CN110945603A - 在地层中储存危险材料 - Google Patents

Abstract

危险材料储存库，包括：钻孔，该钻孔延伸到大地中并包括至少邻近地表的入口，该钻孔包括大致竖直钻孔部分、与该大致竖直钻孔部分联接的过渡钻孔部分、以及危险材料储存钻孔部分，过渡钻孔部分或危险材料储存钻孔部分中的至少一者包括隔离钻孔部分；储存罐，该储存罐定位在危险材料储存钻孔部分中，该储存罐的尺寸定为适于从钻孔入口穿过大致竖直钻孔部分、过渡钻孔部分进入钻孔的危险材料储存钻孔部分中，该储存罐包括尺寸定为封装危险材料的内腔；以及密封件，该密封件位于钻孔中，该密封件将钻孔的危险材料储存钻孔部分与钻孔的入口隔离。

Description

在地层中储存危险材料

优先权声明

本申请要求2017年6月5日提交的标题为“STORING HAZARDOUS MATERIAL IN ASUBTERRANEAN FORMATION(在地层中储存危险材料)”的美国临时专利申请第62/515,050号的优先权，该申请的全部内容通过参考纳入本文。

技术领域

本公开涉及在地层中储存危险材料，并且更具体地，涉及在地层中储存废核燃料。

背景技术

危险废料通常被放置在长期、永久或半永久的储库中，以防止生活在所储存的废料附近的人群中的健康问题。这种危险废料的储存通常具有挑战性，例如，在储存位置标识和封堵保证方面。例如，核废料(例如，来自商用动力反应堆、试验反应堆的废核燃料，或者甚至高级军用废料)的安全储存被视为能源技术的重大挑战之一。长寿命放射性废料的安全储存是在美国和世界范围内采用核能的主要障碍。常规的废料储存方法强调了隧道的使用，例如尤卡山储存设施的设计。其他技术包括钻入结晶基底岩石中的钻孔，包括竖直钻孔。其他常规技术包括在浅层中形成具有从隧道壁发散的钻孔的隧道，以允许人类进入。

发明内容

在一般实施方式中，危险材料储存库包括：钻孔，该钻孔延伸到大地中并且包括至少邻近地表的入口，该钻孔包括大致竖直钻孔部分、联接到大致竖直钻孔部分的过渡钻孔部分和联接到过渡钻孔部分的危险材料储存钻孔部分，过渡钻孔部分或危险材料储存钻孔部分中的至少一个包括隔离钻孔部分，该隔离钻孔部分竖直地指向地表并远离大致竖直钻孔部分与过渡钻孔部分之间的相交部；储存罐，该储存罐定位在危险材料储存钻孔部分中，该储存罐的尺寸定为适于从钻孔入口穿过大致竖直钻孔部分、过渡钻孔部分并进入钻孔的危险材料储存钻孔部分，该储存罐包括尺寸定为封装危险材料的内腔；以及密封件，该密封件位于钻孔中，该密封件将钻孔的危险材料储存钻孔部分与钻孔的入口隔离。

在可与一般实施方式结合的一方面，隔离钻孔部分包括竖直倾斜钻孔部分，该竖直倾斜钻孔部分包括在第一深度处联接到过渡钻孔部分的近端和与近端相对在比第一深度更浅的第二深度处的远端。

在可与前述方面中的任一方面结合的另一方面，竖直倾斜钻孔部分包括危险材料储存钻孔部分。

在可与前述方面中的任一方面结合的另一方面，至少部分地基于与围绕竖直倾斜钻孔部分的地质层的受扰区域相关联的距离以及与储存罐的最低部分和大致竖直钻孔部分相切的距离的长度来确定竖直倾斜钻孔部分的倾斜角。

在可与前述方面中的任一方面结合的另一方面，与地质层的受扰区域相关联的距离包括受扰区域的外周与竖直倾斜钻孔部分的径向中心线之间的距离。

在可与前述方面中的任一方面结合的另一方面，倾斜角为约3度。

在可与前述方面中的任一方面结合的另一方面，隔离钻孔部分包括联接在大致竖直钻孔部分与危险材料储存钻孔部分之间的J型截面钻孔部分。

在可与前述方面中的任一方面结合的另一方面，J形截面钻孔部分包括过渡钻孔部分。

在可与前述方面中的任一方面结合的另一方面，危险材料储存钻孔部分包括大致水平钻孔部分或竖直倾斜钻孔部分中的至少一者。

在可与前述方面中的任一方面结合的另一方面，隔离钻孔部分包括联接到过渡钻孔部分的竖直起伏钻孔部分。

在可与前述方面中的任一方面结合的另一方面，过渡钻孔部分包括在大致竖直钻孔部分与竖直起伏钻孔部分之间的弯曲钻孔部分。

在可与前述方面中的任一方面结合的另一方面，危险材料储存钻孔部分位于屏障层内或下方，该屏障层包括页岩层面、盐层面或其他不可渗透层面中的至少一者。

在可与前述方面中的任一方面结合的另一方面，危险材料储存钻孔部分通过屏障层与包括动水的地下区域竖直地隔离。

在可与前述方面中的任一方面结合的另一方面，危险材料储存钻孔部分形成在屏障层下方并且通过屏障层与包括动水的地下区域竖直地隔离。

在可与前述方面中的任一方面结合的另一方面，危险材料储存钻孔部分形成在屏障层内并且通过屏障层的至少一部分与包括动水的地下区域竖直地隔离。

在可与前述方面中的任一方面结合的另一方面，屏障层包括小于约0.01毫达西(millidarcy)的渗透率。

在可与前述方面中的任一方面结合的另一方面，屏障层的脆度小于约10MPa，其中，脆度包括屏障层的压缩应力与屏障层的拉伸强度之比。

在可与前述方面中的任一方面结合的另一方面，屏障层靠近危险材料储存钻孔部分的厚度为至少约100英尺。

在可与前述方面中的任一方面结合的另一方面，屏障层的靠近危险材料储存钻孔部分的厚度抑制在基于危险材料的半衰期的一定时间范围内穿过屏障层逸出储存罐的危险材料扩散。

在可与前述方面中的任一方面结合的另一方面，屏障层包括约20％至30％体积重量的黏土或有机物质。

在可与前述方面中的任一方面结合的另一方面，屏障层包括不可渗透层。

在可与前述方面中的任一方面结合的另一方面，屏障层包括由用于危险材料泄漏的为10000或更大的时间常数所限定的泄漏屏障。

在可与前述方面中的任一方面结合的另一方面，屏障层包括含烃类或二氧化碳的地层。

在可与前述方面中的任一方面结合的另一方面，危险材料包括废核燃料。

在可与前述方面中的任一方面结合的另一方面，还包括至少一个壳套组件，该壳套组件从地表处或其附近起延伸，穿过钻孔，并进入危险材料储存钻孔部分中。

在可与前述方面中的任一方面结合的另一方面，储存罐包括连接部分，该连接部分构造成联接到井下工具串或另一储存罐中的至少一者。

在可与前述方面中的任一方面结合的另一方面，隔离钻孔部分包括螺旋钻孔。

在可与前述方面中的任一方面结合的另一方面，隔离钻孔部分具有特定的几何形状，该几何形状与隔离钻孔部分形成到其中的岩层的应力状态无关。

在另一一般实施方式中，用于储存危险材料的方法包括：使储存罐运动穿过延伸到地表中的钻孔的入口，该入口至少邻近地表，该储存罐包括尺寸定为封装危险材料的内腔；使储存罐运动穿过钻孔，该钻孔包括大致竖直钻孔部分、联接到大致竖直钻孔部分的过渡钻孔部分以及联接到过渡钻孔部分的危险材料储存钻孔部分，过渡钻孔部分或危险材料储存钻孔部分中的至少一者包括隔离钻孔部分，该隔离钻孔部分竖直指向地表并远离大致竖直钻孔部分与过渡钻孔部分之间的相交部；使储存罐运动到危险材料储存钻孔部分中；以及在钻孔中形成密封件，该密封件将钻孔的储存部分与钻孔的入口隔离。

在可与一般实施方式结合的一方面，隔离钻孔部分包括竖直倾斜钻孔部分，该竖直倾斜钻孔部分包括在第一深度处联接到过渡钻孔部分的近端和与近端相对在比第一深度更浅的第二深度处的远端。

在可与前述方面中的任一方面结合的另一方面，竖直倾斜钻孔部分包括危险材料储存钻孔部分。

在可与前述方面中的任一方面结合的另一方面，至少部分地基于与围绕竖直倾斜钻孔部分的地质层的受扰区域相关联的距离以及与储存罐的最低部分和大致竖直钻孔部分相切的距离的长度来确定竖直倾斜钻孔部分的倾斜角。

在可与前述方面中的任一方面结合的另一方面，与地质层的受扰区域相关联的距离包括受扰区域的外周与竖直倾斜钻孔部分的径向中心线之间的距离。

在可与前述方面中的任一方面结合的另一方面，倾斜角为约3度。

在可与前述方面中的任一方面结合的另一方面，隔离钻孔部分包括联接在大致竖直钻孔部分与危险材料储存钻孔部分之间的J型截面钻孔部分。

在可与前述方面中的任一方面结合的另一方面，J形截面钻孔部分包括过渡钻孔部分。

在可与前述方面中的任一方面结合的另一方面，设置成危险材料储存钻孔部分包括大致水平钻孔部分或竖直倾斜钻孔部分中的至少一者。

在可与前述方面中的任一方面结合的另一方面，隔离钻孔部分包括联接到过渡钻孔部分的竖直起伏钻孔部分。

在可与前述方面中的任一方面结合的另一方面，过渡钻孔部分包括联接在大致竖直钻孔部分与竖直起伏钻孔部分之间的弯曲钻孔部分。

在可与前述方面中的任一方面结合的另一方面，危险材料储存钻孔部分位于屏障层内或下方，该屏障层包括页岩层面、盐层面或其他不可渗透层面中的至少一者。

在可与前述方面中的任一方面结合的另一方面，危险材料储存钻孔部分通过屏障层与包括动水的地下区域竖直地隔离。

在可与前述方面中的任一方面结合的另一方面，危险材料储存钻孔部分形成在屏障层下方并且通过屏障层与包括动水的地下区域竖直地隔离。

在可与前述方面中的任一方面结合的另一方面，危险材料储存钻孔部分形成在屏障层内并且通过屏障层的至少一部分与包括动水的地下区域竖直地隔离。

在可与前述方面中的任一方面结合的另一方面，屏障层包括小于约0.01毫达西的渗透率。

在可与前述方面中的任一方面结合的另一方面，屏障层的脆度小于约10MPa，其中，脆度包括屏障层的压缩应力与屏障层的拉伸强度之比。

在可与前述方面中的任一方面结合的另一方面，屏障层靠近危险材料储存钻孔部分的厚度为至少约100英尺。

在可与前述方面中的任一方面结合的另一方面，屏障层的靠近危险材料储存钻孔部分的厚度抑制在基于危险材料的半衰期的一定时间范围内穿过屏障层逸出储存罐的危险材料扩散。

在可与前述方面中的任一方面结合的另一方面，屏障层包括约20％至30％体积重量的黏土或有机物质。

在可与前述方面中的任一方面结合的另一方面，屏障层包括不可渗透层。

在可与前述方面中的任一方面结合的另一方面，屏障层包括由用于危险材料泄漏的为0000年或更久的时间常数所限定的泄漏屏障。

在可与前述方面中的任一方面结合的另一方面，屏障层包括含烃类或二氧化碳的地层。

在可与前述方面中的任一方面结合的另一方面，危险材料包括废核燃料。

在可与前述方面中的任一方面结合的另一方面，还包括至少一个壳套组件，该壳套组件从地表处或其附近起延伸，穿过钻孔，并进入危险材料储存钻孔部分中。

在可与前述方面中的任一方面结合的另一方面，储存罐包括连接部分，该连接部分构造成联接到井下工具串或另一储存罐中的至少一者。

在可与前述方面中的任一方面结合的另一方面，还包括在使储存罐运动穿过延伸进入地表的钻孔的入口之前，形成从地表到地层的钻孔。

在可与前述方面中的任一方面结合的另一方面，还包括在钻孔中安装壳套，该壳套从地表处或地表附近起延伸，穿过钻孔，并进入危险材料储存钻孔部分中。

在可与前述方面中的任一方面结合的另一方面，还包括将壳套粘结到钻孔。

在可与前述方面中的任一方面结合的另一方面，还包括在形成钻孔之后，从地层生产烃流体，穿过钻孔，并到达地表。

在可与前述方面中的任一方面结合的另一方面，还包括从钻孔移除密封件；以及从危险材料储存钻孔部分将储存罐取回到地表。

在可与前述方面中的任一方面结合的另一方面，还包括监测来自位于危险材料储存钻孔部分附近的传感器的与储存罐相关联的至少一个变量；以及在地表记录所监测的变量。

在可与前述方面中的任一方面结合的另一方面，所监测的变量包括辐射等级、温度、压力、氧气的存在、水蒸气的存在、液态水的存在、酸度或地震活动中的至少一个。

在可与前述方面中的任一方面结合的另一方面，还包括基于所监测的变量超出阈值，从钻孔移除密封件；以及从危险材料储存钻孔部分将储存罐取回到地表。

在另一一般实施方式中，用于储存危险材料的方法包括：使储存罐运动穿过延伸到地表中的钻孔的入口，该入口至少邻近地表，该储存罐包括尺寸定为封装危险材料的内腔；使储存罐运动穿过钻孔，该钻孔包括大致竖直钻孔部分、联接到大致竖直钻孔部分的过渡钻孔部分和联接到过渡钻孔部分的危险材料储存钻孔部分，危险材料储存钻孔部分位于自修复地质层下方，危险材料储存钻孔部分通过自修复地质层与包括动水的地下区域竖直地隔离；使储存罐运动到危险材料储存钻孔部分中；以及在钻孔中形成密封件，该密封件将钻孔的储存部分与钻孔的入口隔离。

