CN105745396A

CN105745396A - 蒸汽注入式矿物绝缘加热器设计

Info

Publication number: CN105745396A
Application number: CN201480063474.9A
Authority: CN
Inventors: W·莫; F·O·阿尔帕克
Original assignee: Shell Internationale Research Maatschappij BV
Current assignee: Shell Internationale Research Maatschappij BV
Priority date: 2013-11-20
Filing date: 2014-11-18
Publication date: 2016-07-06
Also published as: RU2016124230A; WO2015077213A2; US20150136399A1; US9399907B2; CA2929610A1; CA2929610C; AU2014353213B2; WO2015077213A3; AU2014353213A1

Abstract

这里描述了用于处理地下烃地层的方法和系统。用于处理地下烃地层的方法包括：向设置在位于地下烃地层内开孔中的第一管件内的一个或多个加热元件施加电流；提供流体通过设置在地下烃地层内第一管件内的第二管件，从而部分流体在第一管件与第二管件之间沿管件长度流动；使所述流体流入地下烃地层内的烃层；和使热从加热元件和/或流体传递给地下烃地层内的部分烃层。

Description

蒸汽注入式矿物绝缘加热器设计

相关专利

本申请要求2013年11月20日提交的美国临时申请No.61/906725的权益，该申请在这里作为参考引入。

背景

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产出烃和/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产出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以前应用可用方法难以接近和/或提取太昂贵的烃物质。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和/或提高烃物质的价值。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。

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。与从常规油储层中产出较轻烃相比，采矿和提质焦油砂通常明显更贵一些。

从焦油砂中原位产出烃可采用加热和/或将流体注入地层来实现。Todd的美国专利US4,084,637、Glandt等的US4,926,941、Glandt的US5,046,559和Glandt的US5,060,726均描述了由地下地层产出粘性物质的方法，所述方法包括使电流通过地下地层，所有这些专利均在这里作为参考引入。可以由注入井向地层中注入蒸汽以产出烃。

可以使油页岩地层原位加热和/或干馏以增加地层的渗透性和/或将油母岩质转化为API比重度大于10°的烃。在油页岩地层的常规处理中，通常将含油母岩质的部分油页岩地层加热到大于370℃的温度以形成低分子量烃、碳的氧化物和/或分子氢。由油页岩地层产出沥青的一些方法包括加热油页岩至温度高于油页岩的天然温度直到油页岩的一些有机组分转化为沥青和/或可流动物质。

Prats的美国专利US3,515,213描述了在相对较长时间段内使在中等温度受热的流体从地层内的一个点循环至另一个点，直到油页岩地层内包含的大部分有机组分均转化为油页岩衍生的可流动物质，该专利在这里作为参考引入。

Miller的美国专利US7,562,707和Karanikas的美国专利US7,635,024描述了用于处理含烃地层的方法和加热器，其中包括由多个加热器提供热量以使烃地层中的烃移动，这两个专利在这里作为参考引入。

Vinegar等的美国专利US7,798,220、Stegemeier的US7,717,171、Vinegar等的US7,841,401、Stegemeier等的US7,739,947、Mundunuri等的US7,681,647、Hsu的US7,677,314、Vinegar等的US7,677,310和Vinegar等的US7,673,681描述了处理烃地层的方法，其包括结合驱动和/或氧化流体，应用加热器加热烃层。这些专利在这里作为参考引入。

Vinegar等的美国专利US7,073,578(其在这里作为参考引入)描述了在衬里和加热器之间的开孔内放置管道。所述衬里包括允许通过所述衬里的开孔。可以为管道提供蒸汽以防止在衬里的长度方向上发生结焦，从而衬里中的开孔不会堵塞且可以维持流体通过所述开孔。

Reynolds等的美国专利公开US2009/0260812(其在这里作为参考引入)描述了通过一个或多个井孔向至少一部分含烃地层提供水和在氧源的存在下在一个井孔内放置的一个或多个加热器中使含硫化氢的至少一部分燃料物流燃烧以产生燃烧副产品物流。燃烧热量被传递给部分含烃地层。燃烧副产品物流包含一种或多种硫的氧化物。通过使至少一部分燃烧副产品物流与一部分水和/或含烃地层中的一部分水接触释放出溶解热。

如上所述，已经做了大量努力来从含烃地层产出烃和/或沥青。但目前仍有许多不能经济开采的含烃地层。因此，对于加热包含例如沥青的含烃地层和由所述含烃地层产出具有所需性质的沥青和/或液态烃的改进方法存在需求。

发明内容

这里描述了处理地下烃地层的方法和系统。在一些实施方案中，一种处理地下烃地层的方法包括：向设置在位于地下烃地层内开孔中的第一管件内的一个或多个加热元件施加电流，其中所述第一管件设置在第二管件内部；提供流体通过设置在地下烃地层内的第二管件，从而部分流体在第一管件与第二管件之间沿管件长度流动；使所述流体流入地下烃地层内的烃层；和使热从加热元件和/或流体传递给地下烃地层内的部分烃层。

在一些实施方案中，一种处理地下烃地层的方法包括：向设置在地下烃地层内开孔中的一个或多个加热器施加电流，其中所述开孔是无套管的；通过设置在地下烃地层内开孔中的管件向地下烃地层提供加热流体，其中所述管件围绕一个或多个加热器；和使热从一个或多个加热器和至少一部分加热流体传递给地下烃地层内的部分烃层，从而与由多个加热器井孔内的加热器和/或通过注入井孔注入的加热流体传热来加热地下烃地层相比地下烃地层的加热速率提高。

