７，４４１ 米国特許５，０４６，５５９ 米国特許５，０６０，７２６

以上、概説したように、炭化水素含有地層から炭化水素、水素及び／又はその他の生成物を経済的に製造する方法、スステムを開発するには、かなりの努力を要していた。炭化水素含有地層から水蒸気注入、現場熱処理の両方法を用いて炭化水素を製造すると、炭化水素含有地層からの炭化水素の合計回収率は向上する可能性がある。両方法を併用すると、どちらか一方の方法を単独で用いるよりも一層経済的となり得る。

概要
ここに記載した実施態様は一般に、地表下地層を処理する方法、システム及びヒーターに関する。また、ここに記載した実施態様は一般に、新規な構成成分を有するヒーターに関する。このようなヒーターは、ここに記載したシステム、方法を用いて得られる。

特定の実施態様では、本発明は水蒸気・電気併給設備；炭化水素含有地層の第一部分に配置され、該水蒸気・電気併給設備からの水蒸気を該第一部分に供給するように構成された少なくとも１つの注入坑井；該地層の第一部分に配置され、第一の炭化水素を製造するように構成された少なくとも１つの製造坑井；該地層の第一部分及び／又は該地層の第二部分に配置され、該水蒸気・電気併給設備からの電気により出力するように構成された少なくとも１つの電気ヒーター；該地層の第一部分及び／又は該地層の第二部分に配置され、第二の炭化水素を製造するように構成された少なくとも１つの製造坑井；を備えると共に、該水蒸気・電気併給設備は、該第一炭化水素及び／又は該第二炭化水素を用いて発電するように構成された、炭化水素含有地層の処理システムを提供する。

幾つかの実施態様では本発明は、炭化水素含有地層の第一部分に水蒸気を供給する工程、該地層の第一部分から第一の炭化水素を製造する工程、該地層の第一部分及び／又は該地層の第二部分に１つ以上のヒーターから熱を供給する工程、該供給熱をヒーターから地層の第一部分及び／又は地層の第二部分に伝達する工程、該地層の第二部分から第二の炭化水素を製造する工程、及び該第一炭化水素及び／又は該第二炭化水素を、地層の第一部分には水蒸気を供給すると共に、ヒーターには電気を供給する水蒸気・電気併給設備に使用する工程、
を含む、炭化水素含有地層の処理方法を提供する。

別の実施態様では、特定の実施態様の特徴を他の実施態様の特徴と組合わせてよい。例えば、一実施態様の特徴を他の実施態様のいずれか１つの特徴と組合わせてよい。
別の実施態様では地表下地層の処理は、ここに記載した方法、システム又はヒーターのいずれかを用いて行なわれる。
別の実施態様では追加の特徴をここに記載した特定の実施態様に追加してよい。

図面の簡単な説明
本発明の利点は、以下の詳細な説明により、また添付図面を参照すれば、当業者に明らかとなり得る。
図１は、炭化水素含有地層の加熱段階を示す。
図２は、炭化水素含有地層を処理する現場熱処理システムの一部の実施態様の概略図である。
図３は、炭化水素含有地層から炭化水素を製造する実施態様を示す。

本発明は各種の変形及び代替形態に影響を受け易いが、それらの特定の実施態様を図面で例示し、ここで詳細に説明できる。図面は、物差しで測定できない。しかし、図面及び図面についての詳細な説明は、本発明の限定を意図するものではなく、却って本発明は、添付の特許請求の範囲で定義された本発明の精神及び範囲に含まれる全ての変形、均等物及び代替物を包含するものであると理解すべきである。

詳細な説明
以下の説明は、一般に地層中の炭化水素を処理するシステム及び方法に関する。このような地層は、炭化水素生成物、水素、その他の生成物を生成させるために処理できる。
“炭化水素”は、主として炭素及び水素で形成された分子として定義される。炭化水素は、限定されるものではないが、ハロゲン、金属元素、窒素、酸素及び／又は硫黄のような他の元素を含有してもよい。炭化水素は、限定されるものではないが、ケロジェン、ビチュメン、ピロ（pyro）ビチュメン、油、天然鉱物蝋及びアスファルト鉱であってよい。炭化水素は、地球の鉱物基盤中又はその近くに定着している可能性がある。基盤としては、限定されるものではないが、堆積岩、砂、シリシライト（silicilyte）、炭酸塩、珪藻土、その他の多孔質媒体が挙げられる。“炭化水素流体”は、炭化水素を含有する流体である。炭化水素流体は、水素、窒素、一酸化炭素、二酸化炭素、硫化水素、水及びアンモニアのような非炭化水素流体を含有又は連行してもよいし、非炭化水素流体に連行されていてもよい。