在可与一般实施方式结合的另一方面，自修复地质层包括页岩、盐、黏土或白云石中的至少一种。

在另一一般实施方式中，危险材料储存库包括：钻孔，该钻孔延伸到大地中并且包括至少邻近地表的入口，该钻孔包括大致竖直钻孔部分、联接到大致竖直钻孔部分的过渡钻孔部分和联接到过渡钻孔部分的危险材料储存钻孔部分，危险材料储存钻孔部分位于自修复地质层下方，危险材料储存钻孔部分通过自修复地质层与包括动水的地下区域竖直地隔离；储存罐，该储存罐定位在危险材料储存钻孔部分中，该储存罐的尺寸定为从钻孔入口穿过大致竖直钻孔部分、过渡钻孔部分进入钻孔的危险材料储存钻孔部分，该储存罐包括尺寸定为封装危险材料的内腔；以及密封件，该密封件位于钻孔中，该密封件将钻孔的危险材料储存钻孔部分与钻孔的入口隔离。

在可与一般实施方式结合的另一方面，自修复地质层包括页岩、盐、黏土或白云石中的至少一种。

根据本公开的危险材料储存库的实施方式可包括以下特征中的一个或多个。例如，根据本公开的危险材料储存库可允许在与任何附近的动水分离的位于地下数千英尺处的储存库内对危险材料的多个等级的封堵。根据本公开的危险材料储存库还可以使用经证实的技术(例如，钻挖)在被证明在其中已流体密封烃类达数百万年的地下区域中产生或形成危险材料的储存区域。作为另一示例，根据本公开的危险材料储存库可以为页岩层中的危险材料(例如，放射性废料)提供长期(例如，数千年)的储存，该页岩层具有适合于这种储存的地质特性，包括低渗透率、厚度和延展性等。另外，相对于常规储存技术，可以以较低的成本储存更大量的危险材料，这部分是由于定向钻挖技术的缘故，其可有利于较长的水平井筒，通常长度超过一英里。另外，可能紧邻可能发现或生成危险材料的地点发现具有适合于这种储存的地质特性的岩层，从而降低与运输这种危险材料相关的危险。

根据本公开的危险材料储存库的实施方式还可包括以下特征中的一个或多个。大的储存量进而允许危险材料的储存的安放，而无需进行复杂的事先处理，比如浓缩或转化成不同形式或转移到罐中。作为另一示例，对于例如来自反应堆的核废料，可以将废料未经改性地保持在其原始芯块中，或在其原始燃料棒中，或在包含数十个燃料棒的其原始燃料组成部分中。在另一方面，危险材料可以被保持在原始保持件中，但是将粘结剂或其他材料注入保持件中以充填危险材料与结构之间的间隙。例如，如果危险材料储存在燃料棒中，然后进一步将燃料棒储存在燃料组成部分中，则各棒之间的空间(在核反应堆内部时通常充填有水)可以用粘结剂或其他材料充填，以提供与外界隔离的又一附加隔离层。作为又一个示例，促进安全且低成本的危险材料的储存，同时仍然允许取回这种材料，如果情况认为收回所储存的材料是有利的。

在附图和以下描述中提出了本公开中所描述主题的一个或多个实施方式的细节。从说明书、附图和权利要求中，该主题的其他特征、方面和优势将变得明显。

附图说明

图1A是根据本公开的危险材料储存库系统的示例性实施方式在存放或取回操作期间的示意图。

图1B是图1A中的危险材料储存库系统的示例性实施方式的一部分的示意图，其示出了对危险材料储存库系统的倾斜部分的最小角度的示例性确定。

图2是根据本公开的危险材料储存库系统的另一示例性实施方式在存放或取回操作期间的示意图。

图3是根据本公开的危险材料储存库系统的另一示例性实施方式在存放或取回操作期间的示意图。

图4A－4C是根据本公开的危险材料储存库系统的其他示例性实施方式的示意图。

图5A是危险材料储存库系统的另一示例性实施方式的示意性俯视图，图5B－5C是示意性侧视图。

具体实施方式

图1A是根据本公开的危险材料储存库系统的示例性实施方式在存放或取回操作期间的示意图，该危险材料储存库系统例如是用于危险材料的长期(例如数十、数百或数千年或更久)但可取回的安全且安稳的储存的地下位置。例如，转到图1A，该图示出了在存放(或取回，如下所述)过程期间、例如在地层中部署一个或多个危险材料罐期间的示例性危险材料储存库系统100。如图所示，危险材料储存库系统100包括从地表102起穿过多个地下层112、114、116和132形成(例如，钻出或以其他方式形成)的钻孔104。尽管地表102被示为陆地表面，但地表102也可以是海底或其他水下表面，比如湖底或洋底或水体下方的其他表面。因此，本公开设想钻孔104可以从水体之上或附近的钻探位置起形成到水体下方。

在危险材料储存库系统100的该示例中，所示的钻孔104是定向钻孔。例如，钻孔104包括大致竖直部分106，该大致竖直部分106与倒圆部分或弯曲部分108联接，该倒圆部分或弯曲部分108进而联接到倾斜部分110。如在本公开中所使用的，在涉及钻孔定向的上下文中，“大致”是指可能并非恰好竖直(例如，恰好垂直于地表102)、或恰好水平(例如，恰好平行于地表102)、或相对于地表102恰好以特定的倾斜角度倾斜的钻孔。换言之，竖直钻孔通常会起伏偏离真正的竖直方向，它们可能以偏离真正的竖直方向的角度被钻出，倾斜的钻孔常常起伏偏离真正的倾斜角度。此外，在一些方面，倾斜的钻孔在钻孔的长度上可以不具有或不呈现恰好均匀的倾斜度(例如，度数)。而是，钻孔的倾斜度可以在其长度上变化(例如，变化1－5度)。如该示例中所示，钻孔104的三个部分－竖直部分106、倒圆部分108和倾斜部分110形成了延伸到大地中的连续钻孔104。

在该示例中，所示的钻孔104具有表面壳套120，该表面壳套120定位并设置成围绕钻孔104从地表102起进入大地中一定深度。例如，表面壳套120可以是在浅层中围绕钻孔104设置(例如粘结)的相对大直径的管状构件(或一串构件)。如本文中所使用的，“管状”可指具有圆形截面、椭圆形截面或其他形状截面的构件。例如，在危险材料储存库系统100的该实施方式中，表面壳套120从地表延伸穿过表层112。在该示例中，表层112是包括一个或多个分层岩层的地质层。在一些方面，在该示例中，表层112可以包括或可以不包括淡水含水层、盐水或卤水源、或其他动水源(例如，穿过地质层的水)。在一些方面，表面壳套120可以使钻孔104与这种动水隔离，并且还可以提供用于将其他壳套串安装在钻孔104中的悬挂位置。此外，尽管未示出，但是可以在表面壳套120上方(例如，在表面壳套120与地表102之间并且在表层112内)设置引导壳套，以防止钻井流体逸入表层112中。

如图所示，将生产壳套122定位并设置在表面壳套120井下的钻孔104内。尽管被称为“生产”壳套，但是在该示例中，壳套122可以经受或可以不经受烃类的生产操作。因此，壳套122是指并且包括设置(例如，粘结)在表面壳套120井下的钻孔104中的任何形式的管状构件。在危险材料储存库系统100的一些示例中，生产壳套122可以在倒圆部分108的端部处开始并延伸穿过整个倾斜部分110。壳套122也可以延伸到倒圆部分108和竖直部分106中。

如图所示，粘结剂130在壳套120和122与钻孔104之间的环形空间中围绕壳套120和122定位(例如，泵送)。粘结剂130例如可以穿过地表102下方的地下层而固定壳套120和122(和钻孔104的任何其他壳套或内衬)。在一些方面，可以沿着壳套(例如，壳套120和122和任何其他壳套)的整个长度装设粘结剂130，或者如果对于特定的钻孔102充分，则可沿壳套的特定部分使用粘结剂130。粘结剂130还可以为罐126中的危险材料提供附加的封隔层。

钻孔104以及相关的壳套120和122可能以各种示例性尺寸并以各种示例性深度(例如，真正的竖直深度或TVD)形成。例如，引导(导体)壳套(未示出)可以向下延伸至约120英尺TVD，其直径在约28英寸至60英寸之间。表面壳套120可以向下延伸至约2500英尺TVD，其直径在约22英寸至48英寸之间。在表面壳套120与生产壳套122之间的中间壳套(未示出)可向下延伸至约8000英尺TVD，其直径在约16英寸至36英寸之间。生产壳套122可能以约11英寸至22英寸之间的直径倾斜地延伸(例如，以包围倾斜部分110)。前述尺寸仅作为示例提供，本公开设想了其他尺寸(例如，直径、TVD、长度)。例如，直径和TVD可能取决于多个地下层(112、114、116和132)中一个或多个的特定地质组成、特定的钻井技术以及包含要存放在危险材料储存库系统100中的危险材料的危险材料罐126的尺寸、形状或设计。在一些替代示例中，生产壳套122(或钻孔104中的其他壳套)可以是圆形截面的、椭圆形截面的或一些其他形状。

如图所示，钻孔104的竖直部分106延伸穿过地下层112、114、116和132，并且在该示例中，落置在(到达)地下层119中。如上所述，表层112可以包括或可以不包括动水。在该示例中，在表层112下方的地下层114是动水层114。例如，动水层114可包括一个或多个动水源，比如淡水含水层、盐水或卤水、或其他动水源。在危险材料储存库系统100的该示例中，动水可以是基于横跨整个或部分地下层的压力差运动穿过地下层的水。例如，动水层114可以是可渗透地质层，其中，水在层114内自由运动(例如，由于压力差或其他原因)。在一些方面，动水层114可以是在特定的地理区域中人类可用水的主要来源。可构成动水层114的岩层的示例包括多孔砂岩和石灰岩以及其他地层。

诸如不可渗透层116和储存层119之类的其他示出的层可包括不动水。在一些方面，不动水是不适于人类或动物或两者使用的水(例如，淡水、盐水、卤水)。在一些方面，不动水可以是通过其穿过层116或119(或两者)的运动不能在10000年或更长的时间(比如长达1000000年)内到达动水层114、地表102或两者的水。

在危险材料储存库系统100的该示例性实施方式中，在动水层114下方的是不可渗透层116。在该示例中，不可渗透层116可能不允许动水穿过。因此，相对于动水层114，不可渗透层116可具有低渗透率，例如是纳达西等级的渗透率。另外，在该示例中，不可渗透层116可以是相对非延展性(即脆性)的地质层。非延展性的一个量度是脆度，它是压缩应力与拉伸强度之比。在一些示例中，不可渗透层116的脆度可以在约20MPa至40MPa之间。

如该示例中所示，不可渗透层116比储存层119更浅(例如，更靠近地表102)。在该示例中，不可渗透层116可包括的岩层包括例如具有如上所述的渗透率和脆度特性的特定类型的砂岩、泥岩、黏土和板岩。在替代示例中，不可渗透层116可比储存层119更深(例如，距地表102更远)。在这些替代示例中，不可渗透层116可包括诸如花岗岩之类的火成岩。

在不可渗透层116的下面是储存层119。在该示例中，出于多种原因，可以选择储存层119作为储存危险材料的倾斜部分110的落置部。相对于不可渗透层116或其他层，储存层119可以是厚的，例占总竖直厚度为约100到200英尺之间。储存层119的厚度可以允许更容易的落置和定向钻孔，从而允许倾斜部分110在构造(例如，钻孔)期间容易地安放在储存层119内。如果倾斜部分110穿过储存层119的大致水平中心形成，则倾斜部分110可以被约50至100英尺的包括储存层119的地质层围绕。此外，例如由于层119的非常低的渗透率(例如，在毫达西或纳达西的等级)，储存层119也可仅具有不动水。另外，储存层119可具有足够的延展性，使得包括层119的岩层的脆度在约3MPa至10MPa之间。储存层119可包括的岩层的示例包括：页岩和硬石膏。此外，在一些方面，如果储存层具有足够的地质特性以将可渗透层与动水层114隔离，则即使在诸如砂岩或石灰石之类的可渗透地层中，危险材料也可被储存在储存层下方。

在危险材料储存库系统100的一些示例性实施方式中，储存层119(和/或不可渗透层116)包括页岩。在一些示例中，页岩的特性可以适配于储存层119的上述特性。例如，页岩层可以适合于(例如，在危险材料罐126中)危险材料的长期封隔，以及适合于将它们与动水层114(例如，含水层)和地表102隔离。页岩层可以在地球上相对较深、通常为3000英尺或更深的地方发现，并且隔离放置在任何淡水含水层下方。其他层可包括盐或其他不可渗透的地层层面。

例如，页岩层(或盐或其他不可渗透的地层层面)可包括增强材料的长期(例如数千年)隔离的地质特性。例如，已经通过烃流体(例如，气体、液体、混合相流体)的长期(例如，数千万年)储存而没有大量此类流体逸出到周围层(例如，动水层114)中来说明了这种特性。实际上，已表明数百万年或更长时间以来，页岩拥有(保有)天然气，这使其具有长期储存危险材料的经证实的能力。示例性页岩层(例如，Marcellus(马塞勒斯页岩)、EagleFord(鹰滩页岩)、Barnett(巴奈特页岩)和其他)具有层理，该层理包含已在数百万年的时间里有效地防止了水、油和气运动的许多冗余密封层，缺乏动水，并且可以预期(例如，基于地质考虑)在存放后数千年内密封危险材料(例如，流体或固体)。

在一些方面，储存层119和/或不可渗透层116的层可以形成泄漏屏障或流体泄漏的屏障层，该泄漏可以至少部分地由持续数百年、数千年、数万年、数十万年甚至数百万年的烃类或其他流体(例如，二氧化碳)的层的储存容量的迹象确定。例如，基于烃类或其他流体储存的这类证据，储存层119的屏障层和/或不可渗透层116的屏障层可以由危险材料泄漏超过10000年(比如在约10000年至1000000年之间)的时间常数来定义。

页岩(或盐或其他不可渗透层)层也可以处于合适的深度，例如在3000至12000英尺TVD之间。这样的深度通常在地下水含水层(例如，表层112和/或动水层114)的下方。此外，页岩中可溶性元素(包括盐)的存在以及含水层中这些元素的不存在表明了页岩与含水层之间的流体隔离。

页岩特别有利于自身进行危险材料储存的另一特质是其黏土含量，在一些方面，其提供的延展性的量值大于在其他不可渗透的岩层(例如，不可渗透层116)中发现的延展性的量值。例如，页岩可以是分层的，由黏土(例如，按体积计约20－30％之间的黏土)和其他矿物的薄交替层组成。与不可渗透层(例如，白云石或其他)中的岩层相比，这种组合物可(例如，自然地或以其他方式)使页岩更不易碎并因此更不易破裂。例如，不可渗透层116中的岩层对于危险材料的长期储存可以具有合适的渗透率，但是太脆而通常破裂。因此，这样的地层可能没有足够的密封特质(如通过其地质特性证明的)以供长期储存危险材料。