在一些实施方案中，一种处理地下烃地层的加热系统包括：位于地下烃地层内开孔中的第一管件，其中所述开孔是无套管的；一个或多个电加热元件，其中至少一部分所述加热元件设置在第一管件内；和第二管件，其中至少一部分第一管件设置在第二管件内，和其中构造所述第二管件以在应用过程中向地下烃地层提供加热流体。

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、电源供应或加热器，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2描述了烃层内井孔中流体注入加热器的一个实施方案的端部的透视图。

图3描述了加热器的一个实施方案的端部的透视图。

图4描述了烃层内一个开孔中的流体注入加热器的一个实施方案的透视图。

图5描述了带有端部元件的流体注入加热器的一个实施方案。

图6为加热烃地层时在加热器中点处沿径向(英寸)的温度(华氏度)分布图线。

图7描述了图6所示图线的扩展部分。

图8描述了应用流体注入加热器方法处理烃的一个实施方案的侧视图。

图9描述了与加热器加热方法组合的常规蒸汽注入的侧视图。

图10描述了应用电加热器的常规原位热处理方法的侧视图。

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。可处理这种地层获得烃产品、氢气和其它产品。

“API比重度”是指在15.5℃(60℉)的API比重度。API比重度是用ASTM方法D6822或ASTM方法D1298确定的。

“ASTM”指美国标准测试和材料(AmericanStandardTestingandMaterials)。

在与降低热量输出的加热系统、设备和方法有关的上下文中，术语“自动”指这种系统、设备和方法以不用外部控制(例如外部控制器如带有温度传感器和反馈回路的控制器、PID控制器或预测控制器)的某种方式起作用。

“柏油/沥青”指在二硫化碳中可溶的半固体粘稠物质。柏油/沥青可以由炼制操作获得或者由地下地层产出。

“碳数”指分子中碳原子的个数。烃流体可能包括具有不同碳数的各种烃。烃流体可以用碳数分布描述。碳数和/或碳数分布可以用真实沸点分布和/或气-液色谱确定。

“可冷凝烃”为在25℃和一个大气压绝压下冷凝的烃。可冷凝烃可以包括碳数大于4的烃的混合物。“不可冷凝烃”为在25℃和一个大气压绝压下不冷凝的烃。不可冷凝烃可以包括碳数少于5的烃。

“取芯”是一种方法，通常包括向地层中钻孔并由孔中移除地层的基本为固体的物质。

“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。

“流体”可以是但不限于气体、液体、乳液、浆液和/或具有类似于流体流动的流动特性的固体颗粒物流。

“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。

“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。“烃层”指地层中含烃的层。所述烃层可以包含非烃物质和烃物质。“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。在原位复合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复合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复合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。“所产出的流体”是指从地层中移出的流体。

“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。例如热源可包括导电材料和/或电加热器，例如绝缘导体、伸长构件和/或在导管内布置的导体。热源也可包括导电材料和/或提供热量到与加热位置例如加热器井相邻的区域和/或在其周围的区域的加热器。

“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。

“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。

包含重质烃的某些类型的地层也可以包含但不限于天然矿物蜡或天然沥青矿。“天然矿物蜡”通常存在于可能有几米宽、几公里长和几百米深的基本管状的岩脉中。“天然沥青矿”包含芳烃组成的固态烃和通常存在于大型岩脉中。从地层原位采收烃如天然矿物蜡和天然沥青矿可以包括熔融以形成液态烃和/或由地层对烃溶液采矿。

“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。

“原位转化方法”指由热源加热含烃地层以将至少一部分地层的温度升高到热解温度之上从而在地层中产生热解流体的方法。

“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使含烃物质流动、减粘和/或热解的温度之上从而在地层中产生流动流体、减粘流体或热解流体的方法。

“原位复合处理方法”指向地层中注入热流体同时加热或者用原位热处理方法同时加热含烃地层以将至少一部分地层的温度升高到使含烃物质流动、减粘和/或热解温度之上从而在地层中产生流动流体、减粘流体或者热解流体的方法。热流体的一个例子是水。

“绝缘导体”指能够导电和全部或部分被电绝缘材料包覆的任意细长材料。

“喀斯特”为通常为碳酸盐岩如石灰石或白云石的基岩层的可溶层溶解所形成的地下特征。溶解可能是由于大气水或酸性水导致的。加拿大Alberta的Grosmont地层是喀斯特碳酸盐地层的一个例子。

“油母质”是由天然降解转化的和主要包含碳、氢、氮、氧和硫的固态不溶性烃。煤和油页岩是含油母质的材料的典型例子。“沥青”是基本上可溶于二硫化碳的非结晶固体或粘性烃物质。“油”是含可冷凝烃混合物的流体。

"穿孔"包括导管、管件、管道或其它流路的壁上允许流入或流出所述导管、管件、管道或其它流路的开口、裂缝、缝隙或孔。

“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)。

含烃地层中的“富层”为相对薄的层(通常约0.2-0.5m厚)。富层通常具有约0.150L/kg或更大的富集度。有一些富层的富集度为约0.170L/kg或更大、约0.190L/kg或更大或约0.210L/kg或更大。地层的贫层具有约0.100L/kg或更少的富集度，并且其通常比富层厚。各层的富集度和位置例如通过取芯和随后对所述芯进行Fischer分析、密度或中子测井或其它测井方法进行确定。富层可能比地层的其它层具有更低的初始导热系数。通常，富层导热系数为贫层导热系数的1/3-1/1.5。另外，富层比地层的贫层具有更高的热膨胀系数。