“地層”は、１種以上の炭化水素含有層（炭化水素を含有する１種以上の層）、１種以上の非炭化水素層、上層土（overburden）、及び／又は下層土（underburden）を含有する。“上層土”及び／又は“下層土”は、１種以上の異なる不透過性材料を含有する。例えば“上層土”及び／又は“下層土”としては、岩、頁岩、泥岩、又は湿潤／緻密炭酸塩が挙げられる。現場熱処理法の幾つかの実施態様では、上層土及び／又は下層土は、比較的不透過性で、上層土及び／又は下層土の炭化水素含有層に大きな特性変化をもたらす現場熱処理プロセス中の温度に屈服しない１種以上の炭化水素含有層を含有してよい。例えば上層土は頁岩又は泥岩を含有し得るが、下層土は、現場熱処理プロセス中の熱分解温度に加熱されない。幾つかの例では、上層土及び／又は下層土は、若干透過性である。

“地層流体”とは、地層中に存在する流体のことで、熱分解流体、合成ガス、流動化（mobilized）流体、粘度低減化（visbroken）流体及び水（水蒸気）が挙げられる。地層流体は炭化水素流体であっても非炭化水素流体であってもよい。流動化流体とは、地層を熱処理した結果、流動可能となった炭化水素含有地層中の流体のことである。“粘度低減化流体”とは、地層を熱処理した結果、粘度が低下した流体のことである。

“製造又は生成した流体”とは、地層から取出した流体のことである。
“熱源”は、実質的に導電性及び／又は放射性熱伝達により地層の少なくとも一部に熱を与えるシステムである。熱源としては、例えば絶縁した導電体、長い部材（elongated member）、及び／又は導管中に配置した導電体のような電気ヒーターが挙げられる。熱源としては、地層中又は地層外部の燃料を燃焼させて、熱を発生するシステムであってもよい。このようなシステムは、表面バーナー、下降孔（downhole）ガスバーナー、無炎分配燃焼器、及び自然分配燃焼器であってもよい。幾つかの実施態様では、１種以上の熱源で供給され、又は発生した熱は、他のエネルギー源で供給できる。他のエネルギー源は、地層を直接加熱できるか、或いはこのエネルギーは、地層を直接又は間接的に加熱する伝達媒体に供給してよい。地層を加熱する熱源は、異なるエネルギー源を使用できると理解すべきである。したがって、例えば所定の地層に、幾つかの熱源は電気抵抗ヒーターから供給できるし、幾つかの熱源は燃焼熱を供給できるし、また幾つかの熱源は１種以上の他のエネルギー源（例えば化学反応、太陽エネルギー、風エネルギー、バイオマス、又はその他の更新可能なエネルギー）から熱を供給できる。化学反応としては、発熱反応（例えば酸化反応）がある。熱源は、ヒーター坑井のような加熱場所に近い、及び／又は加熱場所を囲む帯域に熱を供給するヒーターであってもよい。

“ヒーター”は、坑井又は近くの坑井孔領域に熱を発生するシステム又は熱源である。ヒーターは、限定されるものではないが、電気ヒーター、バーナー、地層中又は地層から生成した材料と反応する燃焼器、及び／又はそれらの組合わせであってよい。
“現場熱処理法”とは、炭化水素含有地層中に流動化流体、粘度低減化流体、及び／又は熱分解流体が生成するように、地層の少なくとも一部を、流動化流体、炭化水素含有材料の粘度低減化（visbreaking）、及び／又は熱分解が生じる温度より高い温度に上がるまで、炭化水素含有地層を熱源で加熱する方法のことである。
“温度制限ヒーター”とは、一般に温度調節器、出力レギュレーター、整流器、又はその他の装置のような外部制御を用いずに、熱出力を調整する（例えば熱出力を低下させる）ヒーターのことである。温度制限ヒーターは、ＡＣ（交流）又はＤＣ（直流）で出力される電気抵抗ヒーターであってよい。

用語“坑井孔”とは、地層中に導管を穿孔又は挿入して作った地層中の孔のことである。坑井孔は、ほぼ円形の断面又は他の断面形状を有する。ここで、地層の開口に関して使用した用語“坑井”及び“開口”は、用語“坑井孔”と交換可能に使用できる。
“ｕ形坑井孔”とは、地層の第一開口から伸びて、地層の少なくとも一部を経由し、地層の第二開口経由で出る坑井孔のことである。これに関連して坑井孔は、単に大凡“ｖ”又は“ｕ”の形状であって、“ｕ”の脚が 、“ｕ”形とみなされる坑井孔の“ｕ”底部に対し互いに平行か、或いは垂直である必要はないと理解する。

