CN101316984A - 利用热量产生的排出通道从焦油砂中生产烃的系统和方法 - Google Patents

Abstract

描述了一种处理焦油砂地层的系统。所述系统包括位于地层中的多个加热器。加热器包括至少部分位于地层烃层中的至少部分水平的加热部分。所述加热部分至少部分按图案设置在烃层中。加热器设置为向烃层提供热量。提供的热量产生运动流体的多个排出通道。排出通道中的至少两个汇合。生产井设置为从烃层中汇合的排出通道收集和生产运动流体。

Description

利用热量产生的排出通道从焦油砂中生产烃的系统和方法

技术领域

本发明总体涉及用于从各种地下地层例如含烃地层中生产烃、氢气和/或其它产品的方法和系统。

背景技术

从地下地层中获得的烃常常用作能源、作为原料和作为消费品。对可获得的烃源耗尽的担心和对所生产的烃的总质量下降的担心已经导致开发了更加有效地采收、加工和/或使用可获得的烃源的方法。可使用原位法从地下地层中移出烃物质。可能需要改变地下地层内的烃物质的化学和/或物理性能，以允许烃物质更加容易地从地下地层中移出。化学和物理变化可包括产生可移出流体、组成变化、溶解度变化、密度变化、相变和/或地层内烃物质的粘度变化的原位反应。流体可以是但不限于气体、液体、乳液、淤浆和/或具有与液体流动类似流动特征的固体颗粒的物流。

在北美、南美、非洲和亚洲发现在相对不可渗透的地层中(例如在焦油砂中)包含的大的重质烃(重质油和/或沥青)贮量。焦油可以地面采矿和提质成较轻的烃如原油、石脑油、煤油和/或瓦斯油。地面选矿处理可进一步使沥青与砂子分离。分离的沥青可以使用常规的精炼方法转化成轻质烃。与从常规油储层中生产较轻烃相比，采矿和提质焦油砂通常明显更贵一些。

从焦油砂中原位生产烃可采用加热和/或将气体注入地层来实现。Ostapovich等人的美国专利No.5211230和Leaute的美国专利No.5339897描述了位于储油层中的水平生产井。竖直导管可用来将氧化剂气体注入储层用于原位燃烧。

Ljungstrom的美国专利No.2780450描述了原位加热含沥青地质地层而使液态焦油状物质转化或裂化为油和气。

Ware等人的美国专利No.4597441描述了在储层中石油、热量和氢同时接触，加氢可提高油从储层中的采收率。

Glandt的美国专利No.5046559和Glandt等人的No.5060726描述了预热注射井和生产井之间的部分焦油砂地层。可将蒸汽从注射井注入到地层内以在生产井生产烃。

如上所述，已经做了大量努力来开发从含烃地层经济地生产烃、氢和/或其它产品的方法和系统。然而，目前仍有许多含烃地层不能从中经济地生产出烃、氢和/或其它产品。因此，仍然需要从各种含烃地层经济地生产烃、氢和/或其它产品的改进方法和系统。

发明内容

本文中描述的实施方案总体涉及用于处理地下地层的系统、方法和加热器。本文中描述的实施方案还总体涉及其中具有新型组件的加热器。通过使用本文中描述的系统和方法可以获得这类加热器。

在一些实施方案中，本发明提供一种或多种系统、方法和/或加热器。在一些实施方案中，该系统、方法和/或加热器用于处理地下地层。

在一些实施方案中，本发明提供一种用于处理焦油砂地层的系统，包括：位于地层中的多个加热器，其中加热器包括至少部分位于地层烃层中的至少部分水平的加热部分，所述加热部分至少部分按图案设置在烃层中，和加热器设置为向烃层提供热量，提供的热量产生运动流体的多个排出通道，排出通道中的至少两个汇合；和生产井设置为从烃层中汇合的排出通道收集和生产运动流体。

在一些实施方案中，本发明提供一种用于处理焦油砂地层的方法，包括：从位于地层中的多个加热器向地层中的至少部分烃层提供热量；允许至少一些运动流体沿排出通道和/或汇合的排出通道从地层流到生产井中；和通过生产井生产至少一些运动流体。

在进一步的实施方案中，可组合来自具体实施方案的特征和来自其它实施方案的特征。例如来自一个实施方案的特征可与来自任何其它实施方案的特征组合。

在进一步的实施方案中，使用此处所述的任何一种方法、系统或加热器，进行地下地层的处理。

在进一步的实施方案中，可添加附加的特征到此处所述的具体实施方案中。

附图说明

在受益于下述详细说明并参考附图的情况下，本发明的优点对于本领域的技术人员来说将变得显而易见，其中：

图1描述了对加热含烃地层的阶段的说明。

图2给出了用于处理含烃地层的原位热处理系统的一部分的实施方案的示意图。

图3描述了从具有相对薄烃层的焦油砂地层中生产运动流体的实施方案的侧视图。

图4描述了从具有比图3所示的烃层厚的烃层的焦油砂地层中生产运动流体的实施方案的侧视图。

图5描述了从具有比图4所示的烃层厚的烃层的焦油砂地层中生产运动流体的实施方案的侧视图。

图6描述了从带有具有页岩夹层的烃层的焦油砂地层中生产运动流体的实施方案的侧视图。

图7描述了用STARS模拟的360天后地层中的温度剖面图。

图8描述了用STARS模拟的360天后地层中的油饱和剖面图。

图9描述了用STARS模拟的1095天后地层中的油饱和剖面图。

图10描述了用STARS模拟的1470天后地层中的油饱和剖面图。

图11描述了用STARS模拟的1826天后地层中的油饱和剖面图。

图12描述了用STARS模拟的1826天后地层中的温度剖面图。

图13描述了油生产速率和气生产速率与时间的关系。

尽管本发明易于进行各种改进和替代形式，但其具体实施方案通过附图内的实施例方式给出，且可在此处详细描述。附图可能不是按比例的。然而，应当理解，附图及其详细说明不打算限制本发明到所公开的特定形式，相反，本发明拟覆盖落在所附权利要求定义的本发明的精神与范围内的所有改进、等价和替代方案。

