專利名稱：用來(lái)回收油的就地燃燒的制作方法
發(fā)明背景本發(fā)明涉及一種用來(lái)加熱環(huán)繞注熱井的例如煤層或者油頁(yè)巖沉積物的含有烴的地層的方法和裝置。
在Ljungstrom的美國(guó)專利2923535和Van Meurs等的美國(guó)專利4886118中描述了對(duì)油頁(yè)巖地層加熱的申請(qǐng)。這些現(xiàn)有技術(shù)參考文獻(xiàn)公開了電加熱器將熱量傳遞給油頁(yè)巖地層，從而使油頁(yè)巖地層中的油母巖熱解。該熱量也可以使該地層斷裂，以增加該地層的滲透性。增加的滲透性允許地層流體前進(jìn)到開采井中，在這里從該油頁(yè)巖地層中取走該流體。例如，在Ljungstrom公開的一些方法中，從一預(yù)熱步驟，含有氧氣的氣體介質(zhì)最好在仍很熱時(shí)被引入可滲透的地層，以開始燃燒。
美國(guó)專利2548360描述了一種放在井筒內(nèi)的粘性油中的電加熱元件。該加熱元件將油加熱并且使其變稀，從而允許從井筒中泵送油。美國(guó)專利4716960描述了一種通過(guò)使相對(duì)低壓的電流流過(guò)石油井的管道系統(tǒng)來(lái)對(duì)其進(jìn)行電加熱以防止固體的形成。Van Egmond的美國(guó)專利5065818描述了一種將其用水泥粘合在井筒中的電加熱元件，而不用環(huán)繞該加熱元件的套管。
Vinegar等的美國(guó)專利6023554描述了一種位于套管內(nèi)的電加熱元件。該電加熱元件產(chǎn)生加熱套管的輻射能量。顆粒狀的固體填充物質(zhì)可以布置在套管和該地層之間。套管可傳導(dǎo)地加熱填充物質(zhì)，接著傳導(dǎo)地加熱該地層。
如參考其全部公開結(jié)合在此的Van Meurs等的美國(guó)專利4570715描述了一種電加熱元件。該加熱元件具有導(dǎo)電芯子、由絕緣材料制成的包圍層以及圍繞的金屬護(hù)套。該導(dǎo)電芯子可以具有在高溫下相對(duì)較低的電阻。該絕緣材料可以具有在高溫下相對(duì)較高的電阻、抗壓強(qiáng)度和導(dǎo)熱性能。該絕緣層可以防止從芯子到金屬護(hù)套形成弧擊穿。該金屬護(hù)套可以具有在高溫下相對(duì)較高的拉伸強(qiáng)度和蠕變阻力。
如參考其全部公開結(jié)合在此的Van Egmond的美國(guó)專利5060287描述了一種具有銅鎳合金芯子的電加熱元件。
也可以使用燃料的燃燒來(lái)加熱地層。燃燒燃料來(lái)加熱地層比使用電能加熱地層更加經(jīng)濟(jì)。幾種不同形式的加熱器可以使用燃料燃燒作為加熱地層的熱源。可以在地層中、井中和/或接近表面的地方進(jìn)行燃燒。
美國(guó)專利4662443、4662439和4648450公開了燃燒在地下地層中的烴的火驅(qū)法，其中將例如空氣的氧化劑泵入該地層中?？梢渣c(diǎn)燃氧化劑以便使火苗前部朝向開采井前進(jìn)。泵入該地層中的氧化劑可以沿著該地層中的斷裂線流過(guò)該地層。氧化劑的點(diǎn)燃不能使火苗前部均勻地通過(guò)地層。
也已知道，可以使用無(wú)火焰的燃燒器來(lái)燃燒注入加熱井中的燃料。好象參考它們的全部公開結(jié)合在此的Mikus的美國(guó)專利5255742、Vinegar等的5404952、Wellington等的5862858和Wellington等的5899269描述了無(wú)火焰燃燒器。通過(guò)預(yù)先加熱燃料且燃燒空氣到達(dá)高于該混合物自動(dòng)點(diǎn)燃溫度的溫度，可以完成無(wú)火焰燃燒。在加熱區(qū)可以使燃料和燃燒空氣混合以便于燃燒。在無(wú)火焰燃燒器的加熱區(qū)內(nèi)，可以設(shè)置催化表面以降低燃料和空氣混合物的自動(dòng)點(diǎn)燃溫度。在這些公知的無(wú)火焰燃燒器中，通過(guò)分開的供應(yīng)管道將燃料和氧化劑注入到加熱井中，或者通過(guò)唯一的供應(yīng)管道供應(yīng)混合物，而廢氣則通過(guò)排放管道被排放到地面，該排放管道可以同軸地包圍燃料和/或氧化劑供應(yīng)管道。
也已知道從地面加熱器給地層供應(yīng)熱量。該地面加熱器可以產(chǎn)生燃燒氣體，使燃燒氣體流過(guò)井筒以便加熱地層。作為替換實(shí)施形式，可以使用地面火爐來(lái)加熱熱傳遞流體，其經(jīng)過(guò)井筒來(lái)加熱地層。在Vinegar等的美國(guó)專利6056057和Mikus等的6079499中例示了可以用來(lái)加熱地下地層的點(diǎn)火加熱器或者地面火爐，好象參考它們的全部公開結(jié)合在此。
燃料、氧化劑和/或廢氣流過(guò)加熱井的公知的地面和井下的加熱器的缺點(diǎn)在于加熱井中的殼體和其他管道需要由耐高溫的鋼種來(lái)制造，尤其是殼體承受由環(huán)繞地層的熱膨脹引起的高擠壓力。因此，在加熱井中的套管必須由昂貴的耐高溫和耐腐蝕的不銹鋼制造。如果安裝電加熱器，燃料的供應(yīng)和電能的供應(yīng)通常也需要復(fù)雜的下部結(jié)構(gòu)，因此比較昂貴。
公知的火驅(qū)法的缺點(diǎn)是在含有烴的地層中以不規(guī)則的方式產(chǎn)生裂縫，并且只有裂縫附近的烴被氧化，所以只能以相當(dāng)不規(guī)則且不能控制的方式來(lái)加熱這些地層。