“粘度低減化”とは、熱処理中の流体に分子の絡み合いを解いて、及び／又は熱処理中、大きい分子から小さい分子に破壊して、流体の粘度を低下させることである。
“熱分解”は、加熱により化学結合を破壊することである。熱分解は、例えば１つの化合物を熱単独で１種以上の他の化合物に変成することである。熱は、地層の或る部分に伝達させて、熱分解を起こすことができる。

“熱分解流体”又は“熱分解生成物”とは、ほぼ炭化水素の熱分解中に製造又は生成した流体のことである。熱分解反応で生成した流体は、地層中の他の流体と混合してよい。この混合物は、熱分解流体又は熱分解生成物とみなされる。ここで使用した“熱分解帯域”とは、反応するか、又は反応して熱分解流体を生成する或る容積の地層（例えばタールサンド地層のような比較的透過性のある地層）のことである。
“分解”とは、有機化合物の分解及び再結合により初期に存在していた分子の数よりも多い分子を生成する方法のことである。分解では、分子間の水素原子の移動を伴う一連の反応が起こる。例えばナフサは、熱分解反応を受けてエチレン及びＨ_２を形成できる。

“熱の重なり”とは、２つ以上の熱源間の少なくとも１箇所の地層の温度が、これらの熱源により影響を受けるように、地層の選択された部分に２つ以上の熱源から熱を供給することである。
“流体圧力”は、地層中の流体により発生した圧力である。“岩石（litho）静圧”（時には“岩石応力”という）は、上に乗った（overlying）岩石塊の単位面積当たりの重量に等しい地層内の圧力である。“静水圧”は、水の柱（column）により示される地層内の圧力である。
“ＡＰＩ比重”とは、１５．５℃（６０°F）でのＡＰＩ比重のことである。ＡＰＩ比重はＡＳＴＭ法Ｄ６８２２により測定される。
層の“厚さ”とは、層の断面の厚さのことで、断面は、普通、層の面に対してである。

“重質炭化水素”は粘稠な炭化水素流体である。重質炭化水素としては、重油、タール、及び／又はアスファルトのような高粘稠な炭化水素が挙げられる。重質炭化水素は、炭素及び水素、並びに低濃度の硫黄、酸素及び窒素を含有してよい。重質炭化水素には別の元素が痕跡量含まれてもよい。重質炭化水素は、ＡＰＩ比重により分類でき、一般に約２０°未満のＡＰＩ比重を有する。重油のＡＰＩ比重は、例えば一般に約１０〜２０°であるのに対し、タールのＡＰＩ比重は約１０°未満である。重質炭化水素の粘度は一般に１５℃で１００ｃＰを超える。重質炭化水素は、芳香族又はその他の複合環炭化水素を含有してよい。

重質炭化水素は、比較的透過性の地層で発見できる。比較的透過性の地層は、例えば砂又は炭酸塩中に連行された重質炭化水素を含有してよい。“比較的透過性”は、地層又はその部分について、平均１０ミリダルシー（millidarcy）以上（例えば１０又は１００ミリダルシー）と定義する。“比較的低い透過度”は、地層又はその部分について、平均１０ミリダルシー未満と定義する。１ダルシーは約０．９９μｍ^２に等しい。不透過層の透過度は、一般に約０．１ミリダルシー未満である。

“タール”は、１５℃での粘度が約１０，０００ｃＰを超える粘稠な炭化水素である。タールの比重は、一般に１．０００を超える。タールのＡＰＩ比重は、１０°未満であってよい。
“タールサンド地層”は、炭化水素が大部分、重質炭化水素の形態で存在する地層である、及び／又は鉱物粒組織（framework）又はその他の宿主岩石（host lithology）（例えば砂又は炭酸塩）中に連行されたタールである。タールサンド地層の例としては、カナダ、ＡｌｂｅｒｔａのＡｔｈａｂａｓｃａ地層、Ｇｒｏｓｍｏｎｔ地層及びＰｅａｃｅ Ｒｉｖｅｒ地層；及びベネゼラのＯｒｉｍｏｃｏ地帯にあるＦａｊａ地層がある。