具体实施方式

下述说明一般地涉及处理地层内的烃的系统与方法。可处理这种地层得到烃产品、氢气和其它产品。

“烃”通常定义为主要由碳和氢原子形成的分子。烃也可包括其它元素，例如但不限于卤素、金属元素、氮、氧和/或硫。烃可以是但不限于油母质、沥青、焦沥青、油、天然矿物蜡和沥青岩。烃可位于地壳内的矿物母岩内或者与之相邻。母岩可包括但不限于沉积岩、砂子、硅酸盐、碳酸盐、硅藻土和其它多孔介质。“烃流体”是包含烃的流体。烃流体可包含、夹带或者被夹带在非烃流体内，所述非烃流体例如氢气、氮气、一氧化碳、二氧化碳、硫化氢、水和氨气。

“地层”包括一层或多层含烃层、一层或多层非烃层、上覆地层和/或下伏地层。“上覆地层”和/或“下伏地层”包括一类或更多不同类的不可渗透材料。例如上覆地层和/或下伏地层可包括岩石、页岩、泥岩或湿/致密碳酸盐。在原位热处理法的一些实施方案中，上覆地层和/或下伏地层可包括一层含烃层或多层含烃层，所述含烃层相对不可渗透且没有经历导致上覆地层和/或下伏地层中含烃层显著特性变化的原位热处理加工过程中的温度。例如下伏地层可包含页岩或泥岩，但不允许加热上覆地层到原位热处理法期间的热解温度下。在一些情况下，上覆地层和/或下伏地层可具有一些渗透性。

“地层流体”是指存在于地层内的流体，且可包括热解流体、合成气、运动流体、减粘流体和水(蒸汽)。地层流体可包括烃流体以及非烃流体。术语“运动流体”是指作为热处理地层的结果能流动的含烃地层内的流体。“减粘流体”是指因地层热处理而粘度降低的流体。

“所生产的流体”是指从地层中移出的地层流体。

“热源”是基本通过传导和/或辐射传热提供热量到至少一部分地层的任何系统。例如热源可包括电加热器，例如绝缘导体、伸长构件和/或在导管内布置的导体。热源也可包括通过在地层外部或者内部燃烧燃料生成热的系统。该系统可以是表面燃烧器、井下气体燃烧器、无火焰的分布燃烧器和自然分布的燃烧器。在一些实施方案中，可通过其它能源供应在一个或多个热源内提供或生成的热量。其它能源可直接加热地层，或者可施加能量到传递介质上，所述传递介质直接或间接加热地层。应理解向地层施加热量的一个或多个热源可使用不同的能源。因此，例如对于给定的地层来说，某些热源可由电阻加热器供应热量，某些热源可由燃烧提供热量，而某些热源可由一种或多种其它能源(例如化学反应、太阳能、风能、生物物质或其它可再生的能源)提供热量。化学反应可包括放热反应(例如氧化反应)。热源也可包括提供热量到与加热位置相邻区域和/或在其周围区域例如加热器井的加热器。

“加热器”是在井内或者在附近的井孔区域内生成热的任何系统或热源。加热器可以是但不限于电加热器、燃烧器、与在地层内的材料或者从地层中产生的材料反应的燃烧器、和/或它们的组合。

“原位热处理法”是指用热源加热含烃地层以将至少一部分地层的温度升高到流动或减粘或者热解温度之上以使得在地层中生产流动的流体、减粘流体或者热解流体的方法。

“限温加热器”通常是指在不使用外部控制例如温度控制器、功率调节器、整流器或者其它设备的情况下在指定温度之上调节热输出(例如降低热输出)的加热器。限温加热器可以是AC(交流电流)或调制的(例如“斩波的”)DC(直流电流)供电的电阻加热器。

术语“井孔”是指通过在地层内钻探或者插入导管形成的地层内的孔。井孔可具有基本上圆形的截面，或者为其它截面形状。此处所使用的术语“井”和“开口”当是指在地层内的开口时，可与术语“井孔”互换使用。

“u-形井孔”是指从地层中的第一开口延伸通过至少一部分地层并且在地层中的第二开口通出的井孔。在本上下文中，井孔可以仅仅大致为“v”或“u”的形状，应理解的是对于被认为是“u-形”的井孔而言，该“u”的“腿”不需要彼此平行或者与“u”的“底部”垂直。

“减粘”是指在热处理中流体分子的解缠绕和/或在热处理中大分子分解为小分子导致流体粘度的降低。

“热解”是由于施加热量导致的化学键断裂。例如热解可包括通过单独加热将化合物转化成一种或多种其它物质。热量可转移到一部分地层上以引起热解。

“热解流体”或“热解产品”是指基本上在热解烃的过程中产生的流体。通过热解反应产生的流体可与地层内的其它流体混合。该混合物将被视为热解流体或热解产品。此处所使用的“热解区”是指反应了或者正在反应形成热解流体的地层体积(例如相对可渗透的地层，如焦油砂地层)。

“裂化”是指包括有机化合物的分解和分子重组以产生比最初更大数量分子的过程。在裂化过程中，伴随分子之间氢原子的转移发生一系列的反应。例如石脑油可经过热裂化反应形成乙烯和H₂。