“下沉”是相对于地表的初始高度部分地层向下运动。

“热叠加”指由两个或更多个热源向地层的选定区域提供热量，从而在热源间的至少一个位置处的地层温度受所述热源影响。

“合成气”是包括氢和一氧化碳的混合物。合成气的附加组分可以包括水、二氧化碳、氮气、甲烷和其它气体。可以由多种方法和原料产生合成气。可以应用合成气合成多种化合物。

“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PeaceRiver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。

“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。

“热压裂”指通过地层和/或地层中流体的膨胀或收缩导致在地层中产生的压裂，它们相应地由于加热由地层和/或地层中流体温度的升高/降低和/或地层中流体压力的升高/降低导致。

层“厚度”是指层横截面的厚度，其中横截面与层面垂直。

“随时间变化的电流”指在铁磁导体中产生趋肤效应电流并且幅值随时间变化的电流。随时间变化的电流包括交流(AC)和调制直流(DC)电流两者。

“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。

“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。

“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。

“粘度”指40℃下的运动粘度，另有说明除外。粘度按ASTM方法D445确定。

“孔洞”是岩石中的洞、空隙或大孔，通常内衬有矿物沉淀物。

“蜡”指在较低温度下为固体和在较高温度下为液体并且当为固体形式时可以对水形成屏蔽的低熔点有机混合物或高分子量化合物。蜡的例子包括动物蜡、植物蜡、矿物蜡、石油蜡和合成蜡。

术语“井孔”指通过向地层中钻探或插入管道而产生的地层中的孔。井孔可以具有基本环状的横截面或其它横截面形状。正如这里所应用，当指地层中的开孔时，术语“井”和“开孔”可以与术语“井孔”互换使用。

可以以各种方式处理地层以产生许多不同的产品。在原位热处理方法中可以应用不同的阶段或过程处理地层。在一些实施方案中，对地层的一个或多个区溶液采矿以从各区中移除可溶性矿物质。可以在原位热处理方法之前、过程中和/或之后实施溶液采矿。在一些实施方案中，进行溶液采矿的一个或多个区的平均温度可以保持为低于约120℃。

在一些实施方案中，将地层的一个或多个区加热以从各区移除水和/或从各区移除甲烷和其它挥发性烃。在一些实施方案中，在移除水和挥发性烃的过程中可以将平均温度从环境温度提升至低于约220℃的温度。

在一些实施方案中，将地层的一个或多个区加热至使地层内烃移动和/或减粘的温度。在一些实施方案中，将地层的一个或多个区的平均温度提升至各区内烃的移动温度(例如至100-250℃、120-240℃或150-230℃的温度)。

在一些实施方案中，将一个或多个区加热至允许地层中发生热解反应的温度。在一些实施方案中，可以将地层的一个或多个区的平均温度提升至各区中烃的热解温度(例如230-900℃、240-400℃或约250-350℃的温度)。

用多个热源加热含烃地层可以围绕热源建立热梯度，以在所需加热速率下将地层中烃的温度提升至所需温度。通过用于所希望的产品的移动温度范围和/或热解温度范围的温度升高速率可能影响从含烃地层中产出的地层流体的质量和数量。将地层的温度缓慢升高通过移动温度范围和/或热解温度范围可以使得从地层中产出高质量、高API比重度的烃。将地层的温度缓慢升高通过移动温度范围和/或热解温度范围可以使得作为烃产品移出在地层中存在的大量的烃。

在一些原位热处理的实施方案中，替代缓慢升温经过一个温度范围，将部分地层加热至所需温度。在一些实施方案中，所需温度为300℃、325℃或350℃。可以选择其它温度作为所需温度。

来自热源的热叠加允许在地层中相对迅速和有效地建立起所需温度。可以调节从热源至地层的能量输入以保持地层中的温度基本处于所需的温度。

移动和/或热解产品可以通过生产井从地层产出。在一些实施方案中，将一个或多个区的平均温度提升至移动温度并由生产井产出烃。产出后由于移动降低至低于选定值，可以将一个或多个区的平均温度提升至热解温度。在一些实施方案中，可以将一个或多个区的平均温度提升至热解温度，而在到达热解温度前没有明显的产出。可以通过生产井产出包含热解产品的地层流体。

在一些实施方案中，可以将一个或多个区的平均温度提升至足以允许在移动和/或热解后产生合成气的温度。在一些实施方案中，可以将烃升温至足以允许产生合成气的温度，而在达到足以允许产生合成气的温度之前不会明显产生合成气。例如可以在约400-1200℃、约500-1100℃或约550-1000℃的温度下产生合成气。可以将合成气产生流体(如蒸汽和/或水)引入各区以产生合成气。合成气可以从生产井中产出。

在原位热处理方法的过程中可以实施溶液采矿、移除挥发性烃和水、使烃移动、热解烃、产生合成气和/或其它过程。在一些实施方案中，在原位热处理方法之后可以实施一些过程。这些过程可以包括但不限于由处理区回收热量、在以前处理的区内贮存流体(如水和/或烃)和/或在以前处理的区内隔离二氧化碳。

