CN102209835B - 从地下矿床中采收烃的加热器和方法 - Google Patents
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Abstract
提供了有助于从地下矿床采收烃的加热器实施方式。在一个实施方式中，将加热器提供到已穿过油页岩矿床钻出的井中。向加热器提供燃料和氧化剂并回收烟道气。加热器具有逆流设计并提供了沿加热器长度近似均匀的温度。加热器可设计用于在不同温度和深度下操作，从而热解或以别的方式加热地下烃矿床，形成容易采收并且无需进一步实质处理就可用的产品。描述了多个逆流加热器实施方式，包括这样的加热器，其具有沿加热器长度向下的分布式反应区、分布式燃料催化氧化以及不连续或连续的热生成。加热器还可以利用来自产品采收或来自加热器烟道气的惰性气体以控制加热器温度。
Description
相关申请的交叉引用
本发明要求题目相同的美国临时申请系列号61/112,088的权益，该临时申请提交于2008年11月6日，其公开内容通过引用完整地合并在此。
技术领域
本发明一般地涉及促进从地下矿床中采收烃产品的设备和方法，更具体地涉及原位加热油页岩从而采收液体页岩油的方法和系统。
背景技术
在美国及世界各地都发现了大量地下油页岩矿床。与石油矿床相比，这些油页岩矿床的特点在于它们是固态，其中有机材料是聚合物样结构，通常称为“干酪根(kerogen)”，其与无机矿物组分紧密混合。已显示，将油页岩矿床加热到约300℃的温度，使得固体干酪根热解，形成石油样“页岩油”和天然气样气体产品。部分地由于高效加热地下油页岩矿床的困难，阻碍了来源于油页岩的产品的经济提取。
因而，本领域需要允许高效地原位加热大体积(volume)油页岩矿床的方法和设备。
发明内容
本申请通过提供在大的地下体积范围内加热的设备而解决了已知系统和技术的一些缺点。在一个实施方式中，提供了加热器，该加热器可沿其长度方向加热到指定的温度。
一般地，该加热器接受燃料和氧化剂，并设计用于促进沿其长度方向的放热反应区。在各个实施方式中，该加热器包括燃料和氧化剂的混合区，并且该混合物内的反应发生在该混合区、催化表面上，或其一些结合。
通过本公开的设备和方法以及本文给出的它的优选实施方式获得了这些特征以及本领域技术人员根据下面的详细描述可以明了的各种附属构造(ancillary provisions)和特征。
附图说明
图1是科罗拉多州绿河地层(Colorado′s Green River Formation)中富含油页岩的场所的示意图；
图2是可包含在加热器控制建筑物(Heater Control Building)内用于加热器控制的一些元件的示意图；
图3是示出渗透性催化材料加热器(Permeable Catalytic MaterialHeater)形式的加热器的示例实施方式的示意图；
图4是示出催化床加热器(Catalytic Bed Heater)形式的加热器的另一个示例实施方式的示意图；
图5示出图4所示从催化床加热器性能的数值模拟(numericalsimulation)所得到的温度分布；和
图6是催化壁加热器(Catalytic-Wall Heater)形式的加热器的又一个示例实施方式的示意图。
具体实施方式
图1是称为绿河地层的科罗拉多州中富含油页岩的场所100的正视图。图1是示例性、非限制性图示。该正视图所示的一些层随着深度的增加而包括磺酸带(Mahogany Zone)102、富含苏打石的油页岩岩盖层(Cap Rock Layer)104和富含伊利石(Illite)的油页岩带106。所示距离是近似值，粗略地说明了该地层的地质情况。磺酸带102上面的区域的水质通常良好。该水的含盐度随着与富含苏打石的油页岩岩盖层104的接近而增加。富含伊利石的油页岩带106的渗透性低。
原位提取干酪根的一个示例方法包括，将富含伊利石的油页岩带106加热至热解温度。热量可经由加热器井108由热源提供。流体干酪根可经由生产井110移出。原位提取进一步描述在共同未决的美国专利申请系列号11/655,152中，该申请题目为“In-Situ Method and Systemfor Extraction of Oil From Shale(从页岩提取油的原位方法和系统)”，提交于2007年1月19日，其通过引用合并在此如同全部提出一样。可以看出，加热器井108和生产井110都具有在富含伊利石的油页岩带106中延伸的井段(section)。虽然示为水平井段，但该井可以是水平的、竖直的或其间的任何角度。