本公开设想在所示地下层112、114、116和119之间可存在许多其他层。例如，可能有动水层114、不可渗透层116和储存层119中的一个或多个(例如，沿竖直方向)的重复样式。此外，在一些示例中，储存层119可以(例如，沿竖直方向)直接邻近动水层114，即没有介于中间的不可渗透层116。在一些示例中，倒圆的钻孔108和倾斜的钻孔110中的全部或部分可以形成在储存层119下方，使得储存层119(例如，页岩或具有本文中所述特征的其他地质层)沿竖直方向位于倾斜的钻孔110与动水层114之间。

此外，在该示例性实施方式中，可以在地表102下方例如在表面102与不可渗透层116和储存层119中的一者或两者之间发现自修复层132。在一些方面，自修复层132可以包括地质层，其可以止挡或阻止危险材料(无论是液态、固态还是气态形式)从钻孔104的储存部分流向或朝向地表102的流。例如，在钻孔104的形成(例如，钻井)期间，全部或部分地质层的层面112、114、116和119可能被破坏(如由已破坏区域140所示)，从而影响或改变其地质特征(例如，渗透率)。实际上，尽管为了简化起见在层114与132之间示出了已破坏区域140，但是已破坏区域140可以围绕钻孔104的整个长度(竖直、弯曲和倾斜的部分)进入层112、114、116、119、132和其他层中一定距离。

在一些方面，可以选择钻孔104的位置，以便穿过自修复层132形成。例如，如图所示，钻孔104可以形成为使得钻孔104的竖直部分106的至少一部分形成为穿过自修复层132。在一些方面，自修复层132包括即使在钻穿之后也不会在长时间内维持裂纹的地质层。自修复层132中的地质层的示例包括黏土或白云石。这种岩层中的裂缝易于修复，也就是说，由于材料的相对延展性以及自修复层中地层上叠放的岩石的重量所产生的在地下的巨大压力，随着时间的推移裂缝会快速消失。除了提供针对由于形成钻孔104(例如，钻井或其他方式)而产生的裂缝的“修复机制”之外，自修复层132还可以为天然断层和以其他方式可能为危险材料(例如，流体或固体)从储存区域(例如，在倾斜部分110中)泄漏至地表102、动水层114或两者提供通路的其他裂缝提供屏障。

如该示例中所示，钻孔104的倾斜部分110包括在部分110的远侧部分中的储存区域117，危险材料可以可取回地放置在该储存区域117中以便长期储存。例如，如图所示，作业绳管(串)124(例如，管道、盘管、线缆或其他)可以延伸到带套的钻孔104中，以放置一个或多个(示出为三个，但可能是更多或更少)危险材料罐126放入部分110中的长期、但是在一些方面是可取回的储存部中。例如，在图1A中所示的实施方式中，作业绳管(串)124可包括联接到罐126的井下工具128，并且随着每次进入钻孔104的行程，井下工具128可将特定的危险材料罐126存放在倾斜部分110中。

在一些方面，井下工具128可以通过螺纹连接或其他类型的连接(比如闩锁连接)联接到罐126。在替代方面，井下工具128可通过互锁闩锁联接到罐126，使得井下工具128的旋转(或线性运动或电动或液压开关)可锁止到罐126(或从罐126解锁)在替代方面，井下工具124可以包括一个或多个磁体(例如，稀土磁体、电磁体、其组合或其他)，它们吸引地联接到罐126。在一些示例中，罐126还可以包括与井下工具124上的磁体具有相反极性的一个或多个磁体(例如，稀土磁体、电磁体、其组合或其他)。在一些示例中，罐126可以由含铁材料或可吸引井下工具124的磁体的其他材料制成。

作为另一示例，每个罐126可以通过钻孔牵引件(例如，在线缆上或以其他方式)定位在钻孔104内，钻孔牵引件可以通过机动(例如，电动)运动将罐推或拉到倾斜部分110中。作为又一示例，每个罐126可包括或安装到辊(例如，轮)，使得井下工具124可将罐126推入带套的钻孔104中。

在一些示例性实施方式中，在存放操作之前，罐126、钻孔壳套120和122中的一个或多个或两者可以涂覆有减小摩擦的涂层。例如，通过将涂层(例如，石油基产品、树脂、陶瓷或其他)施加到罐126和/或钻孔壳套，可以使罐126更容易地运动穿过带套的钻孔104而进入倾斜部分110中。在一些方面，仅一部分钻孔壳套可以被涂覆。例如，在一些方面，可以不对大致竖直部分106进行涂覆，但是可以对倒圆部分108或倾斜部分110或两者进行涂覆，以便于罐126更容易存放和取回。

图1A还示出了钻孔104的倾斜部分110中的危险材料的取回操作的示例。取回操作可以与存放操作相反，使得井下工具124(例如，打捞工具)可以行进进入钻孔104中，联接到最后存放的罐126(例如，螺纹地、通过闩锁、通过磁体或其他方式)，并将罐126拉到地表102。井下工具124可以进行多次取回行程，以便从钻孔104的倾斜部分110取回多个罐。

每个罐126可以封装危险材料。在一些示例中，这种危险材料可以是生物或化学废料或其他生物或化学危险材料。在一些示例中，危险材料可以包括核材料，比如从核反应堆(例如，商用动力反应堆或试验反应堆)收回的废核燃料或军事核材料。例如，一个千兆瓦核电站每年可能生产30吨废核燃料。该燃料的密度通常接近10(10mg/cm³＝10kg/升)，因此一年的核废料的体积为约3m³。呈核燃料芯块形式的废核燃料可从反应堆中取出而无需改性。核燃料芯块是固体，但它们也可以包含并释放各种放射性气体，包括氚(13年半衰期)、氪85(10.8年半衰期)和含C-14的二氧化碳(5730年半衰期)。

在一些方面，储存层119应该能够在层119内包含任何放射性输出(例如，气体)，即使这种输出从罐126逸出。例如，可以基于以下条件选择储存层119：放射性输出穿过层119的扩散时间。例如，逸出储存层119的放射性输出的最小扩散时间可以设置为例如核燃料芯块的任何特定成分的半衰期的五十倍。作为最小扩散时间的五十个半衰期将使放射性输出量减少1×10^-15倍。作为另一示例，将最小扩散时间设定为三十个半衰期将使放射性输出量减少十亿倍。

例如，钚239由于其24100年的长半衰期而通常被认为是废核燃料中的危险废品。对于这种同位素，50个半衰期会是120万年。钚239在水中的溶解度低，不挥发，并且，作为固体，其穿过包括所示储存层119(例如，页岩或其他地层)的岩层的基质的扩散时间极短(例如，数百万年)。例如包括页岩的储存层119可以提供具有这样的隔离时间(例如，数百万年)的能力，如包含气态烃(例如，甲烷和其他)数百万年的地质历史所表明的那样。相反，在常规的核材料储存方法中，危险在于，一旦封隔逸出，一些钚可能会溶解在包括动地下水的层面中。

如图1A中进一步所示，可以将储存罐126定位在倾斜部分110中以进行长期储存，如图所示，随着倾斜部分110进一步远离钻孔104的竖直部分106，该倾斜部分110以小角度(例如，2－5度)向上倾斜。如图所示，倾斜部分110朝向地表102向上倾斜。在一些方面，例如，当在罐126中储存放射性危险材料时，钻孔部分110的倾斜可以提供进一步的安全度和封堵，以防止或阻止材料(即使从罐126泄漏)到达例如动水层114、钻孔104的竖直部分106、地表102或其组合。例如，(与卤水或可能充填钻孔的其他流体相比)危险材料中令人关注的放射性核素往往相对较轻或较重。较轻的放射性核素可能是对于泄漏最要关注的问题，这是因为重元素和分子趋于下沉而不会向上朝向地表102扩散。氪气、具体为¹⁴CO₂(其中，¹⁴C表示放射性碳，也称为C-14，是碳的同位素，其半衰期为5730年)是一种较轻的放射性元素，它比空气(如大多数气体那样)重，但比水轻。因此，一旦将¹⁴CO₂引入到水浴中，则这种气体将倾向于向上朝向地表102漂浮。另一方面，碘比水密度更大，如果被引入水浴中则将倾向于向下扩散。

通过包括钻孔104的倾斜部分110，放射性材料的任何这种扩散(例如，即使从罐126泄漏并且在钻孔104中存在水或其他液体的情况下或在其他情况下)将被倾斜地定向成向上朝向倾斜部分110的远端121并远离钻孔104的倒圆部分108(和竖直部分106)。因此，即使呈可扩散气体形式的泄漏的危险材料也不会得到穿过钻孔110的竖直部分106(例如，直接地)到达地表102(或动水层114)的路径。例如，(尤其是呈气态形式的)泄漏的危险材料将被引导并聚集在钻孔部分110的远端121处。

也可以实施将罐126存放到倾斜的钻孔部分110中的替代方法。例如，可以使流体(例如，液体或气体)循环穿过钻孔104，以将罐126流体地推入倾斜的钻孔部分110中。在一些示例中，可以将各个罐126分别流体地推入。在替代方面中，两个或更多的罐126可以同时被流体地推动穿过钻孔104，以存放到倾斜部分110中。在一些情形中，流体可以是水。其他示例包括钻井泥浆或钻井泡沫。在一些示例中，可以使用诸如空气、氩气或氮气之类的气体将罐126推入钻孔中。

在一些方面，流体的选择可以至少部分取决于流体的黏度。例如，可以选择具有足够黏度的流体以阻止罐126掉落到大致竖直部分106中。该阻力或阻抗可以提供抵抗罐126突然掉落的安全系数。流体也可以提供润滑，以减少罐126与壳套120和122之间的滑动摩擦。罐126可以在充填有黏度、密度和润滑质量受控的液体的壳套内传送。壳套120和122的内径与所传送的罐126的外径之间的充填有流体的环形空间代表通路，该通路被设计为抑制任何高速率的罐运动，从而在被输送的罐126的不太可能的脱开的情况下提供自动的被动保护。

在一些方面，可以采用其他技术来便于将罐126存放到倾斜部分110中。例如，一个或多个安装的壳套(例如，壳套120和122)可以具有导轨以引导储存罐126进入钻孔102中，同时减小了壳套与罐126之间的摩擦。储存罐126和壳套(或导轨)可以由易于抵靠彼此滑动的材料制成。当承受储存罐126的重量时，壳套的表面可被轻易润滑，或者可以是自润滑的表面。

流体也可以用于取回罐126。例如，在示例性取回操作中，壳套120和122内的容积可以充填有压缩气体(例如，空气、氮气、氩气或其他)。随着在倾斜部分110的端部处的压力增加，罐126可被推向倒圆部分108，并且随后穿过大致竖直部分106至地表。

在一些方面，钻孔104可为了长期储存危险材料的主要目的而形成。在替代方面，钻孔104可能已经在之前为了烃类生产(例如，油、气)的主要目的而形成。例如，储存层119可以是含烃类地层，从该含烃类地层将烃类生产到钻孔104中和生产到地表102。在一些方面，储存层119可能在烃类生产之前已经被液力压裂。进一步地，在一些方面，在液力压裂之前，已经对生产壳套122进行了穿孔。在这些方面中，在危险材料的存放操作之前，可以对生产壳套122进行修补(例如，粘结)以修理由穿孔过程生成的任何孔。另外，此时也可以充填壳套与钻孔之间的粘结剂中的任何裂缝或开口。

例如，在废核燃料作为危险材料的情形中，可以在特定位置处(例如在核电站附近)形成钻孔作为新钻孔，只要该位置也包括适当的储存层119、比如页岩层即可。替代地，可以选择已经生产页岩气的现有井或被废弃为“干”井的现有井(例如，有机物含量足够低，以至于该处的气体含量对于商业开发而言太低了)作为钻孔104。在一些方面，穿过钻孔104对储存层119的先前液力压裂对钻孔104的危险材料储存能力可以几乎没有影响。但是，这种在先的活动也可以确认储存层119储存气体和其他流体数百万年的能力。因此，如果危险材料或危险材料的输出(例如，放射性气体或其他)要从罐126逸出并进入储存层119的压裂层中，则这些压裂部可能会允许该材料相对快速地散布在与压裂部的尺寸相当的距离上。在一些方面，可能已经钻挖(钻井)了钻孔102用以生产烃类，但是这种烃类的生产失败了，例如是因为储存层119包括太易延展而难以压裂用以生产的岩层(例如，页岩或其他)，但其延展性有利于长期储存危险材料。

图1B是危险材料储存库系统100的示例性实施方式的一部分的示意图，其示出了对危险材料储存库系统100的倾斜部分110的最小角度的示例性确定。例如，如系统100中所示，倾斜部分110设置成，(例如，从一个或多个罐126中)泄漏的危险材料所采取的穿过钻孔104至地表102的任何路径都包括至少一个向下的组成部分。在这种情形中，倾斜部分110是向下的组成部分。在下文描述的其他示例性实施方式、比如系统200和300中，其他部分(例如，J形截面部分或起伏部分)可以包括至少一个向下的组成部分。如该示例中所示，这样的路径浸入水平逸出极限线175以下，该水平逸出极限线175与(当位于储存区域117中时)最接近钻孔104的竖直部分106的罐126相交，因此这样的路径一定包括向下的组成部分。

在一些方面，可根据钻孔104的受损区域140的半径R和距最接近钻孔104竖直部分106的罐126的距离D来确定钻孔104的倾斜部分110的角度a(并由此引导钻孔104的形成)。如图1B中引出的气泡中所示，在知悉距离R和D(或至少是估计值)的情况下，角度a可以根据R/D的反正切来计算。在示例性实施方式中，R可以是约1米，而D可以是约20米。因此，作为R/D的反正切的角度a约为3°。这只是确定钻孔104的向下的组成部分(例如，倾斜部分110)的角度a以确保该向下的组成部分浸入水平逸出极限线175以下的一个示例。

图2是根据本公开的另一危险材料储存库系统的示例性实施方式、例如用于危险材料的长期(例如数十、数百或数千年或更久)但可取回的安全且安稳的储存的地下位置在存放或取回操作期间的示意图。例如，转到图2，该图示出了在存放(或取回，如下所述)过程期间、例如在地层中部署一个或多个危险材料罐期间的示例性危险材料储存库系统200。如图所示，危险材料储存库系统200包括从地表202起穿过多个地下层212、212和216形成(例如，钻出或以其他方式形成)的钻孔204。尽管地表202被示为在陆地表面，但地表202也可以是海底或其他水下表面，比如湖底或洋底或水体下方的其他表面。因此，本公开设想钻孔204可以从水体之上或附近的钻井位置起形成到水体下方。