“热叠加”是指从两个或更多热源向选定的地层部分提供热量，从而使热源之间至少一个位置的地层温度受到热源的影响。

“流体压力”是地层中的流体产生的压力。“岩石静压力”(有时称为“岩石静应力”)是地层内的压力，等于单位面积上覆岩石物质的重量。“静水压力”是水柱施加到地层的压力。

“API比重度”是指在15.5℃(60°F)的API比重度。API比重度是用ASTM方法D6822确定的。

层“厚度”是指层横截面的厚度，其中横截面与层面垂直。

“重质烃”是粘稠的烃流体。重质烃可以包括高粘烃流体，如重质油、焦油和/或沥青。重质烃可以包含碳和氢以及较小浓度的硫、氧和氮。重质烃中也可以存在微量的其它元素。重质烃可以用API比重度来分类。重质烃的API比重度通常低于约20°。例如重质油的API比重度通常约为10-20°，而焦油的API比重度通常低于约10°。重质烃在15℃下的粘度通常大于约100厘泊。重质烃可以包含芳烃或其它复杂的环烃。

可以在相对可渗透的地层中发现重质烃。相对可渗透的地层可以包括夹带在例如砂或碳酸盐中的烃。“相对可渗透”定义为对于地层或部分地层平均渗透性为10毫达西或更大(例如10毫达西或100毫达西)。“相对低渗透性”定义为对于地层或部分地层平均渗透性低于约10毫达西。1达西等于约0.99平方毫米。不可渗透层的渗透性通常小于约0.1毫达西。

“焦油”是15℃下的粘度通常大于约10000厘泊的粘稠烃。焦油的比重通常超过1.000。焦油的API比重度可以小于10°。

“焦油砂地层”是其中烃主要以夹带在矿粒骨架或其它主体岩石(例如砂或碳酸盐)中的重质烃和/或焦油形式存在的地层。焦油砂地层的实例包括Athabasca地层、Grosmont地层和Peace River地层(所有这三种地层均在加拿大Alberta)以及委内瑞拉的Orinoco地带的Faja地层。

在某些情况下，相对可渗透地层的部分或所有烃部分可以主要是重质烃和/或焦油，而没有支撑矿粒框架和仅有漂浮的(或没有)矿物质(例如沥青湖)。

含重质烃地层的某些类型也可以是但不限于天然矿物蜡或天然沥青。“天然矿物蜡”通常出现在基本上为管状的矿脉中，其可以宽数米，长数公里和深数百米。“天然沥青”包括芳烃组合物的固态烃，并且通常出现在大矿脉中。从地层中原位开采烃例如天然矿物蜡和天然沥青可以包括熔融形成液态烃和/或从地层中溶液采矿烃。

“提质”是指提高烃的质量。例如提质重质烃可使重质烃的API比重度提高。

可以各种方式处理地层中的烃以制得许多不同产品。在一些实施方案中，地层中的烃分阶段进行处理。图1描述了对加热含烃地层的阶段的说明。图1还描述了来自地层的地层流体以桶油当量/吨计的产率(“Y”)(y轴)对以℃计的加热地层的温度(“T”)(x轴)的例子。

在阶段1加热期间出现了甲烷的解吸和水的汽化。通过阶段1加热地层可以尽可能迅速地进行。例如当最初将含烃地层加热时，地层中的烃解吸所吸附的甲烷。可以从地层中生产解吸的甲烷。如果将含烃地层进一步加热，则含烃地层中的水汽化。在一些含烃地层中，水可以占据地层中的孔体积的10-50％。在其它地层中，水占据更大或更小比例的孔体积。水通常在地层中在160-285℃在600-7000kPa绝压的压力下汽化。在一些实施方案中，汽化的水产生地层中的润湿性变化和/或增加的地层压力。该润湿性变化和/或增加的压力可以影响地层中的热解反应或其它反应。在一些实施方案中，从地层中生产汽化的水。在其它实施方案中，汽化的水用于在地层中或地层外面的抽汽和/或蒸馏。将水从地层中排出并且提高地层中的孔体积增加了孔体积中烃的储存空间。

在一些实施方案中，在阶段1加热之后将地层进一步加热，以使得地层中的温度达到(至少)最初的热解温度(例如在如阶段2所示的温度范围下端的温度)。地层中的烃可能在阶段2被热解。热解温度范围取决于地层中烃的种类而变化。热解温度范围可以包括250-900℃的温度。用于生产所希望的产品的热解温度范围可以延伸穿过总热解温度范围的仅仅一部分。在一些实施方案中，用于生产所希望的产品的热解温度范围可以包括250-400℃的温度或者270-350℃的温度。如果地层中烃的温度缓慢升高通过250-400℃的温度，则当温度达到400℃时热解产品的生产可能基本完成。烃的平均温度可以在小于5℃/天、小于2℃/天、小于1℃/天或小于0.5℃/天的速率下升高通过用于生产所希望的产品的热解温度范围。用多个热源加热含烃地层可以在热源周围建立热梯度，以缓慢升高地层中烃的温度通过热解温度范围。

通过用于所希望的产品的热解温度范围的温度升高速率可能影响从含烃地层中生产的地层流体的质量和数量。将温度缓慢升高通过用于所希望的产品的热解温度范围可能抑制地层中长链分子的流动。将温度缓慢升高通过用于所希望的产品的热解温度范围可能限制在流动的烃之间产生不希望的产品的反应。将地层的温度缓慢升高通过用于所希望的产品的热解温度范围可以使得从地层中生产高质量、高API比重度的烃。将地层的温度缓慢升高通过用于所希望的产品的热解温度范围可以使得作为烃产品取出在地层中存在的大量的烃。