在一个实施方式中，加热器井108可包括逆流式换热器以对可燃流体进行预加热(下面将更全面地描述)，然后使该可燃流体燃烧从而在富含伊利石的油页岩带106中产生热量。在另一个实施方式中，加热器井108可包括在富含伊利石的油页岩带106内的井下燃烧器。加热器井108提供了用于热解页岩的热量，以便干酪根转变成可通过生产井110提取的流体。在各种实施方式中，包括富含氧和/或含二氧化碳的混合物的、供应给加热器井的可燃流体可以从生产井110或加热器井108在地表进行回收。在此文中，术语流体旨在包括液体和气体。
用作加热目标的页岩体积称作“蒸馏器(retort)”。加热器通过利用受热流体与蒸馏器体积之间的传导和对流转移热量而在矿床中形成地下蒸馏器，将矿床转变成可采收烃液体和气体。因而，例如但不限制地，油页岩可以热解从而形成合成原油(synthetic crude oil)，该合成原油然后可通过另一个井提取。在一些实施方式中，例如，蒸馏器可从加热器延伸50ft～100ft。
促进地下矿床移出所需的温度取决于矿床的化学性质和/或物理状态以及深度。一般地，本文公开的加热器可被配置在温度范围以及深度和构造范围内操作，从而促进许多类型的矿床移出，包括但不局限于页岩、沥青砂和重油矿床。本文陈述的实例是为了说明，而不是要进行限制。在一个实施方式中，加热器温度高于干酪根的热解温度，但低于页岩油在加热器表面上炭化的温度。
因为油页岩矿床通常包含大量与干酪根混合的无机材料，且这些无机材料与干酪根一起被加热，所以期望蒸馏器可以高效加热。采收页岩油的一种高效加热方法是在页岩矿床上钻一个或多个井，在一个或多个井中安装原位加热油页岩的井下加热器，从而使干酪根热解为可通过一个或多个生产井采收的液体和气体产品。
如果蒸馏器区域中的矿床具有一致的物理和化学特性，并且如果加热沿着加热器是均匀的，则蒸馏器将沿着加热器均匀地形成。因而，例如，产生均匀加热的长直加热器将形成圆柱形蒸馏器。纵向加热变化可能导致非圆柱形的蒸馏器形状。蒸馏器形状的此类变化可产生无法高效处理蒸馏器附近所有油页岩的系统，并可能在恢复均匀性之前要求加热器关闭。为此，优选加热是这样的，以便蒸馏器的径向延伸沿加热器长度方向没有明显变化。
图1还示出加热器控制建筑物112和页岩油采收建筑物114。在一个实施方式中，蒸馏器加热通过燃料和氧化剂的地下反应实现。可选地，蒸馏器加热可用加热器的电加热加以补充。图2是可包含在加热器控制建筑物112内的一些加热器控制用元件的示意图。加热器控制建筑物112可包括：控制器200、连接燃料供应204和加热器燃料管路206的一个或多个可调节阀202(1)-202(N)、连接氧化剂供应208和氧化剂管路207的一个或多个可调节阀203，以及连接稀释剂源210和稀释剂供应管路209的一个或多个可调节阀205。可调节阀203和205可布置成类似于与可调节阀202关联的歧管。加热器控制建筑物112还可以包括装置或混合流体(未示出)。例如，一些实施方式可提供预混合燃料、氧化剂、稀释剂或其混合物。
在一个实施方式中，流体被可控地提供到加热器井108的不同区域中，如随后描述的。因而，例如但不限制地，可对燃料、氧化剂和/或稀释剂的供应独立地调节，并可通过管道装置(plumbing)将其提供到加热器的不同部分(“加热器区”)中。在又一个实施方式中，沿加热器长度方向提供温度传感器装置。例如，沿着加热器、靠近或在加热器外表面上策略性地安置热电偶或电阻式温度检测器(RTD)。通过对燃料供应加以适当调节，可操作加热器以获得温度均匀性。可选地，可利用电阻加热器提供另外的加热，从而实现沿着加热器的温度均匀性。
在一个实施方式中，沿着加热器的温度变化不大于10℃。在另一个实施方式中，沿着加热器的温度变化不大于20℃。在又一个实施方式中，沿着加热器的温度在加热器10米长度上的变化不大于10℃。在另一个实施方式中，沿着加热器的温度在加热器10米长度上的变化不大于20℃。在另一个实施方式中，沿加热器长度方向的温度变化小于40℃。在又一个实施方式中，沿着加热器的温度变化小于100℃。