图1描述了用于处理含烃地层的原位热处理系统的一部分的一个实施方案的示意图。原位热处理系统可能包括屏蔽井200。应用屏蔽井绕处理区形成屏蔽。所述屏蔽防止流体流入和/或流出处理区。屏蔽井包括但不限于脱水井、真空井、捕集井、注入井、灌浆井、冷冻井或它们的组合。在一些实施方案中，屏蔽井200为脱水井。脱水井可以移除液态水和/或防止液态水进入待加热的地层部分或者正在加热的地层部分。在图1所示的实施方案中，所示的屏蔽井200只沿热源202的一侧延伸，但屏蔽井通常围绕所应用或将要应用的所有热源202，以加热地层的处理区。

将热源202放入至少一部分地层内。热源202可以包括加热器如绝缘导体和/或管道内导体加热器。热源202为至少一部分地层提供热量以加热地层中的烃。可以通过供应管线204为热源202提供能量。取决于热源的类型或用于加热地层的热源，供应管线204可能在结构上不同。用于热源的供应管线204可以为电加热器输送电。在一些实施方案中，可以通过核电站提供用于原位热处理方法的电。应用核电可能允许减少或消除原位热处理方法的二氧化碳排放。

当加热地层时，输入地层的热可能会导致地层膨胀和地质力学移动。在脱水过程之前、同时或过程中可以打开热源。计算机模拟可以模拟地层对加热的响应。可以应用计算机模拟开发激活地层中热源的模式和时间顺序从而地层的地质力学移动对地层中的热源、生产井和其它设备没有负面影响。

加热地层可能会导致地层的渗透性和/或孔隙率增加。渗透性和/或孔隙率的增加可能是由于水的蒸发和移除、烃的移除和/或产生裂缝而导致地层质量降低。由于地层渗透性和/或孔隙率的增加，流体可能会更容易地在地层的受热部分内流动。由于地层渗透性和/或孔隙率的增加，在地层受热部分内的流体可能会通过地层移动相当远的距离。这种相当远的距离可以超过1000m，这取决于多种因素如地层的渗透性、流体的特性、地层的温度和使流体移动的压力梯度。流体在地层中移动相当远的距离的能力允许生产井206在地层中间隔相对较远。

应用生产井206从地层移除地层流体。在一些实施方案中，生产井206包含热源。生产井中的热源可以在生产井处或其附近加热地层的一个或多个部分。在一些原位热处理方法的实施方案中，以每米生产井计由生产井提供给地层的热量少于以每米热源计由热源施加给地层的加热地层的热量。由生产井施加给地层的热可以通过蒸发和移除与生产井相邻的液相流体而增加与生产井相邻的地层的渗透性，和/或通过形成大和/或小的裂缝而增加与生产井相邻的地层的渗透性。

可以将多个热源设置在生产井中。当相邻热源的热叠加充分加热地层以抵消用生产井加热地层所提供的好处时，可以将在生产井下部的热源关掉。在一些实施方案中，生产井下部的热源停用后，生产井上部的热源可以保留。井上部的热源可以防止地层流体冷凝和回流。

在一些实施方案中，生产井206中的热源允许从地层中以气相移除地层流体。在生产井处或贯穿生产井提供加热可以：(1)当产出流体在接近上覆地层的生产井中移动时防止产出流体冷凝和/或回流，(2)增加输入地层的热量，(3)相比于没有热源的生产井，增加生产井的生产速率，(4)防止生产井内高碳数化合物(C₆和更重烃)冷凝，和/或(5)增加生产井或其附近的地层渗透性。

地层中的地下压力可以对应于在地层中产生的流体压力。随着地层的受热部分的温度增加，由于原位流体的热膨胀、产生的流体增加和水蒸发，受热部分的压力可能会增加。控制从地层移除流体的速率可能允许控制地层内的压力。地层中的压力可以在多个不同的位置确定，如在生产井处或其附近、在热源处或其附近或者在监测井处。

在一些含烃地层中，由地层产出烃受到抑制直到地层中的至少一些烃已经移动和/或热解。当地层流体具有选定品质时，可以从地层中产出地层流体。在一些实施方案中，所述选定品质包括至少约20°、30°或40°的API比重度。抑制产出直到至少一些烃移动和/或热解可以增加重质烃至轻质烃的转化率。抑制初始产出可以最小化从地层产出重质烃。产出大量重质烃可能需要昂贵的设备和/或缩短生产设备的寿命。

在一些含烃地层中，在地层的受热部分中产生明显的渗透性之前，可以将地层中的烃加热至移动和/或热解温度。最初的渗透性不足可能抑制所产出的流体输送至生产井206。在初始加热过程中，接近热源202的地层中的流体压力可能增加。增加的流体压力可以通过一个或多个热源202释放、监测、改变和/或控制。例如，选定的热源202或单独的压力泄放井可以包括允许从地层移除一些流体的压力泄放阀。

在一些实施方案中，因为在地层中可能还不存在至生产井206的开放路径或任何其它压力阱，可能允许由于地层中产生的移动流体、热解流体或其它流体膨胀而产生的压力增加。可以允许流体压力增加至静岩压。当流体接近最小原位应力时，在含烃地层内可能形成裂缝。在一些实施方案中，最小原位应力可以等于或近似等于烃地层的静岩压。例如，在地层受热部分中由热源202至生产井206可以形成裂缝。受热部分中产生裂缝可以释放该部分中的一些压力。地层中的压力可能必须保持低于选定的压力以防止不希望的产出、上覆地层或下伏地层的断裂和/或地层中烃的结焦。