或る場合には比較的透過性の地層の一部又は全部は、大部分、重質炭化水素及び／又は担持されていない鉱物粒組織及び単に浮遊する鉱物物質（例えばアスファルトケーキ）であってよい。
重質炭化水素を含む特定種類の地層としては、限定されるものではないが、天然鉱物蝋又は天然アスファルト鉱が挙げられる。“天然鉱物蝋”は、通常、幅数メートル、長さ数キロ、深さ数百メートルの可能性があるほぼ管状鉱脈に産出する。“天然アスファルト鉱”は、芳香族組成の固体炭化水素を含有し、通常、大きな鉱脈に産出する。天然鉱物蝋及び天然アスファルト鉱のような地層から炭化水素の現場回収法には、溶融による炭化水素の形成及び／又は地層からの炭化水素の溶液採鉱がある。

“品質向上”とは、炭化水素の品質を向上させることである。例えば重質炭化水素を品質向上すると、重質炭化水素のＡＰＩ比重が増大する。

地層中の炭化水素は、多数の異なる生成物を製造する各種の方法で処理できる。特定の実施態様では、地層中の炭化水素は段階的に処理される。図１は、炭化水素含有地層の段階的加熱を示す。また図１は、地層からの地層流体（y軸）１トン当たり油当量の収率（バレル）（“Ｙ”）対加熱地層の温度（℃）（“Ｔ”）の一例を示す。

段階１の加熱中にメタンの脱着及び水の蒸発が起こる。段階１中の地層の加熱は、できるだけ迅速に行なってよい。例えば炭化水素含有地層を最初に加熱すると、地層中の炭化水素は吸着メタンを脱着する。地層から脱着メタンが製造できる。炭化水素含有地層を更に加熱すると、炭化水素含有地層中の水は蒸発する。幾つかの炭化水素含有地層では水の含有量は地層の孔容積の１０〜５０％を占める可能性がある。他の地層では水は、孔容積の更に大きな部分又は更に小さい部分を占める。水は、通常、地層温度１６０〜２８５℃、絶対圧６００〜７０００ｋＰａで蒸発する。幾つかの実施態様では、生成水は地層の湿潤性を変化させ、及び／又は地層圧を増大させる。このような湿潤性変化、及び／又は圧力増大は、地層中の熱分解反応又はその他の反応に影響を与える可能性がある。特定の実施態様では、地層から蒸発水が生成する。他の実施態様では蒸発水は、地層中又は地層外で水蒸気抽出及び／又は蒸留に使用される。地層から水を除去して地層の孔容積を増大させると、孔容積内の炭化水素の貯蔵空間を増大させる。

特定の実施態様では段階１の加熱後、地層中の温度が（少なくとも一部）初期熱分解温度（例えば段階２として示す温度範囲の下端の温度）に達するように、地層は更に加熱される。地層中の炭化水素は段階２中に熱分解できる。熱分解温度としては、２５０〜９００℃の温度が挙げられる。所望の生成物を製造するための熱分解温度範囲は、全体の熱温度範囲の一部だけから広げてよい。幾つかの実施態様では、所望の生成物を製造するための熱分解温度範囲としては、２５０〜４００℃又は２７０〜３５０℃の温度が挙げられる。地層中の炭化水素の温度を２５０〜４００℃の範囲で徐々に上昇させた場合、４００℃の温度に近づくと、熱分解生成物の製造はほぼ完全に終了できる。炭化水素の平均温度は、所望生成物を製造するための熱分解温度範囲内で、１日当たり５℃未満、２℃未満、１℃未満、又は０．５℃未満の速度で上昇できる。炭化水素含有地層を複数の熱源で加熱すると、熱分解温度範囲内で地層中の炭化水素の温度を徐々に上昇させる熱源周囲の熱勾配を確立できる。

所望生成物用の熱分解温度範囲内での温度上昇の速度は、炭化水素含有地層から生成する地層流体の品質及び量に影響を与えるかも知れない。所望生成物用の熱分解温度範囲内で温度を徐々に上昇させると、地層中の大きな鎖状分子の流動化を阻止できる。所望生成物用の熱分解温度範囲内で温度を徐々に上昇させると、所望としない生成物を製造する流動化炭化水素間の反応を制限できる。所望生成物用の熱分解温度範囲内で地層の温度を徐々に上昇させると、地層から高品質で高ＡＰＩ比重の炭化水素を製造することが可能である。所望生成物用の熱分解温度範囲内で地層の温度を徐々に上昇させると、炭化水素生成物として地層中に存在する炭化水素を多量に取出すことが可能である。