在一个实施方式中，沿着加热器的热通量变化不大于10％。在另一个实施方式中，沿着加热器的热通量变化不大于20％。在又一个实施方式中，沿着加热器的热通量在加热器10米长度上的变化不大于10％。在另一个实施方式中，沿着加热器的热通量在在加热器10米长度上的变化不大于20％。在又一个实施方式中，蒸馏器可不具有恒定的传热特性。因而，例如，油蒸气流可增大加热器的一些部分上的传热。可通过在纵向或环向上有意提供热通量和/或温度的变化来抵消传热变化。
在一个实施方式中，加热器的尺寸适于安装在蒸馏器内的射孔井套管中。该射孔套管提供了抵御可从井壁脱落的碎裂岩石碎片的机械保护。因而，例如，加热器的尺寸适于安装在圆形孔口直径为150mm～500mm的井套管中。在多个实施方式中，加热器是圆柱形，直径为150mm～300mm。在多个实施方式中，加热器直径近似为150mm、近似为200mm、近似为250mm或近似为300mm。
研究已表明，从油页岩矿床提取的收益随着蒸馏器侧面长度增加，即，一个加热器井所能供应的蒸馏器越长，该井的巨大成本所造成的费用也就越小。所公开的加热器可以将非常长的蒸馏器加热到均匀温度。在一个实施方式中，加热器长度是，例如但不限制地，大于1000m。在可选实施方式中，加热器长度大于100m、大于200m、大于300m、大于400m、大于500m、大于600m、大于700m、大于800m或大于900m。在其它可选实施方式中，加热器长度大于1500m或大于2000m。
通过热解将油页岩矿床中的干酪根转变成液体和/或气体产品，也促进有机组分与大量存在的页岩无机成分分离。
在一个实施方式中，提供了地下加热页岩、沥青砂和重油矿床的加热器。该加热器可以安装在例如水平井中。在加热后，矿床形成维持在某个温度下的沸油(boiling oil)，该温度取决于矿床组成和深度。对于许多地下矿床而言，感兴趣的温度为275℃～450℃。在一个实施方式中，油在约350℃下沸腾。
在另一个实施方式中，加热器可以安装在穿过矿床如油页岩矿床的水平井中。在另一个实施方式中，与加热器接触的产品由于加热和/或热解而液化，并形成与加热器的一定长度接触的沸腾液体。在一个实施方式中，矿床被加热到沸点，该沸点将随着矿床类型和深度而变化。因而，例如，优选加热器一经操作便被维持在近似350℃的地下沸腾产品油围绕。
在又一个实施方式中，加热器包括逆流式换热器。向加热器提供气体或液体燃料以及气体氧化剂，它们可被稀释且可以预混合或分开供应。该燃料和氧化剂发生放热反应并形成“烟道气”，该烟道气逆向流过热交换器并预热进入的气体。所释放热量预热进入的燃料和/或氧化剂和/或稀释剂以及加热器的外壳。加热可在加热器一些长度或全长内发生。在某些其它实施方式中，燃料和氧化剂在加热器内、在气相中或在催化剂促成的表面上发生反应。所产生的烟道气逆向地流向进入的流体，在燃料和氧化剂流入燃烧器时对它们进行预热，并对加热器的外管进行加热。
在一个实施方式中，布置从地表面到加热器的供应和烟道气管路从而提供逆流式热交换器。该烟道气因而在到达表面时冷却到例如近似25℃，并且燃料和氧化剂在进入加热器之前被预热到最大烟道气温度，最大烟道气温度为例如近似400℃，或近似500℃。
在某些实施方式中，燃料和氧化剂可以在各种实施方式中包括化学计量比或贫燃料(富氧化剂)比。在一些实施方式中，燃料和氧化剂被预混合，而在其它实施方式中，流体被分开供应并在沿着加热器的反应区中混合。可选地，可将稀释剂加入到燃料、氧化剂或其混合物中。稀释剂可以是但不限于从生产井在地表采收的二氧化碳。
在某些其它实施方式中，特别是其中加热器内的燃料/氧化剂反应对于烟道气而言没有充分完成从而无法满足排放或埋存(sequestration)需要的实施方式中，可在加热器的烟道气出口处提供催化转化器，从而在温度高到足以支持催化氧化的场所中消除残留烃和CO。
在其它实施方式中，通过将一些烟道气与燃料、氧气或其混合物混合，可以使其再循环回到加热器中。
下面说明了数个加热器实施方式，其不应被解读为限制性的。