达到移动和/或热解温度和允许由地层产出后，可以改变地层的压力以改变和/或控制所产出地层流体的组成、相比于地层流体中不可冷凝流体控制可冷凝流体的百分比、和/或控制所产出的地层流体的API比重度。例如，降低压力可能会导致产出更多的可冷凝流体组分。可冷凝流体组分可能含有较大百分比的烯烃。

在一些原位热处理方法的实施方案中，可以维持地层中的压力足够高以促进产出API比重度大于20°的地层流体。在原位热处理过程中维持增加的地层压力可以防止地层下沉。维持增加的压力可以减少或消除在地表处压缩地层流体以在收集管道中输送流体至处理设施的需求。

在地层的受热部分维持增加的压力可以令人惊奇地允许产出大量品质提高和相对较低分子量的烃。可以维持压力以使所产出的地层流体具有最少量的选定碳数之上的化合物。所述选定碳数可以为至多25、至多20、至多12或至多8。一些高碳数化合物可能夹带于地层的蒸气中，和可能与蒸气一起从地层中移除。维持增加的地层压力可以抑制高碳数化合物和/或多环烃化合物在蒸气中的夹带。高碳数化合物和/或多环烃化合物可以在地层中在显著的时间段内保持在液相中。所述显著的时间段可以为化合物提供足够时间热解以形成较低碳数的化合物。

生成相对低分子量的烃据信部分是由于部分含烃地层中氢的自发产生和反应。例如，维持增加的压力可以迫使热解过程中产生的氢进入地层内的液相。加热所述部分至热解温度范围内的温度可以热解地层中的烃以产生液相热解流体。所产生的液相热解流体组分可能包含双键和/或自由基。液相中的氢(H₂)可以还原所产生热解流体中的双键，从而减少聚合或由所产生的热解流体形成长链化合物的可能性。另外，H₂也可以中和所产生热解流体中的自由基。液相中的H₂可以防止所产生的热解流体相互反应和/或与地层内的其它化合物反应。

由生产井206产出的地层流体可以通过收集管208输送至处理设施210。由热源202也可以产出地层流体。例如可以由热源202产出流体以控制与热源相邻的地层中的压力。可以将由热源202产出的流体通过管子或管道输送至收集管208，或者可以将所产出的流体通过管子或管道直接输送至处理设施210。处理设施210可以包括分离单元、反应单元、提质单元、燃料电池、涡轮机、贮存容器和/或用于处理所产出的地层流体的其它系统和单元。处理设施可以由至少一部分从地层产出的烃形成运输燃料。在一些实施方案中，运输燃料可以为航空燃料如JP-8。

含烃地层(例如油页岩地层和/或焦油砂地层)可能包含在地层的矿物基质中夹带的大量沥青和/或在地层浅层中的大量沥青。将含夹带沥青的烃地层加热至高温可以产生非冷凝烃和非烃气体而不是液态烃和/或沥青。加热含沥青的浅层地层也可能导致由地层产出大量气态产品。所需要的方法和/或系统是在较低温度下加热夹带沥青的烃地层以转化部分地层流体为沥青和/或较低分子量烃，和/或增加含烃地层的渗透性以产生液态烃和/或沥青。

可以应用蒸汽注入方法处理烃地层。但蒸汽注入方法可能不能均匀地处理地层。例如，蒸汽注入可能不能均匀地遍及整个地层。地层特性(例如流体注入性、渗透性和/或孔隙率)的变化可能会导致蒸汽不均匀地注入通过地层。由于蒸汽不均匀注入，蒸汽可能从地层的不同部分以不同速率移除烃或得到不同结果。例如，地层的一些部分可能具有很小或者没有蒸汽注入性，这抑制了从这些部分产出烃。在蒸汽注入过程完成后，地层有些部分可能会比地层其它部分产出更少量的烃(更多的烃保留)。虽然蒸汽注入可能在短时间内向贮层中输入大量能量，但蒸汽注入不能达到超过270℃的热解温度。

某些类型的地层具有低的初始基质渗透性和包含在初始或环境条件下具有高初始粘度的地层流体，这使得这些地层不容易应用常规蒸汽驱方法如SAGD或CSS进行处理。例如，碳酸盐地层(如加拿大Alberta的Grosmont贮层)具有低的基质渗透性和含有高粘度的地层流体，这使得这些地层不适合常规蒸汽驱方法。碳酸盐地层也可能是高度不均匀的(例如具有高度不同的垂直和水平渗透性)，这使得很难控制通过地层的流体(如蒸汽)流量。另外，一些碳酸盐地层是相对浅的地层，具有低的上覆地层压裂压力，这抑制了高压蒸汽注入的应用，因为需要避免上覆地层断裂或压裂。

通常，这些初始渗透性和初始粘度对于蒸汽注入烃层不利，因为让蒸汽移动烃通过地层所需要的蒸汽注入压力高于地层的上覆地层压裂压力。保持低于上覆地层压裂压力对于较浅地层(如Grosmont贮层)来说可能特别困难，因为上覆地层压裂压力在这些浅层地层中相当小。已经应用加热器为烃层提供热量来增加所述层的蒸汽注入性。来自加热器的热量可以降低围绕加热器的部分的地层流体粘度，从而在低于上覆地层压裂压力的压力下注入所述层中的蒸汽可以使层内的烃移动。但在蒸汽注入之前或之后应用加热器可能是经济上不希望的。