現場熱処理についての幾つかの実施態様では、地層の一部を、温度範囲内で徐々に昇温する代りに、所望温度に加熱する。幾つかの実施態様では所望温度は３００℃、３２５℃又は３５０℃である。所望温度として、その他の温度も選択できる。複数の熱源から熱を重ねると、地層中に比較的早く、かつ効率的に所望温度を確立することができる。熱源からの地層へのエネルギー入力は、地層の温度をほぼ所望温度に維持するように調節してよい。地層の加熱部分は、地層からの所望の地層流体の製造が不経済になるように熱分解が低下するまで、ほぼ所望温度に維持される。熱分解を受けた地層部分は、唯一の熱源からの熱伝達により熱分解の温度範囲となった領域を含んでよい。

特定の実施態様では熱分解流体を含む地層流体は、地層から製造される。地層の温度が上昇するのに従って、製造した地層流体中には凝縮性炭化水素の量は減少する可能性がある。高温では地層は、殆どメタン及び／又は水素を生成する。炭化水素含有地層を熱分解の全温度範囲内で加熱すれば、地層は、熱分解温度範囲の上限までは少量の水素しか生成しない可能性がある。全ての得られる水素が枯渇した後、地層からは、通常、極小量の地層流体が生じる。

炭化水素の熱分解後、地層にはなお大量の炭素及び若干量の水素が存在する可能性がある。地層に残存する炭素のかなりの部分は、合成ガスの形態で地層から製造できる。合成ガスの発生は、図１に示す段階３の加熱中に起こる可能性がある。段階３は、炭化水素含有地層を、合成ガスを発生するのに充分な温度に加熱する工程であってよい。例えば合成ガスは、約４００〜約１２００℃、約５００〜約１１００℃、約５５０〜約１０００℃の温度範囲で製造できる。合成ガス発生用流体を地層に導入する際の地層の加熱部分の温度は、地層に生成する合成ガスの組成を決定する。発生した合成ガスは、製造坑井経由で地層から取出すことができる。

地層から製造された流体の合計エネルギー含有量は、熱分解及び合成ガスの発生中、比較的一定に留まる可能性がある。比較的低い地層温度での熱分解中、製造された流体のかなりの部分は、エネルギー含有量の多い凝縮性炭化水素であってよい。しかし、高い熱分解温度では地層流体は、余り凝縮性炭化水素を含有しないかも知れない。地層からは多くの非凝縮性炭化水素が製造できる。製造された流体の単位容積当たりのエネルギー含有量は、大部分、非凝縮性炭化水素地層流体の生成中は僅かに低下する可能性がある。合成ガスの発生中は、製造された合成ガスの単位容積当たりのエネルギー含有量は、熱分解流体のエネルギー含有量に比べて、著しく減少する。しかし、合成ガスの製造量（容量）は、多くの例では実質的に増大し、これにより、エネルギー含有量の減少を補償する。

図２は、炭化水素含有地層を処理するための現場熱処理システムの一部の実施態様の概略図である。現場熱処理システムは、障壁坑井２００を有する。障壁坑井は、処理領域の周囲に障壁を形成するために使用される。この障壁は流体流が処理領域内及び／又は処理領域外に入るのを阻止する。障壁坑井としては、限定されるものではないが、水除去性坑井、真空坑井、捕獲坑井、注入坑井、グラウト坑井、凍結坑井、又はそれらの組合わせが挙げられる。幾つかの実施態様では、障壁坑井２００は水除去性坑井である。水除去性坑井は、液体水を除去できる、及び／又は液体水の加熱すべき地層又は地層部分に入るのを阻止できる、図２に示す実施態様では、障壁坑井２００は、熱源２０２の片側沿いにだけ延びているが、通常、障壁坑井は、地層の処理領域を加熱するために、使用されるか又は使用すべき熱源を全て囲っている。

熱源２０２は地層の少なくとも一部に配置される。熱源２０２としては、絶縁導電体、導管中の導電体ヒーター、表面バーナー、無炎分配燃焼器、及び／又は自然分配燃焼器のようなヒーターが挙げられる。熱源２０２は、他種のヒーターであってもよい。熱源２０２は、地層中の炭化水素を加熱するため、地層の少なくとも一部に熱を与える。供給ライン２０４経由で熱源２０２にエネルギーを供給してもよい。供給ライン２０４は、地層の加熱に使用する熱源の種類に依存して、構造的に異なっていてもよい。熱源用供給ライン２０４は、電気ヒーター用の電気を伝達できるか、燃焼器用の燃料を輸送できるか、或いは地層に循環させる熱交換流体を輸送できる。