本發(fā)明的目的是消減公知的火驅(qū)法、注入燃料燃燒和電加熱法的缺點(diǎn)，并且提供一種廉價(jià)的井下的加熱方法和裝置，其以均勻的方式將受控制的熱量傳遞給地層。
發(fā)明概述根據(jù)本發(fā)明，用來(lái)將熱量傳遞給環(huán)繞注熱井的含有烴的地層的裝置包括氧化流體源；布置在注熱井井筒中的氧化劑供應(yīng)管道，其中該管道構(gòu)造為在使用期間能夠從該氧化流體源將氧化流體供應(yīng)到在地層中的反應(yīng)區(qū)，并且該氧化流體被選擇成能夠在使用期間將在井筒區(qū)域附近地層中的至少一部分烴氧化，從而在該反應(yīng)區(qū)產(chǎn)生熱量；布置在注熱井井筒中的燃燒氣體排放管道，用來(lái)通過(guò)該注熱井的井筒將燃燒氣體傳送到遠(yuǎn)離反應(yīng)區(qū)的地方。
最好使該裝置構(gòu)造成能夠在使用期間允許熱量基本上通過(guò)傳導(dǎo)從反應(yīng)區(qū)傳送到地層的選定區(qū)。
最好該氧化劑供應(yīng)管道和燃燒氣體排放管道設(shè)置有調(diào)壓裝置，該調(diào)壓裝置控制在反應(yīng)區(qū)內(nèi)的壓力，從而可以通過(guò)燃燒氣體排放管道將在反應(yīng)區(qū)產(chǎn)生的至少相當(dāng)大的一部分燃燒氣體排放到地面。
在某些情況下，該壓力發(fā)生裝置能夠用來(lái)允許一部分燃燒氣體排放到地面，并且允許一部分穿透該處理區(qū)。這樣可以使井筒內(nèi)的壓力比遠(yuǎn)離井筒區(qū)域內(nèi)的壓力高。該壓差可以使氧化流體更快地和/或以較多量地到達(dá)反應(yīng)區(qū)，從而允許由該反應(yīng)區(qū)產(chǎn)生增加的熱量。
較為合適的是，氧化劑注入管道和燃燒氣體排放管道彼此同軸地從加熱井的井口延伸進(jìn)入含有烴的地層中，并且該氧化劑注入管道從氧化劑注入管道的下端伸出穿透至少相當(dāng)大的一部分含有烴的地層，并且伸出的氧化劑注入管道的下部設(shè)置有一列氧化劑注入口，通過(guò)這些注入口其中的氧化劑以亞音速或者超音速的速度注入到在氧化劑注入管道和反應(yīng)區(qū)之間的環(huán)形空間內(nèi)。
該氧化劑注入管道可以是空氣注入管道并且設(shè)置有空氣注入泵，空氣注入管道和燃燒氣體排放管道每一個(gè)均可以設(shè)有壓力控制閥，以便控制在該氧化劑注入管道的打孔的下部和該反應(yīng)區(qū)之間的環(huán)形空間內(nèi)的壓力，從而使所述的壓力基本上等于在至少一部分周圍的含有烴的地層內(nèi)的孔隙壓力，并且阻止燃燒氣體傳送到地層中。但是在某些情況下，可以允許燃燒氣體部分地穿透進(jìn)入地層，以便促進(jìn)氧化流體傳送到反應(yīng)區(qū)并且增加在那里產(chǎn)生的熱量。
為了啟動(dòng)或者支持就地燃燒過(guò)程，該加熱井可以配備有電加熱器以便將熱量傳遞給反應(yīng)區(qū)，或者配備有燃料注入管道以便將另外的燃料注入到反應(yīng)區(qū)。

下面參考附圖通過(guò)例子來(lái)更加詳細(xì)地描述本發(fā)明，其中圖1畫出了自然分布的燃燒器熱源的實(shí)施例；圖2畫出了具有熱源的地層的覆蓋層的一部分；圖3和4畫出了自然分布的燃燒器熱源的實(shí)施例；圖5和6畫出了用來(lái)加熱地層的裝置的實(shí)施例。
發(fā)明的詳細(xì)描述根據(jù)本發(fā)明，在圍繞注熱井的地層中，通過(guò)烴的就地氧化來(lái)加熱含有烴的地層，該裝置也稱為自然分布的燃燒器(NDC)加熱裝置。可以允許產(chǎn)生的熱量通過(guò)對(duì)流傳遞給圍繞加熱井的地層的一部分，從而將其加熱，但是阻止或者部分地阻止燃燒氣體從反應(yīng)區(qū)傳送到地層。
足以支持氧化的溫度可以是例如至少大約200℃或者250℃。然而，足以支持氧化的溫度趨向于根據(jù)例如含有烴的地層中的烴的成分而改變。在加熱之前可以從地層中去除水分。例如，可以使用脫水井從地層中抽吸水分。該地層的被加熱部分可以接近或者基本上鄰近在含有烴的地層中的開口。在地層中的該開口可以是形成在地層中的加熱井?？梢园凑赵诖嗣枋龅娜我粚?shí)施形式來(lái)形成加熱井。含有烴的地層的被加熱部分在徑向上可以從開口延伸到大約0.3米至大約1.2米的寬度。然而，該寬度也可以小于0.9米左右。被加熱部分的寬度可以改變。例如在某些實(shí)施例中，這種改變?nèi)Q于在碳氧化期間產(chǎn)生足夠熱量以維持氧化反應(yīng)而不需要由另外的熱源提供熱量所需要的寬度。
在地層的該部分達(dá)到足以支持氧化的溫度之后，可以把氧化流體供入該開口，以便氧化在地層內(nèi)的反應(yīng)區(qū)或者熱源區(qū)的至少一部分烴。該烴的氧化將在反應(yīng)區(qū)產(chǎn)生熱量。在大多實(shí)施例中，產(chǎn)生的熱量將從反應(yīng)區(qū)傳遞給地層中的熱解區(qū)。在某些實(shí)施例中，產(chǎn)生的熱量以沿著該反應(yīng)區(qū)的深度進(jìn)行測(cè)量每米大約650瓦特到1650瓦特之間的比率進(jìn)行傳遞。由于在地層中的至少一些烴的氧化，所以可以減小或者可以關(guān)閉用于最初加熱而供給加熱器的能量。這樣，可以顯著降低能量輸入費(fèi)用，從而提供顯著的更加有效的用來(lái)加熱地層的裝置。