在一些实施方案中，烃地层包括预先存在的开口和/或裂缝。例如，可以注入加热流体(例如水)的高度断裂的碳酸盐地层、高度可渗透的层(例如大于1达西)等。裂缝可以在地层中形成互相连接的通道(水平、竖直和倾斜的通道)。在一些实施方案中，裂缝在地层中基本水平或倾斜并且被烃层所分隔。一个或多个裂缝在地层中可以基本竖直并且被烃层所分隔。在一些实施方案中，竖直裂缝与水平裂缝交叉。在一些实施方案中，一个或多个井孔与地层中的一个或多个裂缝相连。

在一些实施方案中，紧密的孔洞可以为填充有粘稠流体如沥青或重油的孔洞。在一些实施方案中，孔洞的孔隙率为至少约20的孔隙率单位、至少约30的孔隙率单位或至少约35的孔隙率单位。地层的孔隙率可以为至多约15的孔隙率单位、至多约10的孔隙率单位或至多约5的孔隙率单位。紧密的孔洞抑制蒸汽或其它流体注入具有紧密孔洞的地层或层。通过竖直裂缝和/或水平裂缝注入流体可以充分渗透或加热孔洞，可以降低紧密孔洞中流体的粘度和允许流体排出(例如使流体移动)。可以由地层产出移动流体。

在某些实施方案中，烃层的初始竖直基质渗透性为至多约300毫达西和初始水平基质渗透性为至多约1达西。在一些碳酸盐地层中，初始竖直基质渗透性比初始水平基质渗透性小，例如在加拿大Alberta的Grosmont贮层中。取决于地层中的位置和/或地层的类型，初始竖直和初始水平基质渗透性可能变化。

在一些实施方案中，地层充分压裂，使得相比于其它常规方法应用流体注入加热器为裂缝提供热流体(如蒸汽)为地层提供了改进的热分布和/或增加了提供给地层的热量。例如裂缝的尺寸可以为1-30m、5-25m或10-20m。在一些实施方案中，裂缝间隔为20米。可以向裂缝中注入加热流体以由裂缝中移动流体。

在一些实施方案中，可以将流体(例如蒸汽和/或热水)注入加热器用作热源来加热至少一部分烃层。所述流体注入加热器可以包括设置在管件中的一个或多个加热元件或热源。所述管件可以位于另一个管件(例如罐筒)内。所述加热元件或热源可以是绝缘导体。

绝缘导体可以包括被电绝缘体围绕的内部电导体(芯)和外部电导体(夹套)。电绝缘体可以包括矿物绝缘(如氧化镁)或其它电绝缘。

在一些实施方案中，所述罐筒可以包括设置在所述罐筒(第二管件)内的端部元件(例如盖子或者帽子)。所述端部元件可以设置在所述罐筒内，从而所述端部元件改变了通过所述罐筒的流体流动方向。例如，所述端部元件可以设置在所述罐筒的端部和在与盖子接触时蒸汽的流动方向逆转。

在一些实施方案中，所述罐筒可以包括穿孔以允许流体和/或加热流体流入地层。罐筒中的穿孔可能有助于调节沿加热器长度的压力量，使得沿加热器长度只有很小压降或没有压降。

可以将流体注入加热器放置于含烃地层的开口中。在一些实施方案中，将流体注入加热器放置在含烃地层中没有加套管的开口中。在含烃地层中没有加套管的开口中放置流体注入加热器可以允许热量通过对流从流体传递给地层。热量可以通过辐射和传导从绝缘导体传递给地层和/或流体。

流体注入加热器可以允许蒸汽直接注入设置在烃层裂缝附近或与其相连的井孔中。因为岩层自然断裂，蒸汽逃出地层。在常规的应用蒸汽和/或加热器加热的加热方法中，高度移动的蒸汽选择阻力最小的路径通过裂缝和不沿加热器的路径流动。因此，加热器元件中的热点形成很难控制或消除。另外，蒸汽的一致性可能不均匀，从而地层加热可能无效。应用流体注入加热器控制蒸汽流入裂缝和沿加热器长度流动。因此，蒸汽的一致性更加均匀，热点受到控制和/或基本消除，和更加有效地加热了地层。

图2描述了烃层224内井孔222中流体注入加热器220的一个实施方案的端部的透视图。井孔222没有加套管。流体注入加热器220包括全部或部分设置在管件228(罐筒)内部的加热器226。罐筒228可以在端部开放以允许蒸汽在加热器元件226的外部和罐筒内壁之间注入(由箭头230表示)，和按箭头234所示进入井孔开口232。

罐筒228由耐水腐蚀材料制成，并具有足够的强度以输送高压蒸汽。例如，罐筒228由足够强度和结构的材料制成，从而以1-2桶/天的速率400英尺或2.42m/s的注入速度向烃地层输送蒸汽。在一些实施方案中，罐筒228由碳钢如K55、L80和P110/C110制成。在一些实施方案中，加热器226偶连到罐筒228上。例如允许流体绕加热器流动的带有开孔的一个或多个定中器可以维持罐筒228内壁与加热器226夹套之间的分隔距离。

加热器226可以为限温加热器。限温加热器在例如Vinegar等的美国专利US8,200,072、Sandberg等的US8,224,164、Sandberg等的US8,238,730和Vinegar等的US8,355,623中进行了描述，所有这些专利均在这里作为参考引入。图3描述了加热器226的一个实施方案的端部的透视图。加热器226可以包括绝缘导体236。绝缘导体236可以具有任何所需的横截面形状例如但不限于圆形(如图2和3所示)、三角形、椭圆形、矩形、六边形或不规则形状。在某些实施方案中，绝缘导体236包括夹套238、芯240和电绝缘体242。当电流通过芯240时芯可以电阻发热。可以应用交流电或随时间变化的电流和/或直流电来为芯240提供电力从而使芯电阻发热。