製造坑井２０６は、地層から地層流体を取出すために使用される。幾つかの実施態様では、製造坑井２０６は熱源を備える。製造坑井中の熱源は、この製造坑井での又は製造坑井近くの地層の１つ以上の部分を加熱できる。現場熱処理法の幾つかの実施態様では、製造坑井から地層に供給される製造坑井１ｍ当たりの熱量は、地層を加熱する熱源から地層に供給される熱源１ｍ当たりの熱量よりも少ない。

製造坑井２０６から製造された地層流体は、収集配管２０８経由で処理設備２１０に輸送してよい。地層流体は熱源２０２からも製造できる。例えば熱源近くの地層中の圧力を制御する熱源２０２から製造できる。熱源２０２から製造された流体は、配管経由で収集配管２０８に輸送するか、或いは配管経由で直接、処理設備２１０に輸送してよい。処理設備２１０としては、分離ユニット、反応ユニット、品質高向上ユニット、燃料電池、タービン、貯蔵容器、及び／又はその他、製造された地層流体を処理するためのシステム又はユニットが挙げられる。処理設備は、地層で製造された炭化水素の少なくとも一部から輸送用燃料を形成できる。幾つかの実施態様では、輸送用燃料は、ＪＰ−８のようなジェット燃料であってよい。

図３は、炭化水素含有地層（例えばタールサンド地層）から炭化水素を製造する実施態様を示す。炭化水素層２１２は、重質炭化水素を含有する１つ以上の部分を有する。炭化水素は１種以上の方法を用いて炭化水素層２１２から製造できる。特定の実施態様では、炭化水素層２１２の第一部分からは水蒸気注入法（例えば環状水蒸気注入又は水蒸気で促進した比重排出）を用いて、また炭化水素層の第一部分からは現場熱処理法を用いて、炭化水素が製造される。水蒸気注入法では水蒸気は、注入坑井２１６経由で炭化水素層２１２の第一部分に注入される。第一炭化水素は、製造坑井２０６Ａ経由で第一部分から製造される。第一炭化水素は、水蒸気の注入によって流動化した炭化水素を含有する。特定の実施態様では第一炭化水素のＡＰＩ比重は、１５°以下、１０°以下、８°以下、又は６°以下である。

ヒーター２１４は、炭化水素層２１２の第二部分を、流動化温度、粘度低減化温度、及び／又は熱分解温度に加熱するのに使用される。第二炭化水素は、製造坑井２０６Ｂ経由で第二部分から製造される。幾つかの実施態様では第二炭化水素は、少なくとも若干の熱分解生成物を含有する。特定の実施態様では第二炭化水素のＡＰＩ比重は、１５°以上、２０°以上、又は２５°以上である。幾つかの実施態様では炭化水素層２１２の第一部分は、水蒸気注入処理後、ヒーターを用いて処理される。ヒーターは、第一部分の温度を上げるため、及び／又は現場熱処理法を用いて第一部分を処理するために使用できる。第二炭化水素（少なくとも若干の熱分解生成物を含有する）は、製造坑井２０６Ａ経由で第一部分から製造できる。

幾つかの実施態様では炭化水素層２１２の第二部分は、ヒーター２１４を用いて第二部分を処理する前に、水蒸気注入法を用いて処理される。水蒸気注入法は、幾つかの流体（例えば第一炭化水素又は水蒸気注入で流動化した炭化水素）を第二部分から製造坑井２０６Ｂ経由で製造するため、及び／又はヒーター２１４を使用する前に第二部分を加熱するために使用できる。幾つかの実施態様では水蒸気注入法は、ヒーター２１４を用いて第一部分及び／又は第二部分を処理した後で使用できる。両方法によ炭化水素を製造すると、炭化水素層２１２からの炭化水素の合計回収率が向上し、どちらか一方の方法を単独で用いるよりも一層経済的となる可能性がある。幾つかの実施態様では、第一部分は、水蒸気注入法の終了後、現場熱処理法で処理される。例えば水蒸気注入法が第一部分から炭化水素をもはや実用（vial）量、生成しなくなった後は、現場熱処理法を第一部分に使用してよい。