在危险材料储存库系统200的该示例中，所示的钻孔204是定向钻孔。例如，钻孔204包括大致竖直部分206，该大致竖直部分206与J形截面部分208联接，该J形截面部分208进而联接到大致水平部分210。所示的J形截面部分208的形状类似于字母“J”的底部，并且其形状类似于用于防止气体排放从弯曲部的一侧迁移到弯曲部的另一侧的在管道系统中使用的p型捕集装置。如在本公开中所使用的，在涉及钻孔定向的上下文中，“大致”是指可能并非恰好竖直(例如，恰好垂直于地表202)、或恰好水平(例如，恰好平行于地表202)、或相对于地表202恰好以特定的倾斜角度倾斜的钻孔。换言之，竖直钻孔通常会起伏偏离真正的竖直方向，它们可能以偏离真正的竖直方向的角度被钻出，水平钻孔常常起伏偏离恰好水平。

如该示例中所示，钻孔204的三个部分——竖直部分206、J形截面部分208和大致水平部分210形成了延伸到大地中的连续钻孔204。此外，如图2中的虚线所示，J形截面部分208可以联接到倾斜部分240，而不是(或附加于)钻孔204的大致水平部分210。

在该示例中，所示的钻孔204具有表面壳套220，该表面壳套220定位并设置成围绕钻孔204从地表202起进入大地中一定深度。例如，表面壳套220可以是在浅层中围绕钻孔204设置(例如粘结)的相对较大直径的管状构件(或构件串)。如本文中所使用的，“管状”可指具有圆形截面、椭圆形截面或其他形状截面的构件。例如，在危险材料储存库系统200的该实施方式中，表面壳套220从地表延伸穿过表层212。在该示例中，表层212是包括一个或多个成层的岩层的地质层。在一些方面，在该示例中，表层212可以包括或可以不包括淡水含水层、盐水或卤水源、或其他动水源(例如，穿过地质层的水)。在一些方面，表面壳套220可以使钻孔204与这种动水隔离，并且还可以提供用于将其他壳套串安装在钻孔204中的悬挂位置。此外，尽管未示出，但是可以在表面壳套220上方(例如，在表面壳套220与地表202之间并且在表层212内)设置引导壳套，以防止钻井流体逸入表层212中。

如图所示，将生产壳套222定位并设置在表面壳套220井下的钻孔204内。尽管被称为“生产”壳套，但是在该示例中，壳套222可以经受或可以不经受烃类的生产操作。因此，壳套222是指并且包括设置(例如，粘结)在表面壳套220井下的钻孔204中的任何形式的管状构件。在危险材料储存库系统200的一些示例中，生产壳套222可以在J形截面部分208的端部处开始并延伸穿过整个大致水平部分210。壳套222也可以延伸到J形截面部分208和竖直部分206中。

如图所示，粘结剂230在壳套220和222与钻孔204之间的环形空间中围绕壳套220和222定位(例如，泵送)。粘结剂230例如可以穿过地表202下方的地下层而固定壳套220和222(和钻孔204的任何其他壳套或内衬)。在一些方面，可以沿着壳套(例如，壳套220和222和任何其他壳套)的整个长度装设粘结剂230，或者如果对于特定的钻孔202足够，则可沿壳套的特定部分使用粘结剂230。粘结剂230还可以为罐226中的危险材料提供附加的封隔层。

钻孔204以及相关的壳套220和222可能以各种示例性尺寸形成并处于各种示例性深度(例如，真正的竖直深度或TVD)。例如，导体壳套(未示出)可以向下延伸至约120英尺TVD，其直径在约28英寸至60英寸之间。表面壳套220可以向下延伸至约2500英尺TVD，其直径在约22英寸至48英寸之间。在表面壳套220与生产壳套222之间的中间壳套(未示出)可向下延伸至约8000英尺TVD，其直径在约16英寸至36英寸之间。生产壳套222可能以约11英寸至22英寸之间的直径倾斜地延伸(例如，以包围大致水平部分210和/或倾斜部分240)。前述尺寸仅作为示例提供，本公开设想了其他尺寸(例如，直径、TVD、长度)。例如，直径和TVD可能取决于多个地下层(212、214和216)中一个或多个的特定地质组成、特定的钻井技术以及包含要存放在危险材料储存库系统200中的危险材料的危险材料罐226的尺寸、形状或设计。在一些替代示例中，生产壳套222(或钻孔204中的其他壳套)可以是圆形截面的、椭圆形截面的或一些其他形状。

如图所示，钻孔204的竖直部分206延伸穿过地下层212、214和216，并且在该示例中，落置(到达)在地下层219中。如上所述，表层212可以包括或可以不包括动水。在该示例中，在表层212下方的地下层214是动水层214。例如，动水层214可包括一个或多个动水源，比如淡水含水层、盐水或卤水、或其他动水源。在危险材料储存库系统200的该示例中，动水可以是基于横跨整个或部分地下层的压力差而运动穿过地下层的水。例如，动水层214可以是可渗透地质层，其中，水在层214内自由运动(例如，由于压力差或其他原因)。在一些方面，动水层214可以是在特定的地理区域中人类可用水的主要来源。可构成动水层214的岩层的示例包括多孔砂岩和石灰岩以及其他岩层。

诸如不可渗透层216和储存层219之类的其他示出的层可包括不动水。在一些方面，不动水是不适合人类或动物或两者使用的水(例如，淡水、盐水、卤水)。在一些方面，不动水可以是通过其穿过层216或219(或两者)的运动不能在10000年或更长的时间(比如长达1000000年)内到达动水层214、地表202或两者的水。

在危险材料储存库系统200的该示例性实施方式中，在动水层214下方的是不可渗透层216。在该示例中，不可渗透层216可能不允许动水穿过。因此，相对于动水层214，不可渗透层216可具有低渗透率，例如是0.01毫达西等级的渗透率。另外，在该示例中，不可渗透层216可以是相对非延展性(即脆性)的地质层。非延展性的一个量度是脆度，它是压缩应力与拉伸强度之比。在一些示例中，不可渗透层216的脆度可以在约20MPa至40MPa之间。

如该示例中所示，不可渗透层216比储存层219更浅(例如，更靠近地表202)。在该示例中，不可渗透层216可包括的岩层包括例如具有如上所述的渗透率和脆度的特定类型的砂岩、泥岩、黏土和板岩。在替代示例中，不可渗透层216可比储存层219更深(例如，距地表202更远)。在这些替代示例中，不可渗透层216可包括诸如花岗岩之类的火成岩。

在不可渗透层216的下面是储存层219。在该示例中，出于多种原因，可以选择储存层219作为储存危险材料的大致水平部分210的落置部。相对于不可渗透层216或其他层，储存层219可以是厚的，例如具有约100到200英尺之间的总竖直厚度。储存层219的厚度可以允许更容易的落置和定向钻孔，从而允许大致水平部分210在构造(例如，钻井)期间容易地安放在储存层219内。如果大致水平部分210穿过储存层219的大致水平中心形成，则大致水平部分210可以被约50至100英尺的包括储存层219的地质层围绕。此外，例如由于层219的非常低的渗透率(例如，在毫达西或纳达西的等级)，储存层219也可仅具有不动水。另外，储存层219可具有足够的延展性，使得包括层219的岩层的脆度在约3MPa至10MPa之间。储存层219可包括的岩层的示例包括：页岩和硬石膏。此外，在一些方面，如果储存层具有足够的地质特性以将可渗透层与动水层214隔离，则即使在诸如砂岩或石灰石之类的可渗透地层中，危险材料也可被储存在储存层下方。

在危险材料储存库系统200的一些示例性实施方式中，储存层219(和/或不可渗透层216)包括页岩。在一些示例中，页岩的特性可以适配于储存层219的上述特性。例如，页岩层可以适合于(例如，在危险材料罐226中)危险材料的长期封隔，以及适合于将它们与动水层214(例如，含水层)和地表202隔离。页岩层可以在地球上相对较深、通常为3000英尺或更深的地方发现，并且隔离放置在任何淡水含水层下方。其他层可包括盐或其他不可渗透的地层层面。

例如，页岩层(或盐或其他不可渗透的地层层面)可包括增强材料的长期(例如数千年)隔离的地质特性。例如，已经通过烃类流体(例如，气体、液体、混合相流体)的长期(例如，数千万年)储存而没有这样的流体逸出到周围层(例如，动水层214)中来说明了这种特性。实际上，已表明数百万年或更长时间以来，页岩保有天然气，这使其具有长期储存危险材料的经证实的能力。示例性页岩层(例如，Marcellus(马塞勒斯页岩)、Eagle Ford(鹰滩页岩)、Barnett(巴奈特页岩)和其他)具有层理，该层理包含已在数百万年的时间里有效地防止了水、油和气运动的许多冗余密封层，缺乏动水，并且可以预期(例如，基于地质考虑)在存放后数千年内密封危险材料(例如，流体或固体)。

在一些方面，储存层219和/或不可渗透层216的层可以形成泄漏屏障或流体泄漏的屏障层，该泄漏可以至少部分地由持续数百年、数千年、数万年、数十万年甚至数百万年的烃类或其他流体(例如，二氧化碳)的层的储存容量的迹象确定。例如，基于烃类或其他流体储存的这类证据，储存层219的屏障层和/或不可渗透层216可以由危险材料泄漏超过10000年(比如在10000年至1000000年之间)的时间常数来定义。

页岩(或盐或其他不可渗透层)层也可以处于合适的深度，例如在3000至12000英尺TVD之间。这样的深度通常在地下水含水层(例如，表层212和/或动水层214)的下方。此外，页岩中可溶性元素(包括盐)的存在以及含水层中这些元素的不存在表明了页岩与含水层之间的流体隔离。

页岩特别有利于自身进行危险材料储存的另一特质是其黏土含量，在一些方面，其提供的延展性的量值大于在其他不可渗透的岩层(例如，不可渗透层216)中发现的延展性的量值。例如，页岩可以是分层的，由黏土(例如，按体积计约20－30％之间的黏土)和其他矿物的薄交替层组成。与不可渗透层(例如，白云石或其他)中的岩层相比，这种组合物可(例如，自然地或以其他方式)使页岩更不易碎并因此更不易破裂。例如，不可渗透层216中的岩层对于危险材料的长期储存可以具有合适的渗透率，但是太脆而通常破裂。因此，这样的地层可能没有足够的密封特质(如通过其地质特性证明的)以供长期储存危险材料。

本公开设想在所示地下层212、214、216和219之间或其中可存在许多其他层。例如，可能有动水层214、不可渗透层216和储存层219中的一个或多个(例如，沿竖直方向)的重复样式。此外，在一些示例中，储存层219可以(例如，沿竖直方向)直接邻近动水层214，即没有介于中间的不可渗透层216。在一些示例中，J形截面钻孔208和大致水平部分210(和/或倾斜部分240)中的全部或部分可以形成在储存层219下方，使得储存层219(例如，页岩或具有本文中所述特征的其他地质层)沿竖直方向位于大致水平部分(和/或倾斜部分240)与动水层214之间。

尽管在图2中所示的该具体示例中未示出，但可以在地表202下方例如在表面202与不可渗透层216和储存层219中的一者或两者之间发现自修复层(比如自修复层132)。在一些方面，自修复层可以包括地质层，其可以止挡或阻止危险材料(无论是液态、固态还是气态形式)从钻孔204的储存部分流向或朝向地表202的流。例如，在钻孔204的形成(例如，钻井)期间，全部或部分地质层的层面212、214、216和219可能被破坏，从而影响或改变其地质特征(例如渗透率)。

在一些方面，可以选择钻孔204的位置，以便穿过自修复层形成。例如，如图所示，钻孔204可以形成为使得钻孔204的竖直部分206的至少一部分形成为穿过自修复层。在一些方面，自修复层包括即使在钻井后也不会在长时间内维持裂纹的地质层。自修复层中的地质层的示例包括黏土或白云石。这种岩层中的裂缝易于修复，也就是说，由于材料的相对延展性以及自修复层中地层上叠放的岩石的重量所产生的地下的巨大压力，随着时间的推移裂缝会快速消失。除了提供针对由于形成钻孔204(例如，钻井或其他方式)而产生的裂缝的“修复机制”之外，自修复层还可以为天然断层和以其他方式可能为危险材料(例如，流体或固体)从储存区域(例如，在大致水平部分210中)泄漏至地表202、动水层214或两者提供通路的其他裂缝提供屏障。

如该示例中所示，钻孔204的大致水平部分210包括在部分210的远侧部分中的储存区域217，危险材料可以可取回地放置到该储存区域217中以便长期储存。例如，如图所示，作业绳管(串)224(例如，管道、盘管、线缆或其他)可以延伸到带套的钻孔204中，以放置一个或多个(示出为三个，但可能是更多或更少)危险材料罐226到部分210中的长期、但是在一些方面是可取回的储存部中。例如，在图2中所示的实施方式中，作业绳管224可包括联接到罐226的井下工具228，并且随着每次进入钻孔204中的行程，井下工具228可将特定的危险材料罐226存放在大致水平部分210中。

在一些方面，井下工具228可以通过螺纹连接或其他类型的连接(比如闩锁连接)联接到罐226。在替代方面，井下工具228可通过互锁闩锁联接到罐226，使得井下工具228的旋转(或线性运动或电动或液压开关)可锁止于罐226(或从罐226解锁)在替代方面，井下工具224可以包括一个或多个磁体(例如，稀土磁体、电磁体、其组合或其他)，它们吸引地联接到罐226。在一些示例中，罐226还可以包括与井下工具224上的磁体具有相反极性的一个或多个磁体(例如，稀土磁体、电磁体、其组合或其他)。在一些示例中，罐226可以由含铁材料或可吸引井下工具224的磁体的其他材料制成。

作为另一示例，每个罐226可以通过钻孔牵引件(例如，在线缆上或以其他方式)定位在钻孔204内，钻孔牵引件可以通过机动(例如，电动)运动将罐推或拉到大致水平部分210中。作为又一示例，每个罐226可包括或安装到辊(例如，轮)，使得井下工具224可将罐226推入带套的钻孔204中。