在一些实施方案中，电绝缘体242防止电流泄漏和击穿夹套238。电绝缘体242可以将芯240产生的热传导给夹套238。夹套238可以将热辐射或传导给地层和通过罐筒的流体。在某些实施方案中，绝缘导体236的长度为1000m或更长。也可以应用更长或更短的绝缘导体来满足具体的应用需求。可以选择绝缘导体236的芯240、电绝缘体242和夹套238的尺寸，从而绝缘导体具有足够的长度以即使在工作温度上限下也能自支撑。这种绝缘导体可以由井口或在上覆地层与含烃地层之间的分界附近设置的支撑悬置而不需要支撑元件沿绝缘导体延伸入含烃地层。

可以设计绝缘导体236以在高达约1650瓦/米或更高的功率水平下操作。在某些实施方案中，当加热地层时，绝缘导体236在约500-1150瓦/米的功率水平下操作。可以设计绝缘导体236，从而在典型操作温度下的最高电压水平不会导致电绝缘体242发生明显的热和/或电击穿。可以设计绝缘导体236，从而夹套238的温度不会超过使夹套材料的耐腐蚀特性明显降低的温度。在某些实施方案中，可以设计绝缘导体236以达到约650-900℃范围内的温度。可以形成具有其它操作范围的绝缘导体以满足具体的操作需求。

图3描述了具有单个芯240(加热元件)的绝缘导体236。正如图2所示，在加热器226中有三个绝缘导体236。在其它实施方案中，单个绝缘导体可以具有两个或更多个芯(加热元件)。芯240可以由金属或其它电导材料制成。用于形成芯240的材料可以包括但不限于镍铬铁合金、铜、镍、碳钢、不锈钢和它们的组合。在某些实施方案中，选择芯240的直径和在操作温度下的电阻率，从而使得由欧姆定律得到的电阻对于所选的每米功率损耗、加热器长度和/或芯材料所允许的最高电压来说，在电力和结构上是稳定的。

在一些实施方案中，芯240沿绝缘导体236的长度由不同的材料制成。例如，芯240的第一区可以由电阻比芯的第二区明显更低的材料制成。可以将第一区设置在第一地层附近，其中第一地层不需要被加热至与第二区相邻的第二地层一样高的温度。通过具有可变直径和/或通过具有由不同材料制成的芯区可以调节芯240各区的电阻率。

电绝缘体242可以由多种材料制成。通常应用的粉末可以包括但不限于MgO、Al₂O₃、氧化锆、BeO、尖晶石的不同化学变体和它们的组合。MgO可以提供好的导热系数和电绝缘特性。所需的电绝缘特性包括低的泄漏电流和高的介电强度。低的泄漏电流降低了热击穿的可能性，而高的介电强度降低了电击穿绝缘体的可能性。如果泄漏电流导致绝缘体温度持续上升，可能会发生热击穿，也会导致电击穿绝缘体。

夹套238可以为外部金属层或导电层。夹套238可以与热地层流体接触。夹套238可以由在高温下对腐蚀有高耐受性的材料制成。在夹套238的所需操作温度范围内可以应用的合金包括但不限于304不锈钢、310不锈钢、800和600(IncoAlloysInternational,Huntington,WestVirginia,U.S.A.)。夹套238的厚度可能必须足以在热和腐蚀环境下持续3-10年。夹套238的厚度通常可以在约1-2.5mm间变化。例如可以将1.3mm厚的310不锈钢外层用作夹套238，以在地层的受热区内持续超过3年提供对硫化腐蚀良好的化学耐受性。可以应用更大或更小的夹套厚度以满足具体的应用需求。在一些实施方案中，夹套238不用于传导电流。

可以将一个或多个绝缘导体放置于地层内开口中的罐筒内以形成热源。电流可以通过所述开口中的每一个绝缘导体以加热地层。替代地，电流可以通过所述开口中的选定绝缘导体。没有应用的导体可以用作备用加热器。可以将绝缘导体以任何适宜的方式电偶合至电源上。可以将绝缘导体的每一端连接至通过井口的引入电缆。这种结构通常具有位于热源底部附近的180°弯头(“发夹”弯头)或转向。包括180°弯头或转向的绝缘导体可能不需要底部终端，但180°弯头或转向可能是加热器中的电和/或结构弱点。绝缘导体可以以串连、并联或串联与并联组合的方式电偶合在一起。在热源的一些实施方案中，电流可以通入绝缘导体的导体中，并且可以通过在热源底部连接芯240与夹套238而通过绝缘导体的夹套返回。

限温加热器可以在构造中和/或可以包括在某些温度下为加热器提供自动限温特性的材料。在某些实施方案中，在限温加热器中应用铁磁性材料。铁磁性材料在材料的居里温度和/或相转化温度范围处或其附近可以自限制温度，从而当向材料施用随时间变化的电流时提供减少的热量。在某些实施方案中，铁磁性材料在选定的温度下自限制限温加热器的温度，其中所述选定温度为约居里温度和/或相转化温度范围。在某些实施方案中，所述选定为居里温度和/或相转化温度范围约±35℃、约±25℃、约±20℃或约±10℃内的温度。在某些实施方案中，铁磁性材料可以与其它材料(例如高导电材料、高强度材料、耐腐蚀性材料或它们的组合)偶合以提供各种电和/或机械特性。限温加热器的一些部分可能具有比限温加热器的其它部分更低的电阻(通过不同的几何形状和/或应用不同的铁磁性材料和/或非铁磁性材料来实现)。使限温加热器的不同部分具有不同的材料和/或尺寸允许定制加热器每一部分所需的热量输出。