在一些原位热处理实施方案中，将一部分地层加热至所希望的温度而不是缓慢加热使温度通过温度范围。在一些实施方案中，所希望的温度为300℃、325℃或350℃。可以选择其它的温度作为所希望的温度。来自热源的热的叠加使得在地层中相对迅速并且有效地建立所希望的温度。可以调节从热源到地层中的能量输入以将地层中的温度基本保持在所希望的温度下。将加热部分的地层基本保持在所希望的温度下直到热解减少使得从地层中生产所希望的地层流体变得不经济。经受热解的地层部分可以包括通过仅由一个热源传热而被带入热解温度范围内的区域。

在一些实施方案中，从地层中生产包括热解流体的地层流体。当地层温度增加时，生产的地层流体中可冷凝的烃的数量可能降低。在高温下，地层可能产出大部分甲烷和/或氢气。如果将含烃地层加热通过整个热解范围，则对于热解范围的上限，地层可能产出仅仅少量的氢气。在所有可获得的氢气枯竭之后，将通常出现来自地层的最小数量的流体产量。

在烃热解之后，大量碳和一些氢气可能仍然存在于地层中。保留在地层中的明显比例的碳可以合成气的形式从地层中生产。在图1中描述的阶段3加热期间，可以出现合成气生成。阶段3可以包括将含烃地层加热至足以使得合成气生成的温度。例如可以在约400-约1200℃、约500-约1100℃或者约550-约1000℃的温度范围内生产合成气。当将产生合成气的流体引入地层时，地层的加热部分的温度决定了在地层中生产的合成气的组成。可以通过生产井从地层中移出所产生的合成气。

在热解和合成气生成期间，从含烃地层中生产的流体的总能量含量可以保持相对恒定。在相对低的地层温度下热解期间，明显比例的所生产的流体可以是具有高能量含量的可冷凝烃。然而在更高的热解温度下，较少的地层流体可以包括可冷凝的烃。更多的不可冷凝地层流体可以从地层中生产。在主要为不可冷凝地层流体的生成期间，每单位体积的所生产的流体的能量含量可能稍微降低。在合成气产生期间，与热解流体的能量含量相比，每单位体积的所生产的合成气的能量含量明显降低。然而，生产的合成气的体积在许多情况下将明显增加，由此弥补降低的能量含量。

图2描述了处理含烃地层的一部分原位热处理系统的实施方案的示意图。原位热处理系统可包括屏蔽井200。使用屏蔽井在处理区域周围形成屏蔽层。屏蔽层抑制流体流出和/或流入处理区域。屏蔽井包括但不限于脱水井、真空井、捕集井、注射井、泥浆井、冷冻井或它们的组合。在一些实施方案中，屏蔽井200是脱水井。脱水井可除去液体水和/或抑制液体水进入待加热的一部分地层内或者正在加热的地层内。在图2描述的实施方案中，给出了仅仅沿着热源202的一侧延伸的屏蔽井200，但屏蔽井典型地包围所使用的或者待使用的加热地层的处理区域的全部热源202。

热源202置于至少一部分地层内。热源202可包括加热器，例如绝缘导体、导管内的导体加热器、表面燃烧器、无火焰的分布/或自然分布的燃烧器。热源202也可包括其它类型的加热器。热源202提供热量到至少一部分地层以加热地层内的烃。可通过供应线204供应能量到热源202。供应线204在结构上可以不同，这取决于加热地层所使用的一种热源或多种热源的类型。用于热源的供应线204可输送用于电加热器的电，可运输用于燃烧器的燃料，或者可运输在地层内循环的换热流体。

使用生产井206从地层中除去地层流体。在一些实施方案中，生产井206包括热源。在生产井内的热源可加热在生产井处或其附近的地层的一个或多个部分。在一些原位热处理法实施方案中，以每米生产井计，从生产井供应到地层内的热量小于以每米热源计从加热地层的热源供应到地层的热量。

在一些实施方案中，生产井206中的热源允许从地层移出地层流体的气相。在生产井处或通过生产井提供热量可以：(1)当生产流体在上覆地层附近的生产井中移动时，抑制这些生产流体冷凝和/或回流，(2)增加到地层中的热量输入，(3)与没有热源的生产井相比，增加生产井的生产速率，(4)抑制生产井中碳数高(C₆和C₆以上)的化合物冷凝，和/或(5)增加生产井处或其附近地层的渗透性。

地层的地下压力相当于地层中产生的流体的压力。当地层加热部分中的温度升高时，由于产生的流体增加和水的汽化增加，加热部分的压力也增大。控制从地层中移出流体的速率可以允许控制地层中的压力。在很多不同的位置可以确定地层的压力，例如靠近或在生产井处、靠近或在热源处或在监测井处。

在一些含烃地层中，直到地层中的至少一些烃已经热解，从地层中生产烃都是受抑制的。当地层流体具有选定的质量时，可以从地层中生产地层流体。在一些实施方案中，选定的质量包括AP I比重度至少为约20°、30°或40°。抑制生产直到地层中的至少一些烃热解可以提高重质烃到轻烃的转化率。抑制初期生产可以使从地层生产的重质烃最少。大量重质烃的生产可能需要昂贵的设备和/或缩短生产设备的寿命。

在达到热解温度和允许从地层生产之后，可以改变地层压力以改变和/或控制生产的地层流体的组成，以控制地层流体中与不可冷凝流体相比可冷凝流体的百分比，和/或控制所生产的地层流体的API比重度。例如压力下降可能导致生产更多的可冷凝流体组分。可冷凝流体组分可以包含更大百分比的烯烃。

在一些原位热处理法的实施方案中，地层压力可以保持足够高，以促进API比重度大于20°的地层流体的生产。在地层中保持增大的压力可以抑制地层在原位热处理中下沉。保持增大的压力可以促进从地层中生产气相流体。生产气相可以允许用于输送从地层中产生的流体的收集管的尺寸降低。保持增大的压力可以减少或消除在地面将收集管内的流体输送到处理设备时压缩地层流体的需要。