在一些示例性实施方式中，在存放操作之前，罐226、钻孔壳套220和222中的一个或多个或两者可以涂覆有减小摩擦的涂层。例如，通过将涂层(例如，石油基产品、树脂、陶瓷或其他)施加到罐226和/或钻孔壳套，可以使罐226更容易地运动穿过带套的钻孔204而进入大致水平部分210中。在一些方面，可仅一部分钻孔壳套被涂覆。例如，在一些方面，可以不对大致竖直部分206进行涂覆，但是可以对J形截面部分208或大致水平部分210或两者进行涂覆，以便于罐226更容易存放和取回。

图2还示出了钻孔204的大致水平部分210中的危险材料的取回操作的示例。取回操作可以与存放操作相反，使得井下工具224(例如，打捞工具)可以运行进入钻孔204中，联接到最后存放的罐226(例如，螺纹地、通过闩锁、通过磁体或其他方式)，并将罐226拉到地表202。井下工具224可以进行多次取回行程，以便从钻孔204的大致水平部分210取回多个罐。

每个罐226可以封装危险材料。在一些示例中，这种危险材料可以是生物或化学废料或其他生物或化学危险材料。在一些示例中，危险材料可以包括核材料，比如从核反应堆(例如，商用动力反应堆或试验反应堆)收回的废核燃料或军事核材料。例如，一个千兆瓦核电站每年可能生产30吨废核燃料。该燃料的密度通常接近10(10mg/cm³＝10kg/升)，因此一年的核废料的体积为约3m³。呈核燃料芯块形式的废核燃料可从反应堆中取出而无需改性。核燃料芯块是固体，但它们也可以包含并释放各种放射性气体，包括氚(13年半衰期)、氪85(10.8年半衰期)和含C-14的二氧化碳(5730年半衰期)。

在一些方面，储存层219应该能够在层219内包含任何放射性输出(例如，气体)，即使这种输出从罐226逸出。例如，可以基于以下条件选择储存层219：放射性输出穿过层219的扩散时间。例如，逸出储存层219的放射性输出的最小扩散时间可以设置为例如核燃料芯块的任何特定成分的半衰期的五十倍。作为最小扩散时间的五十个半衰期将使放射性输出的量减少1×10^-15倍。作为另一示例，将最小扩散时间设定为三十个半衰期将使放射性输出的量减少十亿倍。

例如，钚239由于其24100年的长半衰期而通常被认为是废核燃料中的危险废品。对于这种同位素，50个半衰期会是120万年。钚239在水中的溶解度低，不挥发，并且，作为固体，其无法穿过包括所示储存层219(例如，页岩或其他地层)的岩层的基质扩散。例如包括页岩的储存层219可以提供具有这样的隔离时间(例如，数百万年)的能力，如包含气态烃类(例如，甲烷和其他)数百万年的地质历史所表明的那样。相反，在常规的核材料储存方法中，危险在于，一旦封隔逸出，一些钚可能会溶解在包括动地下水的层面中。

如图2中进一步所示，可以将储存罐226定位在大致水平部分210中以进行长期储存，如图所示，该大致水平部分210穿过J形截面部分208与钻孔104的竖直直部分106联接。如图所示，J形截面部分208包括朝向地表202倾斜的向上引导的部分。在一些方面，例如，当在罐226中储存放射性危险材料时，J形截面部分208的该倾斜(以及倾斜部分240(如果形成的话)的倾斜)可以提供进一步的安全度和封堵，以防止或阻止材料(即使从罐226泄漏)到达例如动水层214、钻孔204的竖直部分206、地表202或其组合。例如，(与其他材料成分相比)危险材料中令人关注的放射性核素往往相对较轻或较重。较轻的放射性核素可能是对于泄漏最要关注的问题，这是因为重的元素和分子趋于下沉而不会向上朝向地表202扩散。氪气、具体为氪85是比空气(如大多数气体那样)重但比水轻得多的较轻的放射性元素。因此，一旦将氪85引入到水浴中，则这种气体将倾向于向上向地表202漂浮。另一方面，碘比水密度更大，并且如果被引入水浴中则将倾向于向下扩散。

通过包括钻孔204的J形截面部分208，放射性材料的任何这种扩散(例如，即使从罐226泄漏并且在钻孔204中存在水或其他液体的情况下或在其他情况下)将被倾斜地定向成向上朝向大致水平部分210、更具体的是朝向大致水平部分210的远端221并远离钻孔204的J形截面部分208(和竖直部分206)。因此，即使呈可扩散的气体形式的泄漏的危险材料也不会得到穿过钻孔210的竖直部分206(例如，直接地)到达地表202(或动水层214)的路径。例如，(尤其是呈气态形式的)泄漏的危险材料将被引导并聚集在钻孔部分210的远端221处，或一般地在钻孔204的大致水平部分210内。

也可以实施将罐226存放到倾斜的钻孔部分210中的替代方法。例如，可以使流体(例如，液体或气体)循环穿过钻孔204，以将罐226流体地推入倾斜的钻孔部分210中。在一些示例中，可以将各个罐226分别流体地推入。在替代方面中，两个或更多的罐226可以同时被流体地推动穿过钻孔204，以存放到大致水平部分210中。在一些情形中，流体可以是水。其他示例包括钻井泥浆或钻井泡沫。在一些示例中，可以使用诸如空气、氩气或氮气之类的气体将罐226推入钻孔中。

在一些方面，流体的选择可以至少部分取决于流体的黏度。例如，可以选择具有足够黏度的流体以阻止罐226掉落到大致竖直部分206中。该阻力或阻抗可以提供抵抗罐226突然掉落的安全系数。流体也可以提供润滑，以减少罐226与壳套220和222之间的滑动摩擦。罐226可以在充填有黏度、密度和润滑质量受控的液体的壳套内传送。壳套220和222的内径与所传送的罐226的外径之间的充填有流体的环形空间代表通路，该通路被设计为抑制任何高速率的罐运动，从而在被输送的罐226不太可能的脱开的情况下提供自动的被动保护。

在一些方面，可以采用其他技术来便于将罐226存放到大致水平部分210中。例如，一个或多个安装的壳套(例如，壳套220和222)可以具有导轨以引导储存罐226进入钻孔202中，同时减小了壳套与罐226之间的摩擦。储存罐226和壳套(或导轨)可以由易于抵靠彼此滑动的材料制成。当承受储存罐226的重量时，壳套的表面可被轻易润滑，或者可以是自润滑的表面。

流体也可以用于取回罐226。例如，在示例性取回操作中，壳套220和222内的容积可以充填有压缩气体(例如，空气、氮气、氩气或其他)。随着在大致水平部分210的端部处的压力增加，罐226可被推向J形截面部分208，并且随后穿过大致竖直部分206至地表。

在一些方面，钻孔204可为了长期储存危险材料的主要目的而形成。在替代方面，钻孔204可能已经在之前为了烃类生产(例如，油、气)的主要目的而形成。例如，储存层219可以是含烃类地层，从该含烃类地层将烃类生产到钻孔204中和生产到地表202。在一些方面，储存层219可能在烃类生产之前已经被液力压裂。进一步地，在一些方面，在液力压裂之前，已经对生产壳套222进行了穿孔。在这些方面中，在危险材料的存放操作之前，可以对生产壳套222进行修补(例如，粘结)以修理由穿孔过程形成的任何孔。另外，此时也可以充填壳套与钻孔之间的粘结剂中的任何裂缝或开口。

例如，在废核燃料作为危险材料的情形中，可以在特定位置处(例如在核电站附近)形成钻孔作为新钻孔，只要该位置也包括适当的储存层219、比如页岩层即可。替代地，可以选择已经产生页岩气的现有井或被废弃为“干”井的现有井(例如，有机物含量足够低，以至于该处的气体含量对于商业开发而言太低了)作为钻孔204。在一些方面，穿过钻孔204对储存层219的先前的液力压裂对钻孔204的危险材料储存能力可以几乎没有影响。但是，这种在先的活动也可以确认储存层219储存气体和其他流体数百万年的能力。因此，如果危险材料或危险材料的输出(例如，放射性气体或其他)要从罐226逸出并进入储存层219的压裂层中，则这些压裂部可能会允许该材料相对快速地散布在与压裂部的尺寸相当的距离上。在一些方面，可能已经钻了钻孔202用以生产烃类，但是这种烃类的生产失败了，例如是因为储存层219包括太易延展而难以压裂用以生产的岩层(例如，页岩或其他)，但其延展性有利于长期储存危险材料。

图3是根据本公开的危险材料储存库系统的另一示例性实施方式在存放或取回操作期间的示意图，其例如是用于危险材料的长期(例如数十、数百或数千年或更久)但可取回的安全且牢靠的储存的地下位置。例如，转到图3，该图示出了在存放(或取回，如下所述)过程期间、例如在地层中部署一个或多个危险材料罐期间的示例性危险材料储存库系统300。如图所示，危险材料储存库系统300包括从地表302起穿过多个地下层312、314和316形成(例如，钻出或以其他方式形成)的钻孔304。尽管地表302被示为在陆地表面，但地表302也可以是海底或其他水下表面，比如湖底或洋底或水体下方的其他表面。因此，本公开设想钻孔304可以从水体之上或附近的钻探位置起形成到水体下方。

在危险材料储存库系统300的该示例中，所示的钻孔304是定向钻孔。例如，钻孔304包括大致竖直部分306，该大致竖直部分306与弯曲部分308联接，该弯曲部分308进而联接到竖直起伏部分310。如在本公开中所使用的，在涉及钻孔定向的上下文中，“大致”是指可能并非恰好竖直(例如，恰好垂直于地表302)、或恰好水平(例如，恰好平行于地表302)、或相对于地表302恰好以特定的倾斜角度倾斜的钻孔。换言之，竖直钻孔通常会起伏偏离真正的竖直方向，它们可能以偏离真正的竖直方向的角度被钻出，水平钻孔常常起伏偏离恰好水平。此外，在一些方面，起伏部分可以不规则地起伏，即不具有均匀间隔的峰部或均匀间隔的谷部。相反，起伏的钻孔可不规则地起伏，例如，具有不均匀地间隔的峰部和/或不均匀地间隔的谷部。此外，起伏的钻孔可具有沿着钻孔的长度变化的峰谷距离。如该示例中所示，钻孔304的三个部分—竖直部分306、弯曲部分308和竖直起伏部分310形成了延伸到大地中的连续钻孔304。

在该示例中，所示的钻孔304具有表面壳套320，该表面壳套320定位并设置成围绕钻孔304从地表302起进入大地中一定深度。例如，表面壳套320可以是在浅层中围绕钻孔304设置(例如粘结)的相对较大直径的管状构件(或一串构件)。如本文中所使用的，“管状”可指具有圆形截面、椭圆形截面或其他形状截面的构件。例如，在危险材料储存库系统300的该实施方式中，表面壳套320从地表延伸穿过表层312。在该示例中，表层312是包括一个或多个分层岩层的地质层。在一些方面，在该示例中，表层312可以包括或可以不包括淡水含水层、盐水或卤水源、或其他动水源(例如，穿过地质层的水)。在一些方面，表面壳套320可以使钻孔304与这种动水隔离，并且还可以提供用于将其他壳套串安装在钻孔304中的悬挂位置。此外，尽管未示出，但是可以在表面壳套320上方(例如，在表面壳套320与地表302之间并且在表层312内)设置引导壳套，以防止钻井流体逸入表层312中。

如图所示，将生产壳套322定位并设置在表面壳套320井下的钻孔304内。尽管被称为“生产”壳套，但是在该示例中，壳套322可以经受或可以不经受烃类的生产操作。因此，壳套322是指并且包括设置(例如，粘结)在表面壳套320井下的钻孔304中的任何形式的管状构件。在危险材料储存库系统300的一些示例中，生产壳套322可以在弯曲部分308的端部处开始并延伸穿过整个竖直起伏部分310。壳套322也可以延伸到弯曲部分308和竖直部分306中。

如图所示，粘结剂330在壳套320和322与钻孔304之间的环形空间中围绕壳套320和322定位(例如，泵送)。粘结剂330例如可以穿过地表302下方的地下层而固定壳套320和322(和钻孔304的任何其他壳套或内衬)。在一些方面，可以沿着壳套(例如，壳套320和322和任何其他壳套)的整个长度装设粘结剂330，或者如果对于特定的钻孔302充分，则可沿壳套的特定部分使用粘结剂330。粘结剂330还可以为罐326中的危险材料提供附加的封隔层。

钻孔304以及相关的壳套320和322可能以各种示例性尺寸形成并处于各种示例性深度(例如，真正的竖直深度或TVD)。例如，引导壳套(未示出)可以向下延伸至约120英尺TVD，其直径在约28英寸至60英寸之间。表面壳套320可以向下延伸至约2500英尺TVD，其直径在约22英寸至48英寸之间。在表面壳套320与生产壳套322之间的中间壳套(未示出)可向下延伸至约8000英尺TVD，其直径在约16英寸至36英寸之间。生产壳套322可能以约11英寸至22英寸之间的直径倾斜地延伸(例如，以包围竖直起伏部分310)。前述尺寸仅作为示例提供，本公开设想了其他尺寸(例如，直径、TVD、长度)。例如，直径和TVD可能取决于多个地下层(312、314和316)中一个或多个的特定地质组成、特定的钻井技术以及包含要存放在危险材料储存库系统300中的危险材料的危险材料罐326的尺寸、形状或设计。在一些替代示例中，生产壳套322(或钻孔304中的其他壳套)可以是圆形截面的、椭圆形截面的或一些其他形状。

如图所示，钻孔304的竖直部分306延伸穿过地下层312、314和316，并且在该示例中，落置(到达)在地下层319中。如上所述，表层312可以包括或可以不包括动水。在该示例中，在表层312下方的地下层314是动水层314。例如，动水层314可包括一个或多个动水源，比如淡水含水层、盐水或卤水、或其他动水源。在危险材料储存库系统300的该示例中，动水可以是基于横跨整个或部分地下层的压力差运动穿过地下层的水。例如，动水层314可以是可渗透地质层，其中，水在层314内自由运动(例如，由于压力差或其他原因)。在一些方面，动水层314可以是在特定的地理区域中人类可用水的主要来源。可构成动水层314的岩层的示例包括多孔砂岩和石灰岩以及其他岩层。