在一實(shí)施例中，可以把管道布置在該開口內(nèi)，以便將氧化流體供給該開口。該管道可以具有流量孔或者其他的流量控制裝置(即切口、文丘里計(jì)、閥等)，以允許氧化流體進(jìn)入該開口。術(shù)語(yǔ)“孔”包括具有廣泛的橫截面形狀變化的開口，這些形狀包括但不限于圓形、橢圓形、正方形、長(zhǎng)方形、三角形、狹長(zhǎng)切口或者其他規(guī)則的或者不規(guī)則的形狀。這些流量孔可以是臨界流量孔，流體以高速例如超聲速度流過(guò)該孔，以便給該開口提供基本一致流量的氧化流體，而不管在該開口內(nèi)的壓力大小。
在某些實(shí)施例中，形成在管道中或者連接到管道上的流量孔的數(shù)量可以由這些孔的直徑和相對(duì)于管道的長(zhǎng)度而言在這些孔之間的需要間隔來(lái)限制。例如，隨著這些孔的直徑減小，流量孔的數(shù)量可以增加，反之亦然。另外，隨著需要間隔的加大，流量孔的數(shù)量可以增加，反之亦然。例如通過(guò)管道內(nèi)的壓力和/或通過(guò)這些孔的需要流速可以確定這些孔的直徑。例如，對(duì)于每分鐘大約1.7標(biāo)準(zhǔn)立方米的流量和大約7巴絕對(duì)壓力來(lái)講，孔的直徑可以為大約1.3mm，在這些孔之間的間隔為大約2m。
例如由于在開口內(nèi)的流體污物或者在這些孔內(nèi)或者離這些孔最近的固體沉積物的影響，所以較小直徑的孔比較大直徑的孔更易堵塞。在某些實(shí)施例中，可以選擇這些孔的數(shù)量和直徑，以便沿著該開口內(nèi)的地層深度獲得更加均勻或者接近一致的加熱型面。例如，意圖是具有接近一致的加熱型面的被加熱地層的深度可以大于大約300m，甚或大于大約600m。然而這樣的深度可以改變，其取決于例如待加熱地層的種類和/或需要的生產(chǎn)率。
在某些實(shí)施例中，流量孔可以以螺旋狀的形式繞著該開口內(nèi)的管道設(shè)置。這些流量孔可以以螺旋狀的形式在孔之間間隔大約0.3m到大約3m。在某些實(shí)施例中，該間隔可以為大約1m到大約2m，例如為大約1.5m。
可以控制流入該開口內(nèi)的氧化流體的流速，從而使得在反應(yīng)區(qū)的氧化速度得到控制。氧化流體也可以冷卻管道，從而使得該管道基本上不會(huì)被氧化而加熱。
圖1示出了構(gòu)造成用來(lái)加熱含有烴的地層的自然分布的燃燒器的實(shí)施例。管道512可以布置在地層516的開口514內(nèi)。管道512可以具有內(nèi)管道513。氧化流體源508可以把氧化流體517供給內(nèi)管道513。內(nèi)管道513可以沿著其長(zhǎng)度具有臨界流量孔515。臨界流量孔515可以沿著開口514內(nèi)的內(nèi)管道513的長(zhǎng)度以螺旋形式(或者任意其他形式)布置。例如，可以以螺旋的形式在相鄰孔之間相距大約1m到大約2.5m的距離布置臨界流量孔515?？梢园凑赵诖嗣枋龅男问絹?lái)進(jìn)一步形成臨界流量孔515。內(nèi)管道513在底部被密封住。穿過(guò)內(nèi)管道513的臨界流量孔515可以把氧化流體517供應(yīng)到開口514內(nèi)。
臨界流量孔515可以設(shè)計(jì)成這樣，即穿過(guò)每一個(gè)臨界流量孔可以提供基本上相同流速的氧化流體517。臨界流量孔515也可以沿著管道512的長(zhǎng)度提供基本上均勻流動(dòng)的氧化流體517。這樣的流動(dòng)可以沿著管道512的長(zhǎng)度提供基本上均勻加熱的地層516。
密封材料542可以將在地層的覆蓋層540內(nèi)的管道512圍起來(lái)。密封材料542可以基本上阻止流體從開口514到地面550的流動(dòng)。密封材料542可以包括任意能夠構(gòu)造成阻止流體向地面550流動(dòng)的材料，例如水泥、砂子和/或碎石子。
氧化產(chǎn)物519通常從開口514進(jìn)入管道512。氧化產(chǎn)物5 19可以包括二氧化碳、氮的氧化物、硫的氧化物、一氧化碳和/或由氧氣和烴和/或碳發(fā)生反應(yīng)而產(chǎn)生的其他產(chǎn)物?？梢酝ㄟ^(guò)管道512將氧化產(chǎn)物519排放到地面550。氧化產(chǎn)物519可以沿著在開口514內(nèi)的反應(yīng)區(qū)524的面流動(dòng)，直到到達(dá)氧化產(chǎn)物519可以流入管道512內(nèi)的開口514頂端附近。也可以通過(guò)布置在開口514和/或地層516內(nèi)的一個(gè)管道和/或多個(gè)管道排出氧化產(chǎn)物519。例如，可以通過(guò)設(shè)置在開口514內(nèi)的第二管道來(lái)排出氧化產(chǎn)物519。通過(guò)管道來(lái)排出氧化產(chǎn)物519可以基本上防止氧化產(chǎn)物519流到布置在地層516中的開采井中。臨界流量孔515也可以構(gòu)造成能夠基本上阻止氧化產(chǎn)物519進(jìn)入內(nèi)管道513。