在地层的加热部分保持增大的压力可以惊人地允许生产大量质量提高而且分子量相对低的烃。可以保持压力，以使生产的地层流体具有最小量的选定碳数以上的化合物。选定碳数可以是最多25、最多20、最多12或最多8。一些高碳数化合物可以夹带在地层中的蒸气中，并且可以与蒸气一起从地层中移出。在地层中保持增大的压力可以抑制蒸气中夹带高碳数化合物和/或多环烃化合物。高碳数化合物和/或多环烃化合物可以在相当长的时期内在地层中保持液相。所述相当长的时期可以为化合物提供足够的时间以热解形成低碳数化合物。

由生产井206生产的地层流体可通过收集管道208输送到处理设施210中。也可由热源202生产地层流体。例如可由热源202生产流体，以控制与热源相邻的地层内的压力。由热源202生产的流体可通过管道或管线输送到收集管线208中，或者所生产的流体可通过管道或管线直接输送到处理设施210中。处理设施210可包括加工所生产的地层流体用的分离单元、反应单元、提质单元、燃料电池、涡轮机、储存容器和/或其它系统和单元。处理设施可由地层生产的至少一部分烃形成运输燃料。在一些实施方案中，运输燃料可以是喷气燃料例如JP-8。

在一些实施方案中，将限温加热器用于重油应用(例如相对可渗透地层或焦油砂地层的处理)。限温加热器可以提供相对低的居里温度，以使加热器的最高平均操作温度小于350℃、300℃、250℃、225℃、200℃或150℃。在一个实施方案中(例如焦油砂地层)，加热器的最高温度小于约250℃，以抑制烯烃的产生和其它裂化产物的产生。在一些实施方案中，可以使用高于约250℃的加热器最高温度，以生产较轻的烃产品。例如加热器的最高温度可以是或小于约500℃。

加热器可以加热靠近生产井的地层体积(靠近生产井的区域)，以使生产井中和靠近生产井的体积的流体温度低于导致流体降解的温度。热源可以位于生产井内或靠近生产井。在一些实施方案中，热源是限温加热器。在一些实施方案中，两个或更多个热源可以为所述体积提供热量。来自热源的热可以降低生产井中或靠近生产井的原油的粘度。在一些实施方案中，来自热源的热使生产井中或靠近生产井的流体运动和/或加强流体向生产井的径向流动。在一些实施方案中，降低原油的粘度允许或加强了重油(大约API比重度最多约10°的油)或中等比重油(大约API比重度约10°-20°的油)从生产井的气升。在一些实施方案中，地层中油的初始API比重度最多为10°、最多20°、最多25°、或最多30°。在一些实施方案中，地层中油的粘度至少为0.05Pa·s(50cp)。在一些实施方案中，地层中油的粘度至少为0.10Pa·s(100cp)、至少0.15Pa·s(150cp)、或至少0.20Pa·s(200cp)。大量天然气可能必须要用于提供粘度大于0.05Pa·s的油的气升。将地层中生产井中或靠近生产井的油的粘度降低到粘度为0.05Pa·s(50cp)、0.03Pa·s(30cp)、0.02Pa·s(20cp)、0.01Pa·s(10cp)或更小(低至0.001Pa·s(1cp)或更低)降低从地层升举油所需的天然气量。在一些实施方案中，减粘油通过其它方法例如泵送生产。

通过提高生产井处或生产井附近的温度以降低生产井中或生产井附近的地层内油的粘度，可以增加从地层中生产油的速率。在一些实施方案中，从地层中生产油的速率比生产时地层没有外部加热的标准冷生产增加到2倍、3倍、4倍或高达20倍。由于采用加热靠近生产井区域的强化油生产，特定的地层可能更经济可行。对于冷生产速率约在0.05m³/(天·每米井孔长度)到0.20m³/(天·每米井孔长度)之间的地层，加热降低靠近井孔区域的粘度可能会使生产速率有重大的提高。在一些地层中，使用长度高达775m、高达1000m或高达1500m的生产井。例如使用长度在450m到775m之间的生产井，使用长度在550m到800m之间的生产井，或使用长度在650m到900m之间的生产井。因此在一些地层中可以获得产量的重大提高。加热靠近生产井区域可以用于冷生产速率不在0.05m³/(天·每米井孔长度)到0.20m³/(天·每米井孔长度)之间的地层，但是加热这种地层可能不是经济上有利的。加热靠近井孔的区域可能不会使较高的冷生产速率有重大的提高，但较低的生产速率可能不会提高到经济上有用的值。

使用限温加热器来降低生产井处或附近油的粘度，以抑制与非限温加热器相关的问题以及与由于热点加热地层中的油相关的问题。一个可能的问题是如果由于加热器处于过高的温度而使加热器过度加热油，非限温加热器会导致生产井处或附近的油结焦。生产井中的温度较高也可能导致井中的盐水沸腾，这将导致井中地层结垢。达到较高温度的非限温加热器也可能损害井中的其它元件(例如用来控砂的筛网、泵或阀)。热点可能是由于部分地层靠着加热器膨胀或塌陷到加热器上引起。在一些实施方案中，加热器(限温加热器或其它类型的非限温加热器)具有由于在很长的加热器距离上下垂的较低段。这些较低段可以位于在井孔较低部分收集的重油或沥青中。在这些较低段，由于重油或沥青结焦，加热器可能形成热点。标准非限温加热器可能在这些热点处过热，因此沿加热器的长度产生不均匀的热量。使用限温加热器可以抑制加热器在热点或较低段过热，并沿井孔长度提供更均匀的加热。