诸如不可渗透层316和储存层319之类的其他示出的层可包括不动水。在一些方面，不动水是不适合人类或动物或两者使用的水(例如，淡水、盐水、卤水)。在一些方面，不动水可以是通过其穿过层316或319(或两者)的运动不能在10000年或更长的时间(比如长达1000000年)内到达动水层314、地表302或两者的水。

在危险材料储存库系统300的该示例性实施方式中，在动水层314下方的是不可渗透层316。在该示例中，不可渗透层316可能不允许动水穿过。因此，相对于动水层314，不可渗透层316可具有低渗透率，例如是纳达西等级的渗透率。另外，在该示例中，不可渗透层316可以是相对非延展性(即脆性)的地质层。非延展性的一个量度是脆度，它是压缩应力与拉伸强度之比。在一些示例中，不可渗透层316的脆度可以在约20MPa至40MPa之间。

如该示例中所示，不可渗透层316比储存层319更浅(例如，更靠近地表302)。在该示例中，不可渗透层316可包括的岩层包括例如具有如上所述的渗透率和脆度的特定类型的砂岩、泥岩、黏土和板岩。在替代示例中，不可渗透层316可比储存层319更深(例如，距地表302更远)。在这些替代示例中，不可渗透层316可包括诸如花岗岩之类的火成岩。

在不可渗透层316的下面是储存层319。在该示例中，出于多种原因，可以选择储存层319作为储存危险材料的竖直起伏部分310的落置部。相对于不可渗透层316或其他层，储存层319可以是厚的，例如总竖直厚度为约100到200英尺之间。储存层319的厚度可以允许更容易的落置和定向钻井，从而允许竖直起伏部分310在构造(例如，钻井)期间容易地安放在储存层319内。如果竖直起伏部分310穿过储存层319的大致水平中心形成，则竖直起伏部分310可以被约50至100英尺的包括储存层319的地质层围绕。此外，例如由于层319的非常低的渗透率(例如，在毫达西或纳达西的等级)，储存层319也可仅具有不动水。另外，储存层319可具有足够的延展性，使得包括层319的岩层的脆度在约3MPa至10MPa之间。储存层319可包括的岩层的示例包括：页岩和硬石膏。此外，在一些方面，如果储存层具有足够的地质特性以将可渗透层与动水层314隔离，则即使在诸如砂岩或石灰石之类的可渗透地层中，危险材料也可被储存在储存层下方。

在危险材料储存库系统300的一些示例性实施方式中，储存层319(和/或不可渗透层316)包括页岩。在一些示例中，页岩的特性可以适配于储存层319的上述特性。例如，页岩层可以适合于(例如，在危险材料罐326中)危险材料的长期封隔，以及适合于将它们与动水层314(例如，含水层)和地表302隔离。页岩层可以在地球上相对较深、通常为3000英尺或更深的地方发现，并且隔离放置在任何淡水含水层下方。其他层可包括盐或其他不可渗透的地层层面。

例如，页岩层(或盐或其他不可渗透的地层层面)可包括增强材料的长期(例如数千年)隔离的地质特性。例如，已经通过烃类流体(例如，气体、液体、混合相流体)的长期(例如，数千万年)储存而没有流体逸出到周围层(例如，动水层314)中来说明了这种特性。实际上，已表明数百万年或更长时间以来，页岩保有天然气，这使其具有长期储存危险材料的经证实的能力。示例性页岩层(例如，Marcellus(马塞勒斯页岩)、Eagle Ford(鹰滩页岩)、Barnett(巴奈特页岩)和其他)具有层理，该层理包含已在数百万年的时间里有效地防止了水、油和气运动的许多冗余密封层，缺乏动水，并且可以预期(例如，基于地质考虑)在存放后数千年内密封危险材料(例如，流体或固体)。

在一些方面，储存层319和/或不可渗透层316可以形成泄漏屏障或流体泄漏的屏障层，该泄漏可以至少部分地由持续数百年、数千年、数万年、数十万年甚至数百万年的烃类或其他流体(例如，二氧化碳)的层的储存容量的迹象确定。例如，基于烃类或其他流体储存的这类证据，储存层319的屏障层和/或不可渗透层316可以由危险材料的泄漏的超过10000年(比如在10000年至1000000年之间)的时间常数来定义。

页岩(或盐或其他不可渗透层)层也可以处于合适的深度，例如在3000至12000英尺TVD之间。这样的深度通常在地下水含水层(例如，表层312和/或动水层314)的下方。此外，页岩中可溶性元素(包括盐)的存在以及含水层中这些元素的不存在表明了页岩与含水层之间的流体隔离。

页岩特别有利于自身进行危险材料储存的另一特质是其黏土含量，在一些方面，其提供的延展性的量值大于在其他不可渗透的岩层(例如，不可渗透层316)中发现的延展性的量值。例如，页岩可以是分层的，由黏土(例如，按体积计约20－30％之间的黏土)和其他矿物的薄交替层组成。与不可渗透层(例如，白云石或其他)中的岩层相比，这种组合物可(例如，自然地或以其他方式)使页岩更不易碎并因此更不易破裂。例如，不可渗透层316中的岩层对于危险材料的长期储存可以具有合适的渗透率，但是太脆而通常破裂。因此，这样的地层可能没有足够的密封特质(如通过其地质特性证明的)以供长期储存危险材料。

本公开设想在所示地下层312、314、316和319之间可或其中存在许多其他层。例如，可能有动水层314、不可渗透层316和储存层319中的一个或多个(例如，沿竖直方向)的重复样式。此外，在一些示例中，储存层319可以(例如，沿竖直方向)直接邻近动水层314，即没有介于中间的不可渗透层316。在一些示例中，弯曲部分308和竖直起伏部分310中的全部或部分可以形成在储存层319下方，使得储存层319(例如，页岩或具有本文中所述特征的其他地质层)沿竖直方向位于竖直起伏部分310与动水层314之间。

尽管在图3中所示的该具体示例中未示出，但可以在地表302下方例如在表面302与不可渗透层316和储存层319中的一者或两者之间发现自修复层(比如自修复层132)。在一些方面，自修复层可以包括地质层，其可以止挡或阻止危险材料(无论是液态、固态还是气态形式)从钻孔304的储存部分流向或朝向地表302的流。例如，在钻孔304的形成(例如，钻井)期间，全部或部分地质层的层面312、314、316和319可能被破坏，从而影响或改变其地质特征(例如渗透率)。

在一些方面，可以选择钻孔304的位置，以便穿过自修复层形成。例如，如图所示，钻孔304可以形成为使得钻孔304的竖直部分306的至少一部分形成为穿过自修复层。在一些方面，自修复层包括即使在钻穿之后也不会在长时间内维持裂纹的地质层。自修复层中的地质层的示例包括黏土或白云石。这种岩层中的裂缝易于修复，也就是说，由于材料的相对延展性以及自修复层中地层上叠放的岩石的重量所产生的巨大地下压力，随着时间的推移裂缝会快速消失。除了提供针对由于形成钻孔304(例如，钻井或其他方式)而产生的裂缝的“修复机制”之外，自修复层还可以为天然断层和以其他方式可能为危险材料(例如，流体或固体)从储存区域(例如，在竖直起伏部分310中)泄漏至地表302、动水层314或两者提供路径的其他裂缝提供屏障。

如该示例中所示，钻孔304的竖直起伏部分310包括在部分310的远侧部分中的储存区域317，危险材料可以可取回地放置在该储存区域317中以便长期储存。例如，如图所示，作业绳管(串)324(例如，管道、盘管、线缆或其他)可以延伸到带套的钻孔304中，以放置一个或多个(示出为三个，但可能是更多或更少)危险材料罐326到部分310中的长期、但是在一些方面是可取回的储存部中。例如，在图3中所示的实施方式中，作业绳管324可包括联接到罐326的井下工具328，并且随着每次进入钻孔304的行程，井下工具328可将特定的危险材料罐326存放在竖直起伏部分310中。

在一些方面，井下工具328可以通过螺纹连接或其他类型的连接(比如闩锁连接)联接到罐326。在替代方面，井下工具328可通过互锁闩锁联接到罐326，使得井下工具328的旋转(或线性运动或电动或液压开关)可锁止于罐326(或从罐326解锁)在替代方面，井下工具324可以包括一个或多个磁体(例如，稀土磁体、电磁体、其组合或其他)，它们吸引地联接到罐326。在一些示例中，罐326还可以包括与井下工具324上的磁体具有相反极性的一个或多个磁体(例如，稀土磁体、电磁体、其组合或其他)。在一些示例中，罐326可以由含铁材料或可吸引井下工具324的磁体的其他材料制成。

作为另一示例，每个罐326可以通过钻孔牵引件(例如，在线缆上或以其他方式)定位在钻孔304内，钻孔牵引件可以通过机动(例如，电动)运动将罐推或拉到竖直起伏部分310中。作为又一示例，每个罐326可包括或安装到辊(例如，轮)，使得井下工具324可将罐326推入带套的钻孔304中。

在一些示例性实施方式中，在存放操作之前，罐326、钻孔壳套320和322中的一个或多个或两者可以涂覆有减小摩擦的涂层。例如，通过将涂层(例如，石油基产品、树脂、陶瓷或其他)施加到罐326和/或钻孔壳套，可以使罐326更容易地运动穿过带套的钻孔304而进入大致竖直起伏部分310中。在一些方面，可仅一部分钻孔壳套被涂覆。例如，在一些方面，可以不对大致竖直部分306进行涂覆，但是可以对弯曲部分308或竖直起伏部分310或两者进行涂覆，以便于罐326更容易存放和取回。

图3还示出了钻孔304的竖直起伏部分310中的危险材料的取回操作的示例。取回操作可以与存放操作相反，使得井下工具324(例如，打捞工具)可以运行进入钻孔304中，联接到最后存放的罐326(例如，螺纹地、通过闩锁、通过磁体或其他方式)，并将罐326拉到地表302。井下工具324可以进行多次取回行程，以便从钻孔304的竖直起伏部分310取回多个罐。

每个罐326可以封装危险材料。在一些示例中，这种危险材料可以是生物或化学废料或其他生物或化学危险材料。在一些示例中，危险材料可以包括核材料，比如从核反应堆(例如，商用动力反应堆或试验反应堆)收回的废核燃料或军事核材料。例如，一个千兆瓦核电站每年可能生产30吨废核燃料。该燃料的密度通常接近10(10mg/cm³＝10kg/升)，因此一年的核废料体积为约3m³。呈核燃料芯块形式的废核燃料可从反应堆中取出而无需改性。核燃料芯块是固体，但它们也可以包含并释放各种放射性气体，包括氚(13年半衰期)、氪85(10.8年半衰期)和含C-14的二氧化碳(5730年半衰期)。

在一些方面，储存层319应该能够在层319内包含任何放射性输出(例如，气体)，即使这种输出从罐326逸出。例如，可以基于以下条件选择储存层319：放射性输出穿过层319的扩散时间。例如，逸出储存层319的放射性输出的最小扩散时间可以设置为例如核燃料芯块的任何特定成分的半衰期的五十倍。作为最小扩散时间的五十个半衰期将使放射性输出的量减少1×10^-15倍。作为另一示例，将最小扩散时间设定为三十个半衰期将使放射性输出的量减少十亿倍。

例如，钚239由于其24100年的长半衰期而通常被认为是废核燃料中的危险废品。对于这种同位素，50个半衰期会是120万年。钚239在水中的溶解度低，不挥发，并且，作为固体，其无法穿过包括所示储存层319(例如，页岩或其他地层)的岩层的基质扩散。例如包括页岩的储存层319可以提供具有这样的隔离时间(例如，数百万年)的能力，如包含气态烃类(例如，甲烷和其他)数百万年的地质历史所表明的那样。相反，在常规的核材料储存方法中，危险在于，一旦封隔逸出，一些钚可能会溶解在包括动地下水的层面中。

如图3中进一步所示，可以将储存罐326定位在竖直起伏部分310中以进行长期储存，如图所示，该竖直起伏部分310穿过弯曲部分308与钻孔104的竖直部分106联接。如图所示，弯曲部分308包括朝向地表302倾斜的向上引导的部分。此外，如图所示，钻孔304的起伏部分310包括若干个向上和向下(相对于表面302)倾斜部分，从而在起伏部分310中形成若干个峰部和谷部。在一些方面，例如，当在罐326中储存放射性危险材料时，弯曲部分308和起伏部分310的这些倾斜可以提供进一步的安全度和封堵，以防止或阻止材料(即使从罐326泄漏)到达例如动水层314、钻孔304的竖直部分306、地表302或其组合。例如，(与其他材料成分相比)危险材料中令人关注的放射性核素往往相对较轻或较重。较轻的放射性核素可能是对于泄漏最要关注的问题，这是因为重的元素和分子趋于下沉而不会向上朝向地表302扩散。氪气、具体为氪85是比空气(如大多数气体那样)重但比水轻得多的较轻的放射性元素。因此，一旦将氪85引入到水浴中，则这种气体将倾向于向上向地表302漂浮。另一方面，碘比水密度更大，如果被引入水浴中则将倾向于向下扩散。

通过包括钻孔304的弯曲部分308和起伏部分310，放射性材料的任何这种扩散(例如，即使从罐326泄漏并且在钻孔304中存在水或其他液体的情况下或在其他情况下)将朝向竖直起伏部分310、且更具体的是竖直起伏部分310内的峰部并远离钻孔304的弯曲部分308(和竖直部分306)定向。因此，即使呈可扩散气体形式的泄漏的危险材料也不会得到穿过钻孔310的竖直部分306(例如，直接地)到达地表302(或动水层314)的路径。例如，(尤其是呈气态形式的)泄漏的危险材料将被引导并聚集在钻孔部分310的峰部处，或一般地在钻孔304的竖直起伏部分310内。

也可以实施将罐326存放到倾斜的钻孔部分310中的替代方法。例如，可以使流体(例如，液体或气体)循环穿过钻孔304，以将罐326流体地推入倾斜的钻孔部分310中。在一些示例中，可以将各个罐326分别流体地推入。在替代方面中，两个或更多的罐326可以同时被流体地推动穿过钻孔304，以存放到竖直起伏部分310中。在一些情形中，流体可以是水。其他示例包括钻井泥浆或钻井泡沫。在一些示例中，可以使用诸如空气、氩气或氮气之类的气体将罐326推入钻孔中。