氧化產(chǎn)物519的流速可以與氧化流體517的流速相平衡，從而在開口514內(nèi)保持基本上恒定的壓力。對(duì)于100m長(zhǎng)度的被加熱部分來(lái)講，氧化流體的流速可以在大約0.5標(biāo)準(zhǔn)立方米每分鐘到大約5標(biāo)準(zhǔn)立方米每分鐘之間，或者在大約1.0標(biāo)準(zhǔn)立方米每分鐘到大約4標(biāo)準(zhǔn)立方米每分鐘之間，或者例如為1.7標(biāo)準(zhǔn)立方米每分鐘。例如，在開口內(nèi)的壓力可以為大約8巴絕對(duì)壓力。氧化流體517可以在反應(yīng)區(qū)524氧化含有烴的地層516的被加熱部分518內(nèi)的至少一部分烴。使用如圖5所示的電加熱器或者在此描述的任意其他合適的裝置或者方法，開始已把該被加熱部分518加熱到足以支持氧化的溫度。在某些實(shí)施例中，電加熱器可以布置在管道513的里面或者用帶子捆綁到管道513的外面。
在某些實(shí)施例中，控制開口514內(nèi)的壓力是有益的，從而可以阻止氧化產(chǎn)物和/或氧化流體流入地層的熱解區(qū)。在一些情況下，在開口514內(nèi)的壓力與地層內(nèi)的壓力相平衡，以便達(dá)到這樣的效果。在其他的實(shí)施例中，可以允許一些燃燒產(chǎn)物流入地層中，以便這樣產(chǎn)生的壓差使氧化流體加速流向反應(yīng)區(qū)，由此提高熱產(chǎn)生率。
雖然把氧化物產(chǎn)生的熱量傳遞給地層，但是可以基本上阻止氧化產(chǎn)物519(以及過(guò)量的氧化流體，例如空氣)流動(dòng)穿過(guò)該地層和/或流到在地層516內(nèi)的開采井。而是如在此所述的那樣，將氧化產(chǎn)物519(以及過(guò)量的氧化流體)去除(例如通過(guò)管道，比如管道512)。在這種方式下，氧化而將熱量傳遞給地層，同時(shí)可以基本上阻止和/或部分或者完全防止熱解區(qū)暴露給氧化產(chǎn)物519和/或氧化流體。
在某些實(shí)施例中，也可以在反應(yīng)區(qū)524氧化在反應(yīng)區(qū)524附近除了碳之外的一些熱解產(chǎn)物。在反應(yīng)區(qū)524內(nèi)熱解產(chǎn)物的氧化可以對(duì)地層516提供另外的加熱。當(dāng)熱解產(chǎn)物的這種氧化發(fā)生時(shí)，需要按照在此描述的那樣，在反應(yīng)區(qū)附近去除(例如通過(guò)管道，比如管道512)由于該氧化產(chǎn)生的氧化產(chǎn)物，從而阻止該氧化產(chǎn)物污染在該地層中的其他熱解產(chǎn)物。
管道512可以構(gòu)造成能夠從地層516內(nèi)的開口514去除氧化產(chǎn)物519。這樣，來(lái)自管道512內(nèi)的氧化產(chǎn)物519，通過(guò)在覆蓋層部分540內(nèi)的熱交換可以加熱在內(nèi)管道513內(nèi)的氧化流體517。通過(guò)將熱量傳遞給氧化流體517，可以冷卻氧化產(chǎn)物519。在這種方式下，在地層516內(nèi)的烴的氧化可以更加具有熱效率。
氧化流體517可以通過(guò)氣相擴(kuò)散和/或?qū)α鞔┻^(guò)反應(yīng)區(qū)524或者熱源區(qū)進(jìn)行傳送。在氧化的相對(duì)高溫下，氧化流體517穿過(guò)反應(yīng)區(qū)524的擴(kuò)散可以更加有效。氧化流體517的擴(kuò)散可以抑制在該地層中的局部過(guò)熱和指狀現(xiàn)象的發(fā)展。穿過(guò)地層516的氧化流體517的擴(kuò)散通常是一種質(zhì)量轉(zhuǎn)移過(guò)程。在沒有外力的情況下，氧化流體517的擴(kuò)散速度取決于在地層516內(nèi)的氧化流體517的濃度、壓力和/或溫度。該擴(kuò)散速度也取決于氧化流體517穿過(guò)地層516的擴(kuò)散系數(shù)。該擴(kuò)散系數(shù)可以通過(guò)測(cè)量來(lái)確定，或者基于氣體的分子運(yùn)動(dòng)論來(lái)計(jì)算出來(lái)。通常，氧化流體517的隨機(jī)運(yùn)動(dòng)可以把氧化流體517從高濃度區(qū)域經(jīng)過(guò)地層516傳送到低濃度區(qū)域。根據(jù)流體流過(guò)多孔介質(zhì)的原理，由在井筒和反應(yīng)區(qū)之間的壓差來(lái)控制氧化流體從注入孔到反應(yīng)區(qū)的對(duì)流。
隨著時(shí)間的流逝，由于烴被氧化，反應(yīng)區(qū)524可以從開口514較慢地徑向擴(kuò)展到較大的直徑。在許多實(shí)施例中，反應(yīng)區(qū)524可以保持相對(duì)恒定的寬度。例如，對(duì)于含有烴的地層來(lái)講，反應(yīng)區(qū)524可以以小于大約0.91米每年的速度徑向地?cái)U(kuò)展。例如，對(duì)于包括煤層的地層來(lái)講，反應(yīng)區(qū)524可以以大約0.5米每年到大約1米每年之間的速度徑向地?cái)U(kuò)展。對(duì)于含有油頁(yè)巖的地層來(lái)講，反應(yīng)區(qū)524可以以第一年大約2m并且在以后的年份按照較低的速度徑向地?cái)U(kuò)展，這是因?yàn)殡S著反應(yīng)區(qū)524的徑向擴(kuò)展反應(yīng)區(qū)524的體積的增加的原因。該較低的速度可以是大約1米每年到大約1.5米每年。對(duì)于烴豐富的地層(例如煤)，反應(yīng)區(qū)524可以以較低的速度擴(kuò)展，而對(duì)于其中(例如油頁(yè)巖)具有更多無(wú)機(jī)材料的地層，可以以較快的速度擴(kuò)展，因?yàn)樵跓N豐富的地層中，每單位體積可以得到更多的烴用于燃燒。