渗透性催化材料加热器
图3示出加热器的一个实施方式，其为渗透性催化材料加热器300。图3的加热器实施方式在适当时可包括上述元件中的一个或多个。图3的加热器有开口端302和加热器闭合端304，开口端302具有提供气体流入(inflow)和流出(outflow)的气体进口/出口部分306。加热器300包括适于安置在井中的细长燃烧器壳体308。燃烧器壳体308的内部是延伸到加热器闭合端304的限流介质(Flow Restriction Medium)310。在这个示例实施方式中，限流介质310将燃烧器壳体308的内部体积分成内流通道303和外流通道305，它们有时称作第一壳体区域和第二壳体区域。限流介质310的至少一部分是由渗透性催化材料形成的，该催化材料利用所选渗透性从而提供内流通道到外流通道的受控横向流。虽然图3的实施方式示出圆柱形燃烧器壳体和圆柱形限流介质，但这种构造是为了说明，并不限于这种结构。在一个可选实施方式中，外流通道沿着加热器延伸，但不包括加热器闭合端。在另一个可选实施方式中，横向流从外流通道行进到内流通道。
包括燃料和氧化剂的预混合流体通过井从表面提供到气体进口/出口部分306中，并通过内流通道303流向加热器闭合端304，如轴向箭头302所指示的。预混合气体可以是化学计量混合物或贫燃料混合物，并可包括稀释剂从而降低反应温度。稀释剂可以是回收的烟道气、从生产井中回收的惰性气体，或其它无反应性气体如空气中包含的氮气。
预混合流体也流过渗透性催化材料310，如径向箭头330所指示的，其中它们反应形成烟道气，该烟道气从加热器闭合端304流走，如轴向箭头340所指示的。通过渗透性催化材料310的流量分布受流体特性和压力以及渗透性催化材料的孔隙率、厚度和面积影响。预混合流体的反应热对限流介质310、预混合流体、烟道气和壳体308进行加热。催化材料中预混合流体的完全反应是期望的，以在整个催化材料达到最大温升。通过催化材料的大的压降促进预混合流体的轴向分布，该分布应当均匀以便对加热器300均匀地加热。
烟道气通过外流通道305从限流介质310流向气体进口/出口部分306，并最终通过井并到达表面。
在一个实施方式中，通过限流介质310的燃料和氧化剂流沿燃烧器长度方向近似恒定。因而，例如但不限制地，除了在燃烧器的末端附近以外，流速沿燃烧器长度方向变化小于5％。在另一个实施方式中，该流速变化小于2％。
限流介质310提供了在内流和外流通道之间沿加热器长度方向获得期望的受控横向流态(profile)的手段。限流介质310可以是连续或不连续的，其由多孔和无孔片段构成，由不同的固体管壁中的多孔面板构成，或前述的任何结合构成。在其它实施方式中，该多孔面板可由烧结的金属熔块(frit)、陶瓷熔块，或分离内流和外流通道的壁中的小孔制成。
在一个实施方式中，通过限流介质310并沿着燃烧器300的小的流速变化由这样的限流介质提供，该限流介质具有近似恒定的渗透性，通过该限流介质的压降大于沿着外流通道305的压降。可选地，通过限流介质310并沿着燃烧器300的小的流速变化由这样的限流介质310提供，该限流介质具有随着沿燃烧器的距离增大的渗透性，使通过限流介质的压降与当它沿着外流通道305变化时的压力匹配。在又一个实施方式中，小的流速通过沿限流介质长度方向具有不同面积的均匀渗透性材料提供，从而使得内流和外流通道之间的压降匹配。
在一个实施方式中，限流介质310的渗透性催化材料部分的直径为200mm，壁厚为几毫米(例如，10mm)。壳体308在一个实施方式中是直径近似为300mm的不锈钢管。渗透性催化材料可以是，例如但不限制地，烧结不锈钢或特种合金钢。可选地，催化材料包括在烧结氧化铝上的贵金属如钯或铂。渗透性催化材料的渗透常数可以是，例如但不限制地，0.1～10mDarcy(毫达西)。这些值仅是说明性的，选择用于分布预混合气体反应的实际值以便壳体维持近似恒定的温度。
在一个实施方式中，预混合流体包括气态化学计量的燃料/氧化剂混合物，其含有2wt％CH4和8wt％O2，绝热温升为约900℃。