在一些方面，流体的选择可以至少部分取决于流体的黏度。例如，可以选择具有足够黏度的流体以阻止罐326掉落到大致竖直部分306中。该阻力或阻抗可以提供抵抗罐326突然掉落的安全系数。流体也可以提供润滑，以减少罐326与壳套320和322之间的滑动摩擦。罐326可以在充填有黏度、密度和润滑质量受控的液体的壳套内传送。壳套320和322的内径与所传送的罐326的外径之间的充填有流体的环形空间代表通路，该通路被设计为抑制任何高速率的罐运动，从而在被输送的罐326的不太可能的脱开的情况下提供自动的被动保护。

在一些方面，可以采用其他技术来便于将罐326存放到竖直起伏部分310中。例如，一个或多个安装的壳套(例如，壳套320和322)可以具有导轨以引导储存罐326进入钻孔302中，同时减小了壳套与罐326之间的摩擦。储存罐326和壳套(或导轨)可以由易于抵靠彼此滑动的材料制成。当承受储存罐326的重量时，壳套的表面可被轻易润滑，或者可以是自润滑的表面。

流体也可以用于取回罐326。例如，在示例性取回操作中，壳套320和322内的容积可以充填有压缩气体(例如，空气、氮气、氩气或其他)。随着在竖直起伏部分310的端部处的压力增加，罐326可被推向弯曲部分308，并且随后穿过大致竖直部分306至地表。

在一些方面，钻孔304可为了长期储存危险材料的主要目的而形成。在替代方面，钻孔304可能已经在之前为了烃类生产(例如，油、气)的主要目的而形成。例如，储存层319可以是含烃类地层，从该含烃类地层将烃类生产到钻孔304中和生产到地表302。在一些方面，储存层319可能在烃生产之前已经被液力压裂。进一步地，在一些方面，在液力压裂之前，已经对生产壳套322进行了穿孔。在这些方面，在危险材料的存放操作之前，可以对生产壳套322进行修补(例如，粘结)以修理由穿孔过程形成的任何孔。另外，此时也可以充填壳套与钻孔之间的粘结剂中的任何裂缝或开口。

例如，在废核燃料作为危险材料的情形中，可以在特定位置处(例如在核电站附近)形成钻孔作为新钻孔，只要该位置也包括适当的储存层319、比如页岩层即可。替代地，可以选择已经生产页岩气的现有井或被废弃为“干”井的现有井(例如，有机物含量足够低，以至于该处的气体含量对于商业开发而言太低了)作为钻孔304。在一些方面，穿过钻孔304对储存层319的先前液力压裂对钻孔304的危险材料储存能力可以几乎没有影响。但是，这种在先的活动也可以确认储存层319储存气体和其他流体数百万年的能力。因此，如果危险材料或危险材料的输出(例如，放射性气体或其他)要从罐326逸出并进入储存层319的压裂的层中，则这些压裂部可能会允许该材料相对快速地散布在与压裂部的尺寸相当的距离上。在一些方面，可能已经钻了钻孔302用以生产烃类，但是这种烃类的生产失败了，例如是因为储存层319包括太易延展而难以压裂用以生产的岩层(例如，页岩或其他)，但其延展性有利于长期储存危险材料。

图4A－4C是根据本公开的危险材料储存库系统的其他示例性实施方式的示意图。图4A示出了危险材料储存库系统400，图4B示出了危险材料储存库系统450，图4C示出了危险材料储存库系统480。系统400、450和480中的每个包括从地表(分别为402、452和482)起钻出的大致竖直的钻孔(分别为404、454和484)。每个大致竖直的钻孔(404、454、484)联接到(或继续进入)过渡钻孔(分别为406、456和486)，该过渡钻孔是弯曲的或倒圆的钻孔。然后，每个过渡钻孔(406、456和486)联接到(或继续进入)隔离钻孔(分别为408、458和488)，该隔离钻孔包括或包含危险材料储存库，一个或多个危险材料储存罐(例如，罐126)可被放入该危险材料储存库中以用于长期储存，并且如果需要的话根据本公开进行取回。

如图4A中所示，隔离钻孔408是螺旋钻孔，其在其连接到过渡钻孔406的点处开始向水平弯曲并且同时开始向侧面弯曲，即在水平方向上弯曲。一旦螺旋钻孔达到其最低点，它继续在两个方向上弯曲，使其略微向上螺旋。在该点处，水平曲线可以做得稍大一些，以使该曲线不与竖直钻孔404相交。一旦螺旋钻孔开始上升，就可以开始弯曲的危险材料储存库部段。储存部段可以继续直到最高点(例如，最靠近地表402的点)为止，该最高点是尽头式捕集部(例如，用于逸出的危险材料固体、液体或气体)。螺旋钻孔的升角通常可以为3度。

在一些方面，螺旋钻孔408的路径可以沿着螺旋的轴线(即，在螺旋圆的中心)行进或移位。此外，如图4A中所示，竖直钻孔404形成在螺旋钻孔408内。换言之，螺旋钻孔408可对称地围绕竖直钻孔404形成。暂且转至图4C，系统480示出了类似于螺旋钻孔408的螺旋钻孔488。然而，螺旋钻孔488形成为偏置到竖直钻孔484的一侧。在一些方面，螺旋钻孔488可以形成为偏置到竖直钻孔484的任何一侧。

转至图4B，系统450包括螺旋钻孔458，该螺旋钻孔458联接到从竖直钻孔454转向的过渡钻孔456。这里，螺旋钻孔458并非竖直定向(例如，具有平行于竖直钻孔的旋转轴线)，而是水平定向(例如，具有垂直于竖直钻孔454的旋转轴线)。危险材料储存部段位于螺旋钻孔458的端部处或螺旋钻孔458内(或两者)。

在系统400、450和480的实施方式中，过渡钻孔的曲率半径可以为约1000英尺。螺旋钻孔中的每个螺旋的周长可以是曲率半径的约2π倍，或约6000英尺。因此，螺旋钻孔中的每个螺旋可能包含危险材料罐的储存区域中的一英里多一点。在一些替代方面，曲率半径可以是约500英尺。于是，螺旋钻孔的每个螺旋可包括危险材料罐的储存区域中的约0.5英里。如果需要两英里的储存部，则对于该尺寸的每个螺旋钻孔可能要有四个螺旋。

如图4A－4C中所示，系统400、450和480中的每一个都包括钻孔部分，该钻孔部分用作危险材料储存区域并且竖直地朝向地表而远离每个系统的过渡钻孔和每个部段的竖直钻孔之间的相交部引导。因此，任何泄漏的危险材料(比如放射性废气)可以被引导到这种竖直定向的储存区域并且远离竖直钻孔。图4A－4C中所示的每个钻孔都可以是带套的或不带套的；壳套可作为附加保护层，以防止危险材料到达动水。如果省去了壳套，则对任何钻孔的角度改变会更快，而其约束是容许任何罐穿过其中的运动。如果有壳套，则钻孔方向的角度变化可能会足够缓慢地完成(如它们在标准定向钻井中那样)，以至于可以将壳套推入钻孔中。此外，在一些方面，每个所示的隔离钻孔(408、458和488)的全部或一部分可以(如本公开中所述)形成在不可渗透层中或不可渗透层下。

在一些方面，螺旋钻孔的实施方式可绕旋转轴线具有恒定曲率。螺旋钻孔的替代实施方式可以具有逐渐变化的曲率，从而使螺旋钻孔中的螺旋更紧密或缩限更少。螺旋钻孔的还有的附加实施方式可以使螺旋半径发生变化(使其更紧密或更不紧密)，但几乎没有或没有竖直升角(例如，对于以下情况可能是有用的：地质层中隔离钻孔的危险材料储存部段在竖直尺寸上不是很厚)。

图5A是危险材料储存库系统的另一示例性实施方式的示意性俯视图图，图5B－5C是示意性侧视图。如图所示，该系统包括从地表502起形成的竖直钻孔504。竖直钻孔504联接到或继续进入过渡钻孔506中。过渡钻孔506联接到或转向进入隔离钻孔508中。在该示例中，隔离钻孔508包括或包含起伏钻孔，其中，各起伏部是大致横向(边对边)布置的。如图5B中所示，隔离钻孔508在其沿横向起伏时朝向地表502上升并且沿竖直方向远离过渡钻孔506。如图5C中所示，替代地，当隔离钻孔508沿横向起伏时，其停留在大致平行于地表502的平面中。

在一些方面，螺旋或起伏钻孔可以被定向而不考虑其所形成于的任何含气层或含油层的应力模式。这是因为该定向不需要像烃类生产的情形中那样考虑钻孔的任何压裂。因此，可以利用未沿岩石应力模式的方向定向并且更紧凑的钻孔几何形状。这些钻孔在减少在其下方形成钻孔的土地量方面也可具有显著价值。这也可以减少土地成本以及任何必须购买以允许建设危险材料储存库系统的矿产权的成本。因此，钻孔不是由岩石中的应力模式确定的，而主要是由可用土地的高效且实际的使用确定的。

图5A－5C中所示的每个钻孔都可以是带套的或不带套的；壳套可作为附加保护层，以防止危险材料到达动水。如果省去了壳套，则对任何钻孔的角度改变会更快，而其约束是容许任何罐穿过其中的运动。如果有壳套，则钻孔方向的角度变化可能会足够缓慢地完成(如它们在标准定向钻井中那样)，以至于可以将壳套推入钻孔中。此外，在一些方面，隔离钻孔508的全部或一部分可以(如本公开中所述)形成在不可渗透层中或不可渗透层下。

大体上参考图1A、2、3、4A－4C和5A－5C，示例性危险材料储存库系统(例如100、200、300、400、450、480和500)可以提供多层封堵，以确保危险材料(例如，生物、化学、核危险材料)密封地储存在适当的地下层中。在一些示例实施方式中，可存在至少十二层封堵。在替代的实施方式中，可以采用更少或更多数量的封堵层。

第一，使用废核燃料作为示例性危险材料，将燃料芯块从反应堆中取出而不进行改性。它们可能由烧结二氧化铀(UO₂)、陶瓷制成，并可能保持固态并释放各种放射性气体，包括氚(13年半衰期)、氪85(10.8年半衰期)和含C-14的二氧化碳(5730年半衰期)。除非芯块暴露于极强的腐蚀性条件或破坏多层封堵的其他影响，否则大多数放射性同位素(包括C-14、氚或氪85)都将被包含在芯块中。

第二，就像在反应堆中一样，燃料芯块被燃料棒的锆合金管包围。如所描述的，这些管可以安装在原始燃料组件中，或者从那些组件中移除以进行更紧密的包装。

第三，将管放置在危险材料罐的密封壳体中。壳体可以是统一的结构或多面板结构，其中，多个面板(例如，侧面、顶部、底部)被机械地紧固(例如，(通过)螺钉、铆钉、焊接和其他)。

第四，材料(例如，固体或流体)可以充填危险材料罐，以在该材料与罐的外部之间提供进一步的缓冲。

第五，将(一个或多个)危险材料罐(如上所述)定位在衬有钢或其他密封壳套的钻孔中，在一些示例中，该钢或其他密封壳套在整个钻孔中延伸(例如，大致竖直部分、倒圆部分和倾斜部分)。壳套被粘结在位，从而为待运动穿过其中的危险材料罐提供了一个相对光滑的表面(例如，与钻孔壁相比)，从而减少了在存放或取回过程中泄漏或破裂的可能性。

第六，一旦危险材料从罐中逸出，则将壳套保持在位或有助于将壳套保持在位的粘结剂还可以提供密封层以容纳危险材料。

第七，危险材料罐被储存在钻孔的一部分(例如，倾斜部分)中，该部分位于包括储存层的岩层的厚(例如，100－200英尺)的缝内。可以至少部分地根据岩层的地质特性(例如，仅不动水、低渗透率、厚、适当的延展率或韧度(非脆度)来选择储存层。例如，在页岩作为储存层的岩层的情形中，这种类型的岩石可以提供一定程度的封堵，这是因为已知页岩已经成为烃类气体的密封部达数百万年了。页岩可能含有卤水，但是该卤水明显是不动的，并且不与地表淡水连通。

第八，在一些方面，储存层的岩层可以具有其他独特的地质特性，这些地质特性提供了另一层次的封堵。例如，页岩通常含有反应性成分，比如硫化铁，该反应性成分降低了危险材料(例如，废核燃料及其放射性输出)能够迁移穿过储存层的可能性，而不会以进一步降低此类输出的扩散速率的方式发生进行反应。此外，储存层可以包括通常具有极低的扩散率的成分，比如黏土和有机物质。例如，页岩可能是分层的，且包括黏土和其他矿物的薄交替层。诸如页岩之类的储存层中的岩层的这种分层可以提供该额外的封堵层。

第九，储存层可以位于比不可渗透层更深的下方，该不可渗透层将储存层(例如，沿竖直方向)与动水层分开。

第十，可以基于地下层内的这种层的深度(例如，3000到12000英尺)来选择储存层。这样的深度通常远低于任何包含动水的层，因此，储存层的绝对深度提供了额外的封堵层。

第十一，本公开的危险材料储存库系统的示例性实施方式有利于监测所储存的危险材料。例如，如果所监测到的数据表明危险材料泄漏或发生其他情况(例如，温度变化、放射性或其他)，甚至是罐被破坏或侵入，则可以取回危险材料罐以进行修理或检查。

第十二，一个或多个危险材料罐可以被取回，以根据需要(例如，在有或没有监测的情况下)进行定期检查、调节或修理。因此，可以解决罐的任何问题，而不会使危险材料从不减退的罐中泄漏或逸出。

第十三，即使危险材料从罐中逸出并且在泄漏的危险材料与地表之间没有任何不可渗透的层，泄漏的危险材料也可被包含在钻孔内没有通达地表或含水层(例如动水层)或其他对人类构成危险的区域的向上路径。例如，可能是J型截面钻孔、倾斜钻孔的尽头或竖直起伏钻孔的峰部的位置处可能没有直接向上(例如，朝向地表)通达钻孔的竖直部分的路径。

已描述了多个实施方式。然而，将理解的是，可做出各种修改而不偏离本公开的精神和范围。例如，本文中描述的示例性操作、方法或过程可以包括比所描述的那些更多或更少的步骤。此外，可能以与附图中描述或示出的顺序不同的顺序来执行这种示例性操作、方法或过程中的步骤。由此，其他实施方式在以下权利要求书的范围内。

Claims (67)