隨著反應(yīng)區(qū)524的直徑增加，可以提高氧化流體517進(jìn)入開口514內(nèi)的流速，從而將每單位體積的氧化速率保持在基本穩(wěn)定的狀態(tài)。因此在一些實(shí)施例中，在反應(yīng)區(qū)524內(nèi)的溫度可以保持為基本恒定。在反應(yīng)區(qū)524內(nèi)的溫度可以在大約650℃到大約900℃之間，例如為大約760℃。
在反應(yīng)區(qū)524內(nèi)的溫度可以改變，例如其取決于選定部分526需要的加熱速度。通過(guò)分別提高或者降低氧化流體517進(jìn)入開口514內(nèi)的流速，可以升高或者降低在反應(yīng)區(qū)524內(nèi)的溫度。然而，管道512、內(nèi)管道513和/或在開口514內(nèi)的任何冶金材料的溫度通常不能超過(guò)開始使該冶金材料快速變形或者腐蝕的溫度。
反應(yīng)區(qū)524的直徑增加可以相對(duì)較快地加熱含有烴的地層516。隨著反應(yīng)區(qū)524的直徑的增加，在反應(yīng)區(qū)524內(nèi)每單位時(shí)間產(chǎn)生的熱量也會(huì)增加。在許多情況下，在反應(yīng)區(qū)524內(nèi)每單位時(shí)間產(chǎn)生的熱量增加將可以提供在一段時(shí)間內(nèi)地層516提高的加熱速度，即使不會(huì)提高在反應(yīng)區(qū)內(nèi)的溫度或者在管道513處的溫度。這樣可以隨著時(shí)間的過(guò)去獲得增加的熱量，而不用安裝另外的熱源，并且不會(huì)提高溫度。在某些實(shí)施例中，加熱速度可以提高，同時(shí)允許溫度下降(允許溫度下降經(jīng)?？梢匝娱L(zhǎng)使用設(shè)備的壽命)。
通過(guò)把地層中的碳用作燃料，該自然分布的燃燒器可以顯著節(jié)約能源費(fèi)用。因此可以為加熱地層提供一種經(jīng)濟(jì)的方法，否則，用其他方法來(lái)加熱在經(jīng)濟(jì)上不合適。還有，很少有加熱器可以放置在地層516的擴(kuò)大的面積上。這也提供了與加熱地層516有關(guān)的降低的設(shè)備成本。
在反應(yīng)區(qū)524產(chǎn)生的熱量可以通過(guò)熱傳導(dǎo)傳遞給地層516的選定部分526。另外，產(chǎn)生的熱量可以較小程度地通過(guò)對(duì)流從反應(yīng)區(qū)傳遞到選定部分。在此選定部分526有時(shí)也稱作“熱解區(qū)”，其基本上鄰近反應(yīng)區(qū)524。因?yàn)橥ǔ脑摲磻?yīng)區(qū)除去氧化產(chǎn)物(以及過(guò)量的氧化流體，例如空氣)，所以熱解區(qū)可以從反應(yīng)區(qū)接收熱量，而不會(huì)受到在反應(yīng)區(qū)內(nèi)的氧化產(chǎn)物或者氧化劑的影響。如果氧化產(chǎn)物和/或氧化流體存在于熱解區(qū)內(nèi)，那么它們可以導(dǎo)致形成不需要的地層產(chǎn)物。例如，在某些實(shí)施例中需要在還原環(huán)境下進(jìn)行熱解。因此，允許熱量從反應(yīng)區(qū)傳遞到熱解區(qū)而阻止或者防止氧化產(chǎn)物和/或氧化流體到達(dá)熱解區(qū)經(jīng)常是有用的。
可以在被加熱的選定區(qū)域526內(nèi)發(fā)生烴的熱解或者其他熱量控制的過(guò)程。選定區(qū)域526可以處于大約270℃到大約400℃之間的溫度，以便于高溫分解。由來(lái)自反應(yīng)區(qū)524的熱傳遞可以升高選定區(qū)域526的溫度。如在此描述的任一實(shí)施例所述的那樣，可以選擇溫度升高的速度。可以控制在地層516內(nèi)、選定部分526和/或反應(yīng)區(qū)524內(nèi)的溫度，從而可以基本上阻止氮的氧化物的產(chǎn)生。常常在高于大約1200℃的溫度下產(chǎn)生氮的氧化物。
可以用放置在開口514內(nèi)的熱電偶來(lái)監(jiān)控在開口514內(nèi)的溫度?？梢员O(jiān)控在開口514內(nèi)的溫度，從而將溫度保持在選定范圍內(nèi)。該選定范圍可以變化，例如取決于地層516需要的加熱速度。通過(guò)提高或者降低氧化流體517的流速可以將溫度保持在選定范圍內(nèi)。例如，如果在開口514內(nèi)的溫度下降到選定溫度范圍之下，那么可以提高氧化流體517的流速，以便增加燃燒并且因此提高在開口514內(nèi)的溫度。作為替換實(shí)施形式，熱電偶可以布置在管道512上和/或放置在反應(yīng)區(qū)524的面上，從而可以監(jiān)控溫度。
在某些實(shí)施例中，可以沿著地層走向和/或水平方向布置一個(gè)或者多個(gè)自然分布燃燒器。這樣做勢(shì)必會(huì)降低沿著該井的加熱長(zhǎng)度的壓差，從而有助于促進(jìn)更加均勻的加熱和改善的控制。