在一些实施方案中，包含重质烃的相对可渗透地层中的流体在地层中烃的热解很少或没有的条件下生产。在一些实施方案中，包含重质烃的相对可渗透地层是焦油砂地层。例如地层可以是焦油砂地层，例如加拿大Alberta的Athabasca焦油砂地层，或碳酸盐地层，例如加拿大Alberta的Grosmont碳酸盐地层。从地层中生产的流体是运动流体。从焦油砂地层生产运动流体可能比生产热解流体更经济。生产运动流体也可以增加从焦油砂地层生产的烃的总量。

图3-6描述了从焦油砂地层中生产运动流体的实施方案的侧视图。在图3-6中，加热器212在烃层214中具有基本水平的加热部分(如图所示加热器具有进入或穿出纸面的加热部分)。图3描述了从具有较薄烃层的焦油砂地层中生产运动流体的实施方案的侧视图。图4描述了从较厚烃层(图4所示的烃层比图3所示的烃层厚)中生产运动流体的实施方案的侧视图。图5描述了从更厚烃层(图5所示的烃层比图4所示的烃层厚)中生产运动流体的实施方案的侧视图。图6描述了从带有具有页岩夹层的烃层的焦油砂地层中生产运动流体的实施方案的侧视图。

在图3中，加热器212在烃层214中以交替的三角图案布置。在图4、5和6中，加热器212在烃层214中以交替的三角图案布置，这种方式垂直重复以包围多数或最多所有烃层。在图6中，烃层214中交替的三角图案的加热器212重复不间断地穿过页岩夹层216。在图3-6中，加热器212可以等间距地彼此隔开。在图3-6所示的实施方案中，加热器212的垂直行数取决于因素例如但不限于加热器之间的期望间距、烃层214的厚度和/或页岩夹层216的数量和位置。在一些实施方案中，加热器212布置成其它图案。例如加热器212可以按图案例如但不限于六边形图案、正方形图案或矩形图案设置。

在图3-6所示的实施方案中，加热器212提供使烃层214中的烃运动(降低烃的粘度)的热量。在一些实施方案中，加热器212提供的热量使烃层214中的烃的粘度降低到低于约0.50Pa·s(500cp)、低于约0.10Pa·s(100cp)或低于约0.05Pa·s(50cp)。加热器212之间的距离和/或加热器的热输出可以设计和/或控制以将烃层214中的烃的粘度降低到期望值。可以控制加热器212提供的热，以使烃层214中很少或不发生热解。加热器之间的热叠加可以形成加热器之间的一个或多个排出通道(例如流体流动的通道)。在一些实施方案中，生产井206A和/或生产井206B位于加热器212附近，以便来自加热器的热量叠加到生产井上。来自加热器212的热量叠加到生产井206A和/或生产井206B上形成一个或多个从加热器到生产井的排出通道。在一些实施方案中，一个或多个排出通道汇合。例如排出通道可以在或靠近最低的加热器汇合和/或排出通道可以在或靠近生产井206A和/或生产井206B汇合。由于重力和加热器和/或生产井建立的热量和压力梯度的作用，烃层214中的运动流体趋向于向烃层中最低的加热器212、生产井206A和/或生产井206B流动。排出通道和/或汇合的排出通道允许生产井206A和/或生产井206B收集烃层214中的运动流体。

在一些实施方案中，烃层214有足够的渗透性以允许运动流体排入生产井206A和/或生产井206B。例如烃层214的渗透性可以是至少约0.1达西、至少约1达西、至少约10达西或者至少约100达西。在一些实施方案中，烃层214具有相对大的垂直渗透性与水平渗透性比值(K_V/K_h)。例如烃层214的K_V/K_h比值可以在约0.01到约2之间、约0.1和约1之间或者约0.3和约0.7之间。

在一些实施方案中，通过位于烃层214较低部分的加热器212附近的生产井206A生产流体。在一些实施方案中，通过生产井206B生产流体，生产井206B的位置低于并接近烃层214较低部分中的加热器212之间的中点。生产井206A和/或生产井206B的至少一部分可以取向为在烃层214中基本水平(如图3-6所示，生产井具有进入或穿出纸面的水平部分)。生产井206A和/或生产井206B可以位于靠近下部加热器212或最低加热器。

在一些实施方案中，生产井206A基本垂直设置于烃层214中最低加热器的下方。生产井206A可以设置为低于加热器图案底部顶点处的加热器212(例如在图3-6所示的三角形加热器图案的底部顶点)。将生产井206A基本垂直设置于最低加热器的下方可以有效地收集烃层214中的运动流体。

在一些实施方案中，最低加热器到烃层214底部的距离在约2至约10m之间、到烃层底部的距离在约4至约8m之间、或者到烃层底部的距离在约5至约7m之间。在一些实施方案中，生产井206A和/或生产井206B离最低加热器212的距离允许来自加热器的热量叠加到生产井上，但离加热器的距离又抑制在生产井处结焦。生产井206A和/或生产井206B与最近的加热器(例如最低加热器)之间的距离最多为加热器图案(例如图3-6所示的加热器的三角形图案)中的加热器之间距离的3/4。在一些实施方案中，生产井206A和/或生产井206B离最近的加热器的距离为加热器图案中的加热器之间距离的最多2/3、最多1/2或最多1/3。在一些实施方案中，生产井206A和/或生产井206B离最低加热器约2至约10m之间、离最低加热器约4至约8m之间、或者离最低加热器约5至约7m之间。生产井206A和/或生产井206B到烃层214底部的距离在约0.5至约8m之间、到烃层底部的距离在约1至约5m之间、或者到烃层底部的距离在约2至约4m之间。