1.一种危险材料储存库，包括：

钻孔，所述钻孔延伸到大地中并且包括至少邻近地表的入口，所述钻孔包括大致竖直钻孔部分、联接到所述大致竖直钻孔部分的过渡钻孔部分和联接到所述过渡钻孔部分的危险材料储存钻孔部分，所述过渡钻孔部分或所述危险材料储存钻孔部分中的至少一个包括隔离钻孔部分，所述隔离钻孔部分竖直地指向所述地表并远离所述大致竖直钻孔部分与所述过渡钻孔部分之间的相交部；

储存罐，所述储存罐定位在所述危险材料储存钻孔部分中，所述储存罐的尺寸定为适于从所述钻孔入口穿过所述大致竖直钻孔部分、所述过渡钻孔部分进入所述钻孔的所述危险材料储存钻孔部分，所述储存罐包括尺寸定为封装危险材料的内腔；以及

密封件，所述密封件位于所述钻孔中，所述密封件将所述钻孔的所述危险材料储存钻孔部分与所述钻孔的所述入口隔离。

2.根据权利要求1所述的危险材料储存库，其特征在于，所述隔离钻孔部分包括竖直倾斜钻孔部分，所述竖直倾斜钻孔部分包括在第一深度处联接到所述过渡钻孔部分的近端和与所述近端相对在比所述第一深度更浅的第二深度处的远端。

3.根据权利要求2所述的危险材料储存库，其特征在于，所述竖直倾斜钻孔部分包括所述危险材料储存钻孔部分。

4.根据权利要求2所述的危险材料储存库，其特征在于，至少部分地基于与围绕所述竖直倾斜钻孔部分的地质层的受扰区域相关联的距离以及与所述储存罐的最低部分和所述大致竖直钻孔部分相切的距离的长度来确定所述竖直倾斜钻孔部分的倾斜角。

5.根据权利要求4所述的危险材料储存库，其特征在于，与所述地质层的所述受扰区域相关联的距离包括所述受扰区域的外周与所述竖直倾斜钻孔部分的径向中心线之间的距离。

6.根据权利要求4所述的危险材料储存库，其特征在于，所述倾斜角为约3度。

7.根据权利要求1所述的危险材料储存库，其特征在于，所述隔离钻孔部分包括联接在所述大致竖直钻孔部分与所述危险材料储存钻孔部分之间的J型截面钻孔部分。

8.根据权利要求7所述的危险材料储存库，其特征在于，所述J型截面钻孔部分包括所述过渡钻孔部分。

9.根据权利要求7所述的危险材料储存库，其特征在于，所述危险材料储存钻孔部分包括大致水平钻孔部分或竖直倾斜钻孔部分中的至少一者。

10.根据权利要求1所述的危险材料储存库，其特征在于，所述隔离钻孔部分包括联接到所述过渡钻孔部分的竖直起伏钻孔部分。

11.根据权利要求10所述的危险材料储存库，其特征在于，所述过渡钻孔部分包括所述大致竖直钻孔部分与所述竖直起伏钻孔部分之间的弯曲钻孔部分。

12.根据权利要求1所述的危险材料储存库，其特征在于，所述危险材料储存钻孔部分位于屏障层内或下方，所述屏障层包括页岩层面、盐层面或其他不可渗透层面中的至少一者。

13.根据权利要求12所述的危险材料储存库，其特征在于，所述危险材料储存钻孔部分通过所述屏障层与包括动水的地下区域竖直地隔离。

14.根据权利要求12所述的危险材料储存库，其特征在于，所述危险材料储存钻孔部分形成在所述屏障层下方并且通过所述屏障层与包括动水的地下区域竖直地隔离。

15.根据权利要求12所述的危险材料储存库，其特征在于，所述危险材料储存钻孔部分形成在所述屏障层内并且通过所述屏障层的至少一部分与包括动水的地下区域竖直地隔离。

16.根据权利要求12所述的危险材料储存库，其特征在于，所述屏障层包括小于约0.01毫达西的渗透率。

17.根据权利要求12所述的危险材料储存库，其特征在于，所述屏障层的脆度小于约10MPa，其中，脆度包括所述屏障层的压缩应力与所述屏障层的拉伸强度之比。

18.根据权利要求12所述的危险材料储存库，其特征在于，所述屏障层靠近所述危险材料储存钻孔部分的厚度为至少约100英尺。

19.根据权利要求12所述的危险材料储存库，其特征在于，所述屏障层的靠近所述危险材料储存钻孔部分的厚度抑制在基于危险材料的半衰期的一定时间范围内逸出所述储存罐的危险材料的穿过所述屏障层的扩散。

20.根据权利要求12所述的危险材料储存库，其特征在于，所述屏障层包括约20％至30％体积重量的黏土或有机物质。

21.根据权利要求12所述的危险材料储存库，其特征在于，所述屏障层包括不可渗透层。

22.根据权利要求12所述的危险材料储存库，其特征在于，所述屏障层包括由用于危险材料泄漏的为10000年或更久的时间常数所限定的泄漏屏障。

23.根据权利要求12所述的危险材料储存库，其特征在于，所述屏障层包括含烃类或二氧化碳的地层。

24.根据权利要求1所述的危险材料储存库，其特征在于，所述危险材料包括废核燃料。

25.根据权利要求1所述的危险材料储存库，其特征在于，还包括至少一个壳套组件，所述壳套组件从地表处或其附近起延伸，穿过所述钻孔，并进入所述危险材料储存钻孔部分中。

26.根据权利要求1所述的危险材料储存库，其特征在于，所述储存罐包括连接部分，所述连接部分构造成联接到井下工具串或另一储存罐中的至少一者。

27.根据权利要求1所述的危险材料储存库，其特征在于，所述隔离钻孔部分包括螺旋钻孔。

28.根据权利要求1所述的危险材料储存库，其特征在于，所述隔离钻孔部分包括特定的几何形状，该几何形状与所述隔离钻孔部分形成到其中的岩层的应力状态无关。

29.一种储存危险材料的方法，包括：

使储存罐运动穿过延伸到地表中的钻孔的入口，所述入口至少邻近所述地表，所述储存罐包括尺寸定为封装危险材料的内腔；

使所述储存罐运动穿过所述钻孔，所述钻孔包括大致竖直钻孔部分、联接到所述大致竖直钻孔部分的过渡钻孔部分以及联接到所述过渡钻孔部分的危险材料储存钻孔部分，所述过渡钻孔部分或所述危险材料储存钻孔部分中的至少一者包括隔离钻孔部分，所述隔离钻孔部分竖直指向所述地表并远离所述大致竖直钻孔部分与所述过渡钻孔部分之间的相交部；

使所述储存罐运动到所述危险材料储存钻孔部分中；以及

在所述钻孔中形成密封件，所述密封件将所述钻孔的储存部分与所述钻孔的所述入口隔离。

30.根据权利要求29所述的方法，其特征在于，所述隔离钻孔部分包括竖直倾斜钻孔部分，所述竖直倾斜钻孔部分包括在第一深度处联接到所述过渡钻孔部分的近端和与所述近端相对、在比所述第一深度更浅的第二深度处的远端。

31.根据权利要求29所述的方法，其特征在于，所述竖直倾斜钻孔部分包括所述危险材料储存钻孔部分。

32.根据权利要求29所述的方法，其特征在于，至少部分地基于与围绕所述竖直倾斜钻孔部分的地质层的受扰区域相关联的距离以及与所述储存罐的最低部分和所述大致竖直钻孔部分相切的距离的长度来确定所述竖直倾斜钻孔部分的倾斜角。

33.根据权利要求32所述的方法，其特征在于，与所述地质层的所述受扰区域相关联的距离包括所述受扰区域的外周与所述竖直倾斜钻孔部分的径向中心线之间的距离。

34.根据权利要求32所述的方法，其特征在于，所述倾斜角为约3度。

35.根据权利要求29所述的方法，其特征在于，所述隔离钻孔部分包括联接在所述大致竖直钻孔部分与所述危险材料储存钻孔部分之间的J型截面钻孔部分。

36.根据权利要求35所述的方法，其特征在于，所述J型截面钻孔部分包括所述过渡钻孔部分。

37.根据权利要求36所述的方法，其特征在于，所述危险材料储存钻孔部分包括大致水平钻孔部分或竖直倾斜钻孔部分中的至少一者。

38.根据权利要求29所述的方法，其特征在于，所述隔离钻孔部分包括联接到所述过渡钻孔部分的竖直起伏钻孔部分。

39.根据权利要求29所述的方法，其特征在于，所述过渡钻孔部分包括所述大致竖直钻孔部分与所述竖直起伏钻孔部分之间的弯曲钻孔部分。

40.根据权利要求29所述的方法，其特征在于，所述危险材料储存钻孔部分位于屏障层内或下方，所述屏障层包括页岩层面、盐层面或其他不可渗透层面中的至少一者。

41.根据权利要求40所述的方法，其特征在于，所述危险材料储存钻孔部分通过所述屏障层与包括动水的地下区域竖直地隔离。

42.根据权利要求40所述的方法，其特征在于，所述危险材料储存钻孔部分形成在所述屏障层下方并且通过所述屏障层与包括动水的地下区域竖直地隔离。

43.根据权利要求40所述的方法，其特征在于，所述危险材料储存钻孔部分形成在所述屏障层内并且通过所述屏障层的至少一部分与包括动水的地下区域竖直地隔离。

44.根据权利要求40所述的方法，其特征在于，所述屏障层包括小于约0.01毫达西的渗透率。

45.根据权利要求40所述的方法，其特征在于，所述屏障层的脆度小于约10MPa，其中，脆度包括所述屏障层的压缩应力与所述屏障层的拉伸强度之比。

46.根据权利要求39所述的方法，其特征在于，屏障层靠近所述危险材料储存钻孔部分的厚度为至少约100英尺。

47.根据权利要求40所述的方法，其特征在于，所述屏障层的靠近所述危险材料储存钻孔部分的厚度抑制在基于危险材料的半衰期的一定时间范围内逸出所述储存罐的危险材料穿过所述屏障层的扩散。

48.根据权利要求40所述的方法，其特征在于，所述屏障层包括约20％至30％体积重量的黏土或有机物质。

49.根据权利要求40所述的方法，其特征在于，所述屏障层包括不可渗透层。

50.根据权利要求40所述的方法，其特征在于，所述屏障层包括由用于危险材料的泄漏的为10000年或更久的时间常数所限定的泄漏屏障。

51.根据权利要求40所述的方法，其特征在于，所述屏障层包括含烃类或二氧化碳的地层。

52.根据权利要求29所述的方法，其特征在于，所述危险材料包括废核燃料。

53.根据权利要求29所述的方法，其特征在于，还包括至少一个壳套组件，所述壳套组件从地表处或其附近起延伸，穿过所述钻孔，并进入所述危险材料储存钻孔部分中。

54.根据权利要求29所述的方法，其特征在于，所述储存罐包括连接部分，所述连接部分构造成联接到井下工具串或另一储存罐中的至少一者。

55.根据权利要求29所述的方法，其特征在于，还包括：

在使所述储存罐运动穿过延伸进入所述地表中的所述钻孔的所述入口之前，形成从所述地表到地层的钻孔。

56.根据权利要求55所述的方法，其特征在于，还包括：在所述钻孔中安装壳套，所述壳套从所述地表处或所述地表附近起延伸，穿过所述钻孔，并进入所述危险材料储存钻孔部分中。

57.根据权利要求56所述的方法，其特征在于，还包括：将所述壳套粘结至所述钻孔。

58.根据权利要求57所述的方法，其特征在于，还包括：在形成所述钻孔之后，从所述地层生产烃流体，穿过所述钻孔，并到达所述地表。

59.根据权利要求29所述的方法，其特征在于，还包括：

从所述钻孔移除所述密封件；以及

从所述危险材料储存钻孔部分将所述储存罐取回到所述地表。

60.根据权利要求29所述的方法，其特征在于，还包括：

用位于所述危险材料储存钻孔部分附近的传感器来监测与所述储存罐相关联的至少一个变量；以及

在所述地表记录所监测的变量。

61.根据权利要求60所述的方法，其特征在于，所监测的变量包括辐射等级、温度、压力、氧气的存在、水蒸气的存在、液态水的存在、酸度或地震活动中的至少一个。

62.根据权利要求61所述的方法，其特征在于，还包括：基于超过阈值的所监测的变量：

从所述钻孔移除所述密封件；以及

从所述危险材料储存钻孔部分将所述储存罐取回到所述地表。

63.根据权利要求29所述的方法，其特征在于，所述隔离钻孔部分包括螺旋钻孔。

64.一种储存危险材料的方法，包括：

使储存罐运动穿过延伸到地表中的钻孔的入口，所述入口至少邻近所述地表，所述储存罐包括尺寸定为封装危险材料的内腔；

使所述储存罐运动穿过所述钻孔，所述钻孔包括大致竖直钻孔部分、联接到所述大致竖直钻孔部分的过渡钻孔部分和联接到所述过渡钻孔部分的危险材料储存钻孔部分，所述危险材料储存钻孔部分位于自修复地质层下方，所述危险材料储存钻孔部分通过所述自修复地质层与包括动水的地下区域竖直地隔离；

使所述储存罐运动到所述危险材料储存钻孔部分中；以及

在所述钻孔中形成密封件，所述密封件将所述钻孔的储存部分与所述钻孔的所述入口隔离。

65.根据权利要求64所述的方法，其特征在于，所述自修复地质层包括页岩、盐、黏土或白云石中的至少一种。

66.一种危险材料储存库，包括：

钻孔，所述钻孔延伸到大地中并且包括至少邻近地表的入口，所述钻孔包括大致竖直钻孔部分、联接到所述大致竖直钻孔部分的过渡钻孔部分和联接到过渡钻孔部分的危险材料储存钻孔部分，所述危险材料储存钻孔部分位于自修复地质层下方，所述危险材料储存钻孔部分通过所述自修复地质层与包括动水的地下区域竖直隔离；

储存罐，所述储存罐定位在所述危险材料储存钻孔部分中，所述储存罐的尺寸定为适于从所述钻孔入口穿过所述大致竖直钻孔部分、所述过渡钻孔部分进入所述钻孔的所述危险材料储存钻孔部分，所述储存罐包括尺寸定为封装危险材料的内腔；以及

密封件，所述密封件位于所述钻孔中，所述密封件将所述钻孔的所述危险材料储存钻孔部分与所述钻孔的所述入口隔离。

67.根据权利要求66所述的危险材料储存库，其特征在于，所述自修复地质层包括页岩、盐、黏土或白云石中的至少一种。

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