在一些實(shí)施例中，可以監(jiān)控在氧化產(chǎn)物519中的空氣或者分子氧、氧氣的存在。作為替換實(shí)施形式，在氧化產(chǎn)物519中可以監(jiān)控氮、一氧化碳、二氧化碳、氮的氧化物、硫的氧化物等含量。監(jiān)控氧化產(chǎn)物519的成分和/或量對(duì)于熱平衡、過(guò)程診斷、過(guò)程控制等來(lái)說(shuō)都是有用的。
圖2示出了帶有圖1中所述的自然分布燃燒器的一部分覆蓋層的實(shí)施例。覆蓋層套管541可以設(shè)置在地層516的覆蓋層540內(nèi)?？梢杂没旧献柚箤?duì)覆蓋層540加熱的材料(例如絕熱材料，比如水泥)來(lái)大致上包圍住覆蓋層套管541。覆蓋層套管541可以由金屬材料制造，例如但不限于碳素鋼。
可以將覆蓋層套管布置在覆蓋層540中的強(qiáng)化材料544內(nèi)。強(qiáng)化材料544例如可以是水泥、砂子、混凝土等。密封材料542可以位于覆蓋層套管541和在地層中的開口514之間。密封材料542可以是任何基本上無(wú)孔的材料(例如水泥、混凝土、灰漿等)。密封材料542可以阻止流體流到管道512的外面以及流到開口514和地面550之間。內(nèi)管道513可以把流體送到在地層516中的開口514內(nèi)。管道512可以從地層516中的開口514去除燃燒產(chǎn)物(或者過(guò)量的氧化流體)。根據(jù)在該自然分布燃燒器中的氧化產(chǎn)生的燃燒產(chǎn)物的量可以確定管道512的直徑。例如，對(duì)于由自然分布燃燒加熱器產(chǎn)生較大量的排放燃燒產(chǎn)物的情況，就需要較大的直徑。
在一替換實(shí)施例中，至少一部分地層可以被加熱到這樣的溫度，即至少一部分含有烴的地層可以轉(zhuǎn)變?yōu)榻固炕蛘吣咎俊＝固亢?或木炭可以在高于400℃左右的溫度且在較高加熱速度(例如大于10℃左右/天)下形成。在氧化流體存在的情況下，焦炭或者木炭將被氧化。如在此描述的任一實(shí)施例那樣，由焦炭或者木炭的氧化可以產(chǎn)生熱量。
圖3示出了自然分布燃燒加熱器的一個(gè)實(shí)施例。絕緣導(dǎo)體562可以與管道532結(jié)合在一起并且布置在地層516的開口514中。絕緣導(dǎo)體562可以布置在管道532的里面(從而允許回收絕緣導(dǎo)體562)，或者作為替換實(shí)施形式，將其結(jié)合在管道532的外表面上。這樣的絕緣導(dǎo)體例如可以包括礦物或者陶瓷等。在開口514內(nèi)，管道532可以具有沿著其長(zhǎng)度布置的臨界流量孔515?？梢匀缭诖怂龅哪菢有纬膳R界流量孔515。可以將電流施加到絕緣導(dǎo)體562上，以便在開口514內(nèi)產(chǎn)生輻射熱?？梢园压艿?32構(gòu)造成為電流的回路。絕緣導(dǎo)體562可以形成為能夠?qū)翰畹囊徊糠?18加熱到足以支持烴氧化的溫度。該部分518、反應(yīng)區(qū)524和選定部分526可以具有在此所述的特性。這樣的溫度可以包括在此所述的溫度。
氧化流體源508可以把氧化流體供給管道532。氧化流體可以穿過(guò)在管道532內(nèi)的臨界流量孔515供應(yīng)到開口514內(nèi)。在反應(yīng)區(qū)524，氧化流體可以氧化至少一部分含有烴的地層。熱源區(qū)524可以具有在此所述的特性。在反應(yīng)區(qū)524產(chǎn)生的熱量可以傳遞到選定部分526，例如通過(guò)對(duì)流、輻射和/或傳導(dǎo)。通過(guò)布置在開口514內(nèi)的單獨(dú)的管道或者通過(guò)在覆蓋層套管541內(nèi)的洞孔543可以去除氧化產(chǎn)物?？梢匀缭诖怂龅哪菢有纬蓡为?dú)的管道?？梢匀缭诖怂龅哪菢有纬擅芊獠牧?42和強(qiáng)化材料544。
圖4示出了帶有增加的燃料導(dǎo)管的自然分布燃燒加熱器的實(shí)施例。燃料管道536可以布置在開口514內(nèi)。在某些實(shí)施例中，可以將其布置在實(shí)質(zhì)上鄰近管道533的地方。在開口514內(nèi)，燃料管道536沿著其長(zhǎng)度可以具有臨界流量孔535。在開口514內(nèi)，管道533沿著其長(zhǎng)度可以具有臨界流量孔515?？梢匀缭诖怂龅哪菢有纬膳R界流量孔515。臨界流量孔535和臨界流量孔515可以分別布置在燃料管道535和管道533上，因此通過(guò)燃料管道536供給的燃料流體和通過(guò)管道533供給的氧化流體基本上不會(huì)由于反應(yīng)而加熱燃料管道536和/或管道533。例如，由于彼此接觸燃料流體和氧化流體可以起反應(yīng)，從而產(chǎn)生由反應(yīng)引起的熱量。由于該反應(yīng)而引起的熱量可以將燃料管道536和/或管道533加熱到這樣的溫度，即如果反應(yīng)發(fā)生在離燃料管道536和/或管道533最近的地方，那么該溫度足以實(shí)質(zhì)上開始熔化在燃料管道536和/或管道533內(nèi)的冶金材料。因此，可以這樣設(shè)計(jì)布置在燃料管道536上的臨界流量孔535和在管道533上的臨界流量孔515，即在離管道最近的地方，該燃料流體和氧化流體基本上不起反應(yīng)。例如，可以把管道536和533這樣加工結(jié)合在一起，即這些孔沿著相反的方向定向，并且這些孔面向地層516。