在另一个实施方式中，预混合流体是贫燃料，其中CH4流速为0.02kg/s，O2流速为0.08kg/s。加入1.0kg/s惰性气体，进一步稀释这个混合物，惰性气体可以是，例如但不限制地，CO2、H2O或N2。预混合气体在低温(接近室温)和高压(近30atm)下提供。烟道气出口压力为15～20atm，并且套管维持在约410℃从而将管外部的沸油池维持在近400℃。
当预混合流体流过内流通道303时，预混合流体和烟道气的逆流布置通过在外流通道305中返回的热烟道气对预混合流体进行加热，并到达到不随燃烧器长度显著变化的温度。在一个实施方式中，预混合流体在进入加热器的短距离处被加热到近400℃的温度。
当预混合流体从加热器流下时，流体透入催化材料并经历燃料和氧化剂的催化活化放热反应。该反应所释放的热量将催化材料升高到沿燃烧器长度方向近似恒定的温度。在一个实施方式中，催化材料达到约450℃的温度。
另一个实施方式涉及使一部分离开的烟道气再循环到进口或进料侧。在这个实施方式中，1.0kg/s的烟道气通过再循环喷射式压缩机再循环。该喷射器的动力气体(motive gas)可以是氧化剂或燃料供应，如氧气进料或CH4进料。在气体再循环实施方式中，催化材料的渗透性应当较高从而降低总压降。因而，例如但不局限地，渗透性可以在进口处的1.0mDarcy和朝向燃烧器闭合端的100mDarcy之间变化。
在一个实施方式中，内管具有导电性并可以沿长度方向进行电加热，从而提供用于初步升高加热器温度使其高到足以使催化表面活化的外部热源。
在一个实施方式中，在内管入口附近的导燃烧嘴(pilot burner)提供了用于初步升高加热器温度使其高到足以使催化表面活化的热源。
催化床加热器的燃烧器
图4示出另一个加热器实施方式，其为催化床加热器400。图4的加热器实施方式在适当时可包括上述元件中的一个或多个。图4的加热器400提供了许多不连续反应区450。如下所述，图4的加热器400具有近化学计量比燃料和氧化剂混合物。氧化剂可以是纯氧化剂如纯氧，或可以包括无反应性稀释剂。在每个反应区中，一部分燃料与氧化剂混合和反应，产生更稀释的氧化剂混合物。在最后的反应区，最后的燃料与最后的氧化剂反应，形成烟道气。
在一个实施方式中，许多反应区的每个都由表示为但不限于“蜂窝式催化剂(Honeycomb Catalyst)”的催化床455担载。蜂窝式催化剂为具有许多平行流道(flow channel)的结构，该流道对齐从而允许气体流过该结构。该流道可以是六边形或具有允许该结构有规律堆积的其它横截面积。蜂窝由催化材料形成或涂覆有催化材料。此类催化剂用作例如汽车催化转化器。可选地，催化床455可以由催化团粒、球粒或挤出物构成。
反应区450位于氧化剂在其中流动的区域内。燃料通过终端有喷嘴或注入器454的单独燃料管路452提供给每个反应区，该喷嘴或注入器454促使燃料和氧化剂在进入相关催化剂床455之前混合。燃料与氧气在催化剂内反应，形成烟道气和残留氧气的混合物。另外的燃料在下一个蜂窝催化剂之前提供，并且该过程继续进行直至最后的蜂窝催化剂，最后的燃料和氧化剂在最后的蜂窝催化剂中发生反应。
如图4所示，内流通道403是为氧化剂流动提供的，如轴向箭头420所示。一个或多个燃料管路452沿着燃烧器400在外流通道405或内流通道403内向下延伸。燃料管路452向加热器提供燃料，并且终端有一个或多个燃料注入器454，其将燃料注入内流通道403的氧化剂中。在一个实施方式中，存在具有许多燃料注入器的一个燃料管路，而在另一个实施方式中，存在一束燃料管路，每个燃料管路终端都有燃料注入器。多个燃料管路452可以对称或不对称地安置在内流通道403周围。
图4实施方式的流动屏障(flow barrier)410没有渗透性，如图3中的一样，并且没有一直延伸到加热器闭合端404。另外，许多蜂窝式催化剂455允许燃料和氧化剂流向加热器闭合端404。就在每个蜂窝式催化剂之前混合燃料和氧化剂，燃料和氧化剂之间的反应发生在每个蜂窝式催化剂内。烟道气通过外流通道405从加热器闭合端404流向气体进口/出口部分406。
在一个实施方式中，在燃料注入点附近使用耐火材料从而保护加热器不受过热和腐蚀的损害。因而，在一个实施方式中，燃料注入器是陶瓷的。在另一个实施方式中，给燃料和氧化剂发生反应或可能发生反应的金属表面提供陶瓷衬层，如在每个燃料注入器附近。