在一些实施方案中，至少有些生产井206A基本垂直设置于靠近页岩夹层216的加热器212的下方，如图6所示。生产井206A可以位于加热器212和页岩夹层216之间，以生产在页岩夹层上方流动和收集的流体。页岩夹层216可能是烃层214中不可渗透的屏蔽。在一些实施方案中，页岩夹层216的厚度在约1至约6m之间、在约2至约5m之间、或者在约3至约4m之间。如图6所示，加热器212和页岩夹层216之间的生产井206A可以从烃层214上部(在页岩夹层上方)生产流体，和烃层中的最低加热器下方的生产井206A可以从烃层下部(在页岩夹层下方)生产流体。在一些实施方案中，烃层中可能存在两个或更多个页岩夹层。在这种实施方案中，生产井设置在每个页岩夹层处或附近，以生产在页岩夹层上方流动和收集的流体。

在一些实施方案中，当页岩夹层被页岩夹层任一侧的加热器212加热时，页岩夹层216破裂(变干燥)。由于页岩夹层216破裂，页岩夹层的渗透性增大，和页岩夹层允许流体流过页岩夹层。一旦流体能流过页岩夹层216，页岩夹层上方的生产井对于生产来说可能就不需要了，因为流体可以流向烃层214底部或附近的生产井并在那里生产。

在一些实施方案中，在页岩夹层216上方的最低加热器到页岩夹层的距离在约2m和约10m之间、到页岩夹层的距离在约4m和约8m之间、或者到页岩夹层的距离在约5m和约7m之间。生产井206A到页岩夹层216上方的最低加热器的距离在约2m和约10m之间、到页岩夹层上方的最低加热器的距离在约4m和约8m之间、或者到页岩夹层上方的最低加热器的距离在约5m和约7m之间。生产井206A到页岩夹层216的距离在约0.5m和约8m之间、到页岩夹层的距离在约1m和约5m之间、或者到页岩夹层的距离在约2m和约4m之间。

在一些实施方案中，在生产井206A和/或生产井206B中提供热量，如图3-6所示。在生产井206A和/或生产井206B中提供热量可以保持和/或提高流体在生产井中的运动性。在生产井206A和/或生产井206B中提供的热量可以与来自加热器212的热量叠加，形成从加热器到生产井的流动通道。在一些实施方案中，生产井206A和/或生产井206B包括泵，以将流体移出到地层表面。在一些实施方案中，利用加热器和/或注入稀释剂(例如利用生产井中的导管来注入射稀释剂)，使生产井206A和/或生产井206B中的流体(油)的粘度降低。

在一些实施方案中，除了原位热处理法之外，驱动法(例如比如循环蒸汽注入的蒸汽注入法、溶剂注入法或二氧化碳注入法)用于处理焦油砂地层。在一些实施方案中，加热器用于在地层中为驱动法形成高渗透性区(或注射区)。加热器可以用于在地层中形成运动几何结构或生产网络，以允许流体在驱动法期间流过地层。例如，加热器可以用于在加热器和生产井之间为驱动法形成排出通道。在一些实施方案中，加热器用于在驱动法期间提供热量。加热器提供的热量可能小于驱动法的热量输入(例如来自蒸汽注入的热量输入)。

在一些实施方案中，驱动法(例如蒸汽注入法)用于在原位热处理法之前使流体运动。蒸汽注入可以用于使烃(油)远离地层中的岩石或其它层。蒸汽注入可以使石油运动，而不加热岩石。

在一些实施方案中，驱动法用于从地层中处理和生产烃。驱动法可以从地层中原位采出少量的油(例如小于20％的从地层中原位采出油的采收率)。原位热处理过程可以用于驱动法之后以增加从地层中原位采出油的采收率。在一些实施方案中，驱动法为原位热处理法预热地层。在一些实施方案中，在地层已经用驱动法处理之后，地层用原位热处理法处理相当长的时间(例如在驱动法之后，使用原位热处理法1年、2年或3年)。

实施例

下面说明加热焦油砂地层的非限制性实施例。

STARS模拟(Computer Modelling Group，LTD.，Calgary，Alberta，加拿大)用于模拟采用图3所示的加热器井图案加热焦油砂地层。在焦油砂地层中，加热器具有600m的水平长度。加热器的加热速率为约750W/m。图3所示的生产井206B用作模拟中的生产井。水平生产井的井底压力维持在约690kPa。焦油砂地层的性质基于Athabasca焦油砂。焦油砂地层模拟的输入性质包括：初始孔隙率＝0.28；初始油饱和＝0.8；初始水饱和＝0.2；初始游离气饱和＝0.0；初始垂直渗透性＝250毫达西；初始水平渗透性＝500毫达西；初始的K_v/K_h＝0.5；烃层厚度＝28m；烃层深度＝587m；初始储层压力＝3771kPa；生产井和烃层较低边界的距离＝2.5m；最高加热器和上覆地层的距离＝9m；加热器之间的距离＝9.5m；初始烃层温度＝18.6℃；初始温度下的粘度＝53Pa·s(53000cp)；而且焦油中的气油比(GOR)＝50标准立方英尺/标准桶。加热器是瓦特数为常数的加热器，在砂表面的最高温度为538℃，和加热器功率为755W/m。加热器井直径为15.2cm。

图7描述了用STARS模拟的360天后地层中的温度剖面图。最热点位于或接近加热器212。温度剖面图显示加热器之间的地层部分的温度高于其它地层部分。这些较热的部分在加热器之间形成更多的运动性，并形成流体在地层中朝生产井向下排出的流动通道。