水蒸気は設備２１８から注入坑井２１６に供給される。設備２１８は水蒸気・電気併給設備である。設備２１８は、発電機中で炭化水素を燃焼させて発電できる。設備２１８は、ガス状及び／又は液体炭化水素を燃焼させて発電できる。発生した電気は、ヒーター２１４の電力を供給するのに使用される。発電機の廃熱は水蒸気の製造に使用される。幾つかの実施態様では、地層に熱を供給するのに使用されるヒーターがガスを使用するものであれば、地層から製造された炭化水素の若干は、ヒーター２１４用のガスを供給するのに使用される。設備２１８で生成した電気及び水蒸気の量は、炭化水素層２１２の第一部分及び／又は第二部分から製造される炭化水素の製造速度及び／又は品質を変化させるように制御できる。第一部分及び／又は第二部分から製造される炭化水素の製造速度及び／又は品質は、第一炭化水素と第二炭化水素とのブレンドで作られる混合物の選択されたＡＰＩ比重が得られるように変化できる。第一炭化水素及び第二炭化水素は、製造後、選択されたＡＰＩ比重が得られるようにブレンドできる。第一部分及び／又は第二部分の製造量は、第一炭化水素、第二炭化水素のいずれか、及び／又は第一炭化水素と第二炭化水素との混合物の市場（marketplace）の変化に応じて変化できる。

製造坑井２０６Ａから製造された第一炭化水素及び／又は製造坑井２０６Ｂから製造された第二炭化水素は、設備２１８用の燃料として使用できる。幾つかの実施態様では第一炭化水素及び／又は第二炭化水素は、設備２１８用の燃料として使用する前に、処理（例えば望ましくない生成物の除去）される。設備２１８用の燃料として使用される第一炭化水素及び／又は第二炭化水素の量は、例えば全プロセスでの経済性、第一又は第二炭化水素のいずれかの市場性、第一又は第二炭化水素のいずれかに使用される処理設備の利用可能性、及び／又は第一又は第二炭化水素のいずれかに利用できる輸送設備によって決定できる。幾つかの実施態様では炭化水素層２１２から製造された炭化水素ガスの殆ど又は全部は、設備２１８用の燃料として使用される設備２１８中で炭化水素ガスを全て燃焼させれば、炭化水素層２１２から製造されたガスを処理、及び／又は輸送する必要がなくなる。

製造した第一炭化水素及び第二炭化水素は、設備２２０中で処理、及び／又はブレンドできる。幾つかの実施態様では第一及び第二炭化水素は、パイプライン経由で輸送可能な混合物を作るため、ブレンドされる。第一及び第二炭化水素の製造量は、複数炭化水素の処理及び／又はブレンドに対する要件の変化に基づいて変化できる。幾つかの実施態様では処理した炭化水素は設備２１８で使用される。

以上の説明から本発明の各種面での更なる改変及び代替実施態様を使用できることは当業者には明らかである。したがって、以上の説明は単に例証と解釈すべきであり、当業者に本発明を実施する一般的な方法を教示する目的のためである。ここに示し説明した本発明の形態は、現在の好ましい実施態様として受取るものと理解すべきである。構成要素及び材料は、ここで例証し、説明したものに取替え可能であり、部品及び方法は取替え可能であり、また本発明の特定の特徴は、独立に利用可能である。これらは全て本発明についての以上の説明の利益を享受した後、当業者には明らかであろう。特許請求の範囲に記載した本発明の精神及び範囲を逸脱しない限り、以上説明した構成要素に変化を行うことは可能である。更に、ここで説明した特徴は、特定の実施態様において組合わせ可能であると理解すべきである。

炭化水素含有地層の加熱段階を示す。 炭化水素含有地層を処理する現場熱処理システムの一部の実施態様の概略図である。 炭化水素含有地層から炭化水素を製造する実施態様を示す。

符号の説明

２００ 障壁坑井
２０２ 熱源
２０４ 供給ライン
２０６ 製造坑井
２０６Ａ 製造坑井
２０６Ｂ 製造坑井
２０８ 収集配管
２１０ 処理設備
２１２ 炭化水素含有地層又は炭化水素層
２１４ 電気ヒーター
２１６ 注入坑井
２１８ 水蒸気・電気併給設備
２２０ 処理設備

Claims (23)