燃料流體和氧化流體的反應(yīng)可以產(chǎn)生熱量。在此該燃料流體和氧化流體可以具有一些特性。燃料流體例如可以是天然氣、乙烷、氫氣或者在地層的另一部分進(jìn)行的就地燃燒過(guò)程中產(chǎn)生的合成氣體。可以把該產(chǎn)生的熱量設(shè)定為能夠?qū)⒉糠?18加熱到足以支持烴氧化的溫度。當(dāng)將部分518加熱到足以支持氧化的溫度的時(shí)候，可以調(diào)小或者關(guān)閉流進(jìn)開口514內(nèi)的燃料流。作為替換實(shí)施形式，在整個(gè)地層的加熱過(guò)程中可以連續(xù)供給燃料，從而利用在碳中儲(chǔ)存的熱量將開口514內(nèi)的溫度保持在燃料的自燃溫度之上。
氧化流體可以氧化在反應(yīng)區(qū)524的至少一部分烴。產(chǎn)生的熱量例如通過(guò)輻射、對(duì)流和/或傳導(dǎo)將熱量傳遞給選定部分526。通過(guò)設(shè)置在開口514內(nèi)的單獨(dú)管道或者通過(guò)在覆蓋層套管541內(nèi)的孔洞543，可以除去氧化產(chǎn)物。密封材料542和強(qiáng)化材料544可以形成為在此所述的那樣。
圖5示出了構(gòu)造為能夠加熱含有烴的地層的裝置的一實(shí)施例。電加熱器510可以位于含有烴的地層516中的開口514內(nèi)。開口514可以穿透覆蓋層540進(jìn)入地層516而形成。開口514可以具有至少大約5cm的直徑。作為例子，開口514可以具有大約13cm的直徑。電加熱器510可以將含有烴的地層516的至少一部分518加熱到足以支持氧化的溫度(例如大約260℃)。該部分518可以具有大約1m的寬度?？梢园蜒趸黧w(例如液體或者氣體)通過(guò)管道512或者任意其他合適的流體傳送裝置而供應(yīng)到開口內(nèi)。管道512可以具有沿著其長(zhǎng)度布置的臨界流量孔515。可以如在此所述的那樣形成該臨界流量孔515。
例如，管道512可以是一根導(dǎo)管或者管子，將其構(gòu)造成能夠把氧化流體從氧化流體源508供應(yīng)到開口514內(nèi)。例如，管道512可以是不銹鋼管。氧化流體可以包括空氣或者任何其他含有氧氣的流體(例如過(guò)氧化氫、氮的氧化物、臭氧)?？梢允褂醚趸黧w的混合物。氧化流體混合物可以包括例如包括百分之五十氧氣和百分之五十氮?dú)獾牧黧w。在某些實(shí)施例中，氧化流體也可以包括當(dāng)按照在此所述的那樣進(jìn)行加熱時(shí)釋放氧氣的化合物，例如過(guò)氧化氫。該氧化流體可以氧化在地層中的至少一部分烴。
在某些實(shí)施例中，布置在地層外面的熱交換器可以構(gòu)造成能夠加熱該氧化流體。可以將被加熱的氧化流體從該熱交換器(直接或間接地)供應(yīng)到開口內(nèi)。例如，通過(guò)布置在該開口內(nèi)且與熱交換器結(jié)合在一起的管道將被加熱過(guò)的氧化流體從熱交換器供應(yīng)到開口內(nèi)。在某些實(shí)施例中，管道可以是不銹鋼管?？梢允辜訜徇^(guò)的氧化流體形成為能夠把地層的至少一部分加熱或者至少有助于加熱到足以支持烴氧化的溫度。在該被加熱部分達(dá)到這樣的溫度后，可以減小或者停止在熱交換器中的氧化流體的加熱。
圖6示出了構(gòu)造成能夠加熱含有烴的地層的裝置的另一實(shí)施例。熱交換器520可以布置在含有烴的地層516內(nèi)的開口514的外面?？梢源┩父采w層540進(jìn)入地層516形成開口514。熱交換器520可以從另一地面過(guò)程供給熱量，或者它可以包括加熱器(例如電加熱器或者燃燒加熱器)。氧化流體源508可以把氧化流體供給熱交換器520。熱交換器520可以加熱氧化流體(例如200℃以上或者達(dá)到足以支持烴氧化的溫度)。該加熱的氧化流體可以通過(guò)管道521供應(yīng)到開口514內(nèi)。管道521可以具有沿著其長(zhǎng)度布置的臨界流量孔515?？梢匀缭诖怂龅哪菢有纬膳R界流量孔515。加熱的氧化流體可以把地層的至少一部分518加熱或者至少有助于加熱到足以支持烴氧化的溫度。該氧化流體可以氧化至少在地層中的一部分烴。
在另一實(shí)施例中，燃料流體可以在位于含有烴的地層外面的加熱器中被氧化。可以用加熱器中的氧化流體來(lái)氧化燃料流體。作為例子，該加熱器可以是火焰點(diǎn)燃的加熱器。燃料流體可以包括任意和氧氣起反應(yīng)的流體。燃料流體的例子可以是甲烷、乙烷、丙烷或者任意其他的烴或者氫氣和合成氣體?？梢园蜒趸^(guò)的燃料流體從加熱器經(jīng)過(guò)管道供給開口，并且經(jīng)過(guò)在覆蓋層中的另一管道返回到地面。該管道可以結(jié)合在覆蓋層內(nèi)。在某些實(shí)施例中，可以同心地布置這些管道。可以使氧化過(guò)的燃料流體形成為能夠把地層的至少一部分加熱或者至少有助于加熱到足以支持烴氧化的溫度。當(dāng)達(dá)到這樣的溫度時(shí)，可以用氧化流體代替氧化過(guò)的燃料流體。該氧化流體可以氧化在地層中的反應(yīng)區(qū)的至少一部分烴。
權(quán)利要求