在多个实施方式中，空气、富氧空气或纯氧气通过内流通道403提供。天然气或其它燃料通过多个燃料注入器454(每个蜂窝式催化剂一个)提供，其中燃料被计量、注入，并与内流通道403内的气体混合。因而，例如但不限制地，每个燃料注入喷嘴454下游之后是氧化催化剂床455，在其中注入的燃料气体被氧化剂管路中存在的O2完全氧化。当氧化剂流过加热器时氧化剂浓度减小。在一个实施方式中，提供充足的氧化剂从而在最后的蜂窝式催化剂处消耗所有的燃料。
这个实施方式的催化床可以是标准的“蜂窝”设计，如汽车应用中使用的那些。此类蜂窝式催化剂以约1～2m/s的气体速度操作(以使从大宗气体(bulk Gas)到流动屏障410的质量转移有可能在合理的沟道长度中实现)。纯氧气的使用因而对将加热器尺寸最小化有利。为了使混合容易，优选紧接在每个催化剂床455之后安置燃料注入喷嘴454，以便接着的管段提供热转移和将燃料混合入大宗气体中。高效混合是期望的，因为低气体速度可能引起混合效率问题，潜在地导致催化剂中产生所谓的热点。
在一个实施方式中，催化床包括由多孔陶瓷催化材料担载的活性金属。在另一个实施方式中，催化床455是多孔金属熔块的内表面。在又一个实施方式中，催化床455是由多孔金属熔块或筛网担载的活性金属。在另一个实施方式中，催化床455由担载活性金属的多孔珠、团粒或挤出物构成。
图5示出由图4中加热器实施方式的具体实施方式性能的数值模拟所得到的温度分布。图5的结果示出20个反应区中的前10个，在这些反应区的温度图谱在每个区中几乎相同地重复。在这个实施方式中，将0.8kg/s的纯氧气提供给内流通道403，CH4用的20个燃料注入器在加热器长度上相隔30m分布。每个燃料注入器454均装有0.01kg/s CH4。总加热器的额定功率因而定为10MW，并且其长度为600m，内流通道403的直径为300mm，壳体直径为350mm。
内管温度图谱特点为，每个蜂窝式催化剂床455之后的峰值为约800℃，接着在到达下一个蜂窝式催化剂床455之前该温度由于传热而降低到约530℃的温度。这种模拟仅包括对流换热而忽略了辐射传热，因而预期该模拟将过高地预测实际加热器温度。烟道气温度是470℃的几乎恒定温度。
作为控制加热器温度的系统的一个实例，图4示出具有任选的温度传感器(TS)460以测量沿着加热器的套管温度的实施方式。如所示，每个催化剂床455均具有相关的温度传感器460。图2示意性示出的控制系统适当时可以包括在这个或其它实施方式中。每个传感器均具有通往控制器200的通信装置，如电或光纤通信信道，如图2中所示。通过改变各个燃料流速从而升高或降低所测得的温度，可以控制沿着加热器400的温度均匀性。
在可选实施方式中，用高温燃烧器代替图4中蜂窝式催化剂床455中的一个或多个，形成组合的催化剂床/基于燃烧器的加热器，或极端地，形成完全基于燃烧器的加热器。每个燃烧器均在径向朝内流通道403点火，而没有对周围钢壁产生火焰冲击。在一个实施方式中，陶瓷衬层提供在内流通道403内从而保护那个表面。
在另一个可选实施方式中，低-BTU燃料气体(其包含惰性组分)用作燃料。对于此种燃料，逆转图4中加热器实施方式的操作可能是有利的，这通过引导燃料沿着中心向下和通过给反应区进料的各个管单独地对氧化剂进料来实现。这种构造可能具有这样的益处，即它可更精确地控制每段中产生的热量。
催化壁加热器
图6示出另一个加热器实施方式，其为催化壁加热器600。图6的加热器实施方式在适当时可包括上述元件中的一个或多个。如图4中的实施方式一样，流动屏障610没有延伸到加热器闭合端604。氧化剂通过内流通道603提供，其中它流向加热器闭合端604，然后通过外流通道605流向气体进口/出口部分606。一个或多个燃料管路652包括多个燃料注入器654，其将燃料引导到外流通道605中。燃烧器壳体或套管608的内表面包括催化剂615。该燃料和氧化剂因而沿加热器600的长度方向混合并在燃烧器壳体表面上反应。如图所示，多个注入点654可以设置在内管610的圆周周围。