1. 水蒸気・電気併給設備；
   炭化水素含有地層の第一部分に配置され、該水蒸気・電気併給設備からの水蒸気を該第一部分に供給するように構成された少なくとも１つの注入坑井；
   該地層の第一部分に配置され、第一の炭化水素を製造するように構成された少なくとも１つの製造坑井；
   該地層の第一部分及び／又は該地層の第二部分に配置され、該水蒸気・電気併給設備からの電気により出力するように構成された少なくとも１つの電気ヒーター；
   該地層の第一部分及び／又は該地層の第二部分に配置され、第二の炭化水素を製造するように構成された少なくとも１つの製造坑井；
   を備えると共に、該水蒸気・電気併給設備は、該第一炭化水素及び／又は該第二炭化水素を用いて発電するように構成された、炭化水素含有地層の処理システム。
2. 前記設備が、炭化水素を使用して電気を生成するように構成された請求項１に記載のシステム。
3. 前記設備が、炭化水素を使用して水蒸気を製造するように構成された請求項１又は２に記載のシステム。
4. 第一炭化水素のＡＰＩ比重が１５°以下である請求項１〜３のいずれか１項に記載のシステム。
5. 第二炭化水素のＡＰＩ比重が２０°以上である請求項１〜４のいずれか１項に記載のシステム。
6. 前記システムが、第一炭化水素の少なくとも一部と第二炭化水素の少なくとも一部とを混合するように構成された請求項１〜５のいずれか１項に記載のシステム。
7. 前記システムが、電気の発生量及び水蒸気の製造量を変化して、第一炭化水素及び／又は第二炭化水素の製造量を変化するように構成された請求項１〜６のいずれか１項に記載のシステム。
8. 前記システムが、第一炭化水素及び／又は第二炭化水素を水蒸気・電気併給設備に使用する前に、第一炭化水素及び／又は第二炭化水素を処理するための処理設備を更に備える請求項１〜７のいずれか１項に記載のシステム。
9. 前記システムが、地層の第二部分に配置され、かつ水蒸気・電気併給設備からの水蒸気を該第二部分に供給するように構成された少なくとも１つの注入坑井を更に備える請求項１〜８のいずれか１項に記載のシステム。
10. 水蒸気・電気併給設備が、ガス状及び液体の両炭化水素を燃焼するように構成された請求項１〜９のいずれか１項に記載のシステム。
11. 炭化水素含有地層の第一部分に水蒸気を供給する工程、
    該地層の第一部分から第一の炭化水素を製造する工程、
    該地層の第一部分及び／又は該地層の第二部分に１つ以上のヒーターから熱を供給する工程、
    該供給熱をヒーターから地層の第一部分及び／又は地層の第二部分に伝達する工程、
    該地層の第二部分から第二の炭化水素を製造する工程、及び
    該第一炭化水素及び／又は該第二炭化水素を、地層の第一部分には水蒸気を供給すると共に、ヒーターには電気を供給する水蒸気・電気併給設備に使用する工程、
    を含む、請求項１〜１０のいずれか１項に記載のシステムを用いて炭化水素含有地層を処理する方法。
12. 第一炭化水素及び／又は該第二炭化水素を使用して電気を発生する工程を更に含む請求項１１に記載の方法。
13. 第一炭化水素及び／又は第二炭化水素を使用して水蒸気を製造する工程を更に含む請求項１１又は１２に記載の方法。
14. 第一炭化水素のＡＰＩ比重が１０°以下である請求項１１〜１３のいずれか１項に記載の方法。
15. 第二炭化水素のＡＰＩ比重が１５°以上である請求項１１〜１４のいずれか１項に記載の方法。
16. 第一炭化水素の少なくとも一部と第二炭化水素の少なくとも一部とを混合する工程を更に含む請求項１１〜１５のいずれか１項に記載の方法。
17. 第一炭化水素の少なくとも一部と第二炭化水素の少なくとも一部とを混合して、発電機用燃料を製造する工程を更に含む請求項１１〜１６のいずれか１項に記載の方法。
18. 第二炭化水素の少なくとも一部を前記地層の１つ以上のヒーター用ガスとして使用する工程を更に含む請求項１１〜１７のいずれか１項に記載の方法。
19. 第一炭化水素及び／又は第二炭化水素の全部を発電用及び／又は水蒸気の製造用燃料として使用する工程を更に含む請求項１１〜１８のいずれか１項に記載の方法。
20. 電気の発生量及び水蒸気の製造量を変化して、第一炭化水素及び／又は第二炭化水素の製造量を変化させる工程を更に含む請求項１１〜１９のいずれか１項に記載の方法。
21. 電気ヒーターから熱を供給する前に、前記第二部分に水蒸気を供給する工程を更に含む請求項１１〜２０のいずれか１項に記載の方法。
22. 前記システムが、第一炭化水素及び／又は第二炭化水素を水蒸気・電気併給設備に使用する前に、第一炭化水素及び／又は第二炭化水素を処理する工程を更に含む請求項１１〜２１のいずれか１項に記載の方法。
23. 第一炭化水素及び／又は第二炭化水素を水蒸気・電気併給設備に使用する前に、第一炭化水素及び／又は第二炭化水素を処理する工程を更に含む請求項１１〜２２のいずれか１項に記載の方法。