图8描述了用STARS模拟的360天后地层中的油饱和剖面图。显示的油饱和的标度在0.00到油饱和为100％的1.00之间。油饱和标度在侧条上显示。在360天中，油饱和有些在加热器880和生产井206B处较低。图9描述了用STARS模拟的1095天后地层中的油饱和剖面图。在1095天后，地层中的油饱和全面下降，加热器附近和加热器之间的油饱和下降更多。图10描述了用STARS模拟的1470天后地层中的油饱和剖面图。图10中的油饱和剖面图显示油是运动的和朝地层较低部分流动。图11描述了用STARS模拟的1826天后地层中的油饱和剖面图。大部分地层的油饱和都比较低，而生产井206B下面部分的地层底部或其附近具有一些较高的油饱和。油饱和剖面图描述了地层中的大部分油在1826天之后已经从地层中生产出。

图12描述了用STARS模拟的1826天后地层中的温度剖面图。温度剖面图显示除了加热器212处和地层极端部分(角落)处之外，地层中的温度剖面图相对均匀。温度剖面图显示在加热器和生产井206B之间形成了流动通道。

图13描述了油生产速率218(桶/天)(左轴)和气生产速率220(ft³/天)(右轴)与时间(年)的关系。油生产量和气生产量图线表明在生产早期(0-1.5年)生产油时，只有少量的气体生产。在这个时期生产的油最有可能是未热解的较重运动油。在约1.5年之后，气生产量激增而油生产量锐减。气生产速率在约2年时快速降低。然后油生产量缓慢增加，直到在约3.75年附近达到最高产量。然后由于地层中的油耗尽，油生产量缓慢下降。

根据STARS模拟，计算出的在约5年以后的能量输出(生产的油和气能量含量)与能量输入(地层中的加热器输入)的比为约12比1。在约5年以后，计算出的油原位总采收率百分比为约60％。因此，利用图3所示的加热器和生产井图案的实施方案从焦油砂地层生产油可以得到高的油采收率和高的能量输出与能量输入比。

基于本说明书，本发明各个方面的另一些改进和替代实施方案对本领域技术人员来说可能是明显的。因此，本说明书将被看作仅仅是说明性的，其目的在于教导本领域技术人员实施本发明的一般方式。应理解本文中给出和描述的本发明形式将被看作是目前优选的实施方案。一些要素和材料可以代替本文中描述和说明的那些、一些部件和工艺可以颠倒和本发明的某些特征可以单独使用，所有这些在受益于本发明的描述之后，对本领域技术人员来说均是明显的。在本文中描述的要素中可以进行改变，只要不偏离描述于后面的权利要求中的本发明的精神和范围。另外，应理解在一些实施方案中可以将本文中描述的特征独立地组合。

Claims (24)

1.一种处理焦油砂地层的系统，包括：

位于地层中的多个加热器，其中加热器包括至少部分位于地层烃层中的至少部分水平的加热部分，所述加热部分至少部分按图案设置在烃层中，并且加热器设置为向烃层提供热量，提供的热量产生运动流体的多个排出通道，排出通道中的至少两个汇合；和

生产井，其设置为从烃层中汇合的排出通道收集和生产运动流体。

2.权利要求1的系统，其中来自加热器的热量设置为至少部分叠加到生产井，以形成至少一些运动流体流到生产井的通道。

3.权利要求1或2的系统，其中生产井设置为使得至少一些地层流体排向生产井。

4.权利要求1-3中任一项的系统，其中生产井包括向生产井和生产井周围的至少部分地层提供热量的加热器。

5.权利要求1-4中任一项的系统，其中生产井设置为从地层生产至少一些热解流体。

6.权利要求1-5中任一项的系统，系统还包括在生产井中用来从地层中移出流体的的泵。

7.权利要求1-6中任一项的系统，其中加热器是细长的加热器。

8.权利要求1-7中任一项的系统，其中所述图案包括加热部分，图案中的加热部分之间的距离相等。

9.权利要求1-8中任一项的系统，其中所述图案是加热部分的三角形图案。

10.权利要求1-9中任一项的系统，其中系统还包括设置为向地层提供蒸汽的蒸汽源。

11.权利要求1-10中任一项的系统，其中加热部分的图案包括朝向烃层底部取向的顶点。

12.权利要求11的系统，其中生产井设置为靠近或低于朝向烃层底部取向的顶点。

13.权利要求1-12中任一项的系统，其中生产井设置为使得来自至少一个加热器的热量加热至少部分靠近生产井的烃层。

14.权利要求1-13中任一项的系统，其中生产井设置为离最近的加热器的距离为图案中加热器之间距离的最多²/₃、最多¹/₂或最多¹/₃，和/或生产井设置为离最近的加热器2至10m之间、离最近的加热器4至8m之间、或者离最近的加热器5至7m之间。

15.一种使用权利要求1-14中任一项的系统处理焦油砂地层的方法，所述方法包括：

由位于地层中的多个加热器向地层中的至少部分烃层提供热量；

允许至少一些运动流体沿排出通道和/或汇合的排出通道从地层流到生产井中；和

通过生产井中生产出至少一些运动流体。

16.权利要求15的方法，其中生产井设置为低于朝向烃层底部取向的顶点。

17.权利要求15或16的方法，还包括从加热器向烃层提供热量，以使热量至少部分叠加到生产井，以形成至少一些运动流体流到生产井的通道。

18.权利要求15-17中任一项的方法，还包括允许烃层中的流体沿排出通道和/或汇合的排出通道排出到生产井中。

19.权利要求15-18中任一项的方法，还包括在生产井中提供热量以向生产井和生产井周围的至少部分地层提供热量。

20.权利要求15-19中任一项的方法，还包括从地层中生产至少一些热解流体。

21.权利要求15-20中任一项的方法，还包括泵送流体到地层表面。

22.权利要求15-21中任一项的方法，还包括向地层提供蒸汽。

23.包含使用权利要求1-14中任一项的系统或者使用权利要求15-22中任一项的方法生产的烃的组合物。

24.由权利要求23的组合物制成的运输燃料。

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