在可选实施方式中，掺入(spiked)空气或氧气的再循环烟道气通过内流通道603提供，内流通道603用作通往加热器闭合端604的空气输送管。与流入相反，氧化剂然后在外流通道605中反向流动。加热器壳体608包括覆盖加热器壳体608内表面的催化剂，形成催化壁615。燃料注入器654是燃料管路652的歧管的一部分，并沿加热器的长度方向将燃料输送到氧化剂中。燃料注入器654的尺寸和空间是这样的，以便所有注入的燃料都通过扩散和湍流混合在下游管段、在下一个燃料喷嘴之前转移到催化壁615。催化增强的放热反应发生在催化剂处，其中混合物在加热器闭合端附近是富氧的，而在另一端为近化学计量比。壁因而沿加热器长度方向维持在约500℃的温度下。
在可选实施方式中，催化壁615从外侧管移向内侧管从而使较低温度下的传热能够通过外侧壁。在一个可选实施方式中，催化壁在内管610的外侧。在第二个可选实施方式中，流动是反向的，并且催化壁615在内管610的内侧。在这个实施方式中，燃料注入器654可以安放在内壁内。
在一个实施方式中，催化壁615是一系列陶瓷管，该陶瓷管可以是，例如但不限制地，活性氧化铝或涂覆有活性金属的氧化铝。通过在氧化铝管和钢管之间的小间隙中合适位置处安装压缩柔性垫，可以使该间隙不透气。壁催化剂的可选设计是金属“垫式(mat-type)”催化材料，其可直接固定到钢表面上。
这个加热器实施方式自身适合使烟道气在加热器内再循环：内进料管和外环的低压降使得标准喷射器可能在烟道气侧的出口处，以便一部分烟道气吸入到该进料中从而到内管中。该喷射器的动力气体是从地表设施加入的高压O2。这个实施方式有这样的优点，即，提供了仅由CO2和H2O组成的较小体积的烟道气。
这个加热器实施方式也在较热烟道气侧和进入的空气(或掺入O2的再循环气体)之间运用了另外的逆流式热交换。加热器也可以设计成这样的，以便进入的气体流沿着外侧环下降，并且离开的烟道气沿着内侧环下降。
作为控制加热器温度的系统的另一个实例，图6示出具有温度传感器(TS)660从而沿着加热器测量套管温度的实施方式。图2示意性示出的温度传感器660和控制系统适当时可以包括在这个或其它实施方式中。每个传感器均具有通往控制器200的通信装置，如电或光纤通信信道，如图2中所示。通过改变各个燃料流速从而升高或降低所测得的温度，可以控制沿着加热器600的温度均匀性。
本说明书所提到的“一个实施方式”、“实施方式”或“某个实施方式”是指结合该实施方式描述的特定特征、结构或特性包括在至少一个实施方式中。因而，本说明书各个地方出现的短语“在一个实施方式中”、“在实施方式中”或“在某个实施方式中”不必都指同一实施方式。此外，如本领域技术人员根据本公开将明了的，在一个或多个实施方式中，特定特征、结构或特性可以任何合适的方式结合。
因此，本申请技术在某种程度上特别地针对示例实施方式进行描述。但是，应当注意，本申请技术由根据现有技术解读的下面权利要求限定，使得在不偏离本文包含的创造性概念的情况下可以对示例实施方式做出修改或改变。
Claims (34)
1.一种对燃料供应和氧化剂供应可操作的加热器，所述加热器包含：
细长壳体，其具有闭合端并包括：
第一壳体区域，其适于从所述燃料供应和所述氧化剂供应接受流体；和
第二壳体区域，其为所述燃料和所述氧化剂反应形成的烟道气提供流出通路；和
细长限流介质，其包括介于所述第一壳体和第二壳体区域之间的催化材料；
其中从所述燃料供应和所述氧化剂供应接受的流体流入所述第一壳体区域，沿其长度方向渗透入所述限流介质中，并与所述催化材料发生放热反应，和
其中所述限流介质为同心地设置在所述壳体内并且延伸到所述闭合端的管形式，以跨越所述第一壳体区域和所述第二壳体区域之间的所述限流介质产生压降。
2.根据权利要求1所述的加热器，其中所述壳体具有管状构造。
3.根据权利要求1所述的加热器，其中所述限流介质具有限定所述第一壳体区域的内部。
4.根据权利要求1所述的加热器，其中所述限流介质具有限定所述第二壳体区域的内部。
5.根据权利要求1所述的加热器，其中所述流体以受控的和均匀的方式横向流过所述限流介质。
6.根据权利要求1所述的加热器，其中所述加热器可浸入油池中，并且其中供应的燃料和氧化剂的流速是这样的，以便所述放热反应足以加热内表面，以将所述油池维持在275℃和450℃之间的温度。
7.根据权利要求6所述的加热器，其中所述放热反应足以加热所述内表面，以将所述油池维持在近似350℃的温度。