1.一種用來(lái)把熱量傳遞給環(huán)繞注熱井的含有烴的地層的裝置，該裝置包括氧化流體源；布置在注熱井井筒中的氧化劑供應(yīng)管道，其中該管道構(gòu)造成在使用期間能夠從該氧化流體源將氧化流體供應(yīng)到在地層中的反應(yīng)區(qū)，并且該氧化流體被選擇成能夠在使用期間將在井筒區(qū)域附近地層中的至少一部分烴氧化，從而在該反應(yīng)區(qū)產(chǎn)生熱量；布置在注熱井井筒中的燃燒氣體排放管道，用來(lái)通過(guò)該注熱井的井筒將燃燒氣體傳送到遠(yuǎn)離反應(yīng)區(qū)的地方。
2.如權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于該裝置構(gòu)造成能夠在使用期間允許熱量基本上通過(guò)傳導(dǎo)從反應(yīng)區(qū)傳遞到該地層的選定區(qū)。
3.如權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于該氧化劑供應(yīng)管道和燃燒氣體排放管道設(shè)置有調(diào)壓裝置，該調(diào)壓裝置控制在反應(yīng)區(qū)內(nèi)的壓力，從而可以通過(guò)燃燒氣體排放管道將在反應(yīng)區(qū)產(chǎn)生的至少相當(dāng)大一部分燃燒氣體排放到地面。
4.如權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于該氧化劑注入管道和燃燒氣體排放管道彼此同軸地從加熱井的井口延伸進(jìn)入含有烴的地層中，該氧化劑注入管道從氧化劑注入管道的下端伸出穿透至少相當(dāng)大一部分含有烴的地層，并且伸出的氧化劑注入管道的下部設(shè)置有一列氧化劑注入口，通過(guò)這些注入口其中的氧化劑被注入到在氧化劑注入管道和反應(yīng)區(qū)之間的環(huán)形空間內(nèi)。
5.如權(quán)利要求4所述的裝置，其特征在于該氧化劑注入管道是空氣注入管道并且設(shè)置有空氣注射泵，并且該空氣注入管道和燃燒氣體排放管道每一個(gè)均設(shè)有壓力控制閥，以便控制在該氧化劑注入管道的打孔的下部和該反應(yīng)區(qū)之間的環(huán)形空間內(nèi)的壓力，從而使所述的壓力基本上等于在至少一部分周圍的含有烴的地層內(nèi)的孔隙壓力，并且阻止燃燒氣體傳送到地層中。
6.如權(quán)利要求1-5中任一所述的裝置，其特征在于該注熱井還包括用來(lái)將熱量傳遞給反應(yīng)區(qū)的電加熱器。
7.如權(quán)利要求1-5中任一所述的裝置，其特征在于加熱井還包括用來(lái)將燃料注入到反應(yīng)區(qū)的燃料注入管道。
8.一種用來(lái)把熱量傳遞給環(huán)繞注熱井的含有烴的地層的方法，該方法包括通過(guò)布置在注熱井井筒中的氧化劑供應(yīng)管道將氧化劑注入到地層中的反應(yīng)區(qū)，使該氧化流體氧化在井筒附近的地層中的至少一部分烴，從而在該反應(yīng)區(qū)產(chǎn)生熱量和燃燒氣體；通過(guò)布置在注熱井井筒中的排放管道將至少一部分燃燒氣體排放到遠(yuǎn)離反應(yīng)區(qū)的地方。
9.如權(quán)利要求8所述的方法，其特征在于，基本上通過(guò)傳導(dǎo)將在該反應(yīng)區(qū)產(chǎn)生的熱量從反應(yīng)區(qū)傳送到在那里烴被熱解的含有烴的地層中的熱解區(qū)。
10.如權(quán)利要求9所述的方法，其特征在于，一個(gè)或者多個(gè)開采井以距離該注熱井選定距離地橫穿含有烴的地層，并且控制在該注熱井和每一個(gè)開采井中的流體壓力，從而使熱解的烴產(chǎn)物從熱解區(qū)穿過(guò)地層流到開采井中，并且阻止燃燒氣體從該反應(yīng)區(qū)傳送到任一開采井中。
11.如權(quán)利要求8、9或者10所述的方法，其特征在于該含有烴的地層是煤層。
12.如權(quán)利要求8、9或者10所述的方法，其特征在于該含有烴的地層是油頁(yè)巖沉積物或者瀝青砂。
13.如權(quán)利要求8-12中任一所述的方法，其特征在于，在將氧化劑注入到注熱井之前，用電加熱器預(yù)先加熱該注熱井。
全文摘要
本發(fā)明提供一種通過(guò)傳導(dǎo)將熱量基本上傳遞給環(huán)繞注熱井的含有烴的地層的方法和裝置，其使用布置在注熱井井筒內(nèi)的氧化劑供應(yīng)管道和燃燒氣體排放管道，其中通過(guò)氧化劑供應(yīng)管道將例如空氣的氧化劑注入到在注熱井附近地層內(nèi)的反應(yīng)區(qū)，在此該地層中的至少一部分烴被氧化，從而產(chǎn)生熱量和燃燒氣體，并且通過(guò)燃燒氣體排放管道將至少一部分燃燒氣體傳送到遠(yuǎn)離反應(yīng)區(qū)的地方，從而阻止燃燒氣體從該反應(yīng)區(qū)移動(dòng)到含有烴的地層。
文檔編號(hào)E21B43/24GK1507528SQ01823290
公開日2004年6月23日 申請(qǐng)日期2001年10月10日 優(yōu)先權(quán)日2001年4月24日
發(fā)明者約翰·M·科勒斯, 約翰 M 科勒斯, M 卡拉尼卡斯, 約翰·M·卡拉尼卡斯, L 梅諾蒂, 詹姆斯·L·梅諾蒂, 德羅菲格納克, 埃里克·德羅菲格納克, J 韋內(nèi)加, 哈羅德·J·韋內(nèi)加, L 韋林頓, 斯科特·L·韋林頓 申請(qǐng)人:國(guó)際殼牌研究有限公司