8.根据权利要求6所述的加热器，其中所述壳体温度在加热器10米长度上的变化小于10℃。
9.根据权利要求6所述的加热器，其中所述壳体温度在加热器10米长度上的变化小于20℃。
10.根据权利要求6所述的加热器，其中所述壳体温度在所述加热器长度上的变化小于40℃。
11.根据权利要求6所述的加热器，其中所述壳体温度在所述加热器长度上的变化小于100℃。
12.一种对燃料供应和氧化剂供应可操作的加热器，所述加热器包含：
细长壳体，其具有闭合端并包括：
第一壳体区域，其沿所述壳体的长度延伸并适于从所述燃料供应和所述氧化剂供应之一接受流体；和
第二壳体区域，其为所述燃料和所述氧化剂反应形成的烟道气提供流出通路；
流动屏障，其设置在所述第一壳体区域和第二壳体区域之间，以便所述第一壳体区域和所述第二壳体区域在所述闭合端处于流体连通状态；和
多个催化剂床，其沿所述第一壳体区域的长度设置，每个所述催化剂床均具有相应的反应区；和
至少一个导管，其用于从所述燃料供应和所述氧化剂供应之另一个接受流体并将它提供给每个所述反应区；
其中从所述燃料供应和所述氧化剂供应接受的流体在每个所述反应区中混合并发生放热反应。
13.根据权利要求12所述的加热器，其中所述壳体具有管状构造，并且所述流动屏障为同心地设置在所述壳体内的管形式。
14.根据权利要求13所述的加热器，其中所述流动屏障具有限定所述第一壳体区域的内部。
15.根据权利要求13所述的加热器，其中所述流动屏障具有限定所述第二壳体区域的内部。
16.根据权利要求12所述的加热器，其中所述加热器可浸入油池中，并且其中供应的燃料和氧化剂的流速是这样的，以便所述放热反应足以加热内表面，以将所述油池维持在275℃和450℃之间的温度。
17.根据权利要求16所述的加热器，其中所述放热反应足以加热所述内表面，以将所述油池维持在近似350℃的温度。
18.根据权利要求16所述的加热器，其中所述壳体温度在加热器10米长度上的变化小于10℃。
19.根据权利要求12所述的加热器，其中每个所述催化床均包含蜂窝式材料。
20.根据权利要求12所述的加热器，其中每个所述催化床均包含由多孔金属熔块担载的活性金属。
21.根据权利要求12所述的加热器，其中每个所述催化床均包含由多孔陶瓷催化材料担载的活性金属。
22.根据权利要求21所述的加热器，其中所述催化材料为选自团粒、球粒和挤出物的形式。
23.根据权利要求12所述的加热器，其中每个所述反应区均具有连接到所述至少一个导管的相关注入喷嘴。
24.根据权利要求23所述的加热器，其中每个注入喷嘴中的一个或多个包括促使所接受流体混合和反应的燃烧器喷嘴。
25.根据权利要求23所述的加热器，其中每个所述注入喷嘴具有这样的喷嘴尺寸，其被选择以抵消沿所述第一壳体区域的长度的压降以便向每个所述反应区提供相等的流速。
26.根据权利要求23所述的加热器，其中在地表控制通过所述至少一个导管的流动，从而能够主动控制所述注入喷嘴的注入流速。
27.根据权利要求23所述的加热器，其中至少一些烟道气从所述第二壳体区域再循环到所述第一壳体区域中。
28.根据权利要求27所述的加热器，其中所述烟道气通过喷射式再循环压缩机再循环。
29.一种提供用于热解烃地层的热量的方法，所述方法包括：
将细长壳体插入所述烃地层中；
将氧化剂和燃料注入所述壳体中；
使所述氧化剂和所述燃料的至少一个流过包括催化材料的限流介质；
使所述燃料和所述氧化剂与所述催化材料发生放热反应；和
控制氧化剂和燃料的注入，以将所述壳体周围的油池维持在275℃和450℃之间的温度。
30.根据权利要求29所述的方法，其包括使所述氧化剂和所述燃料流过所述限流介质。
31.根据权利要求29所述的方法，其包括排空来自所述壳体中的所述燃料和所述氧化剂反应产生的烟道气。
32.根据权利要求31所述的方法，其包括将所述氧化剂和所述燃料的至少一个与所述烟道气一起加热。
33.根据权利要求29所述的方法，其包括使所述氧化剂和所述燃料之一流过多个催化剂床。
34.根据权利要求33所述的方法，其包括在每个所述催化剂床的附近注入所述氧化剂和所述燃料之另一个。
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