限温加热器可能比其它加热器更可靠。限温加热器可能更不易于受地层中的热点影响而发生故障或失效。在一些实施方案中，限温加热器允许基本均匀地加热地层。在一些实施方案中，限温加热器能够通过沿加热器的整个长度在较高平均热输出下操作而更加有效地加热地层。限温加热器沿加热器的整个长度在较高平均热输出下操作，这是因为与典型的恒定功率的加热器的情况一样，如果沿加热器的任意点的温度超过或者将要超过加热器的最大操作温度，则加热器的功率不必对整个加热器降低。在接近加热器的居里温度和/或相转化温度范围时，来自限温加热器的各部分的热量输出自动降低，而不控制调节施加到加热器上的随时间变化的电流。由于限温加热器的各部分的电特性(如电阻)的变化，热量输出自动降低。因此，在加热过程的较大部分中，更多电功由限温加热器提供。

在某些实施方案中，当限温加热器由随时间变化的电流供电时，包括限温加热器的系统首先提供第一热量输出，和然后在加热器的电阻部分的居里温度和/或相转化温度范围附近、之处或之上提供降低的热量输出(第二热量输出)。第一热量输出为在低于限温加热器开始自限制的温度下的热量输出。在一些实施方案中，第一热量输出为在低于限温加热器中铁磁性材料的居里温度和/或相转化温度范围约50℃、约75℃、约100℃或约125℃的温度下的热量输出。

限温加热器可以由在井口提供的随时间变化的电流(交流电或调制直流电)供电。井口可能包括电源和用于给限温加热器供电的其它组件(例如调制组件、变压器和/或电容器)。限温加热器可以是加热部分地层的许多加热器中的一个。

在一些实施方案中，应用相对薄的导电层在高达铁磁导体的居里温度和/或相转化温度范围或其附近的温度下提供限温加热器主要的电阻热量输出。可以将这种限温加热器用作绝缘导体加热器的加热元件。绝缘导体加热器的加热元件可以位于护套内，其中所述护套和所述加热元件之间具有绝缘层。

可以将限温加热器用于重油应用(例如处理相对可渗透的地层或焦油砂地层)。限温加热器可以提供相对低的居里温度和/或相转化温度范围，从而加热器的最大平均操作温度低于350℃、300℃、250℃、225℃、200℃或150℃。在焦油砂地层中，限温加热器的最大温度可以为低于约250℃以抑制烯烃的生成和其它裂化产品的产生。在一些实施方案中，限温加热器的最大温度高于约250℃以产生较轻的烃产品。在一些实施方案中，加热器的最大温度可以为约500℃或低于约500℃。

图4和5描述了在烃层222内基本水平或倾斜开口中的流体注入加热器220的实施方案的透视图。图4描述了在烃层222内开口232中的流体注入加热器220的实施方案的透视图。图5描述了带有端部元件244的流体注入加热器的一个实施方案。

流体注入加热器包括设置在罐筒228内的加热器226。烃层可能包括裂缝和孔洞。在一些实施方案中，流体注入加热器220可以设置在裂缝中或其附近。在某些实施方案中，开口232可以为烃层222内基本水平或倾斜的开口。在一些实施方案中，开口232可以为烃层222或应用已知钻探技术在烃层中形成的井孔中的开口。

在一些实施方案中，开口232可以包括填充物246。填充物246可以在开口内各个位置处抑制流体流入开口232。可以调节开口232内填充物246的长度，以改变流体注入地层的长度。例如，调节延长填充物246的长度减少了在开口232中蒸汽的返回量，和增加了离开流体注入加热器220的端部248的蒸汽量。填充物可以为例如可膨胀的填充剂或粘合剂。

可以将蒸汽通过罐筒228注入烃层224的开口232中(如箭头230所示)。蒸汽可以沿加热器226的长度流动和进入开口232中。由于开口232中的一些压力部分蒸汽可能改变方向和流入在罐筒228与开口的侧面之间形成的环内(如箭头234所示)和流入烃地层(如箭头250所示)。如图所示，罐筒228包括穿孔252，它允许流体(蒸汽)进入开口232和然后流入烃层224(如箭头250所示)。

在一些实施方案中，罐筒228包括端部元件244(例如帽子或盖子)。端部元件244可以偶合或者直接连接到罐筒228上。端部元件244可以引导蒸汽进入罐筒228与开口232之间的环内。注入的蒸汽可以按箭头230所示通过罐筒228、与端部元件244接触、改变方向(如反向流动)、流入罐筒与开口232之间的环内和进入烃地层。端部元件244包括穿孔252，它允许蒸汽流出罐筒末端和进入地层。如图6所示，罐筒228不包括穿孔，但罐筒内可以存在穿孔。

在一些实施方案中，罐筒228内的穿孔252可以包括按需打开或关闭的盖子，以控制流体沿流体注入加热器220的长度注入开口232。例如，滑动套筒可以盖住罐筒228的穿孔252。可以应用一个或多个控制器沿流体注入加热器的长度打开或关闭滑动套筒。

在蒸汽注入之前或过程中，可以为加热器元件226施用电流以产生辐射和/或对流热。来自加热器元件226的热量加热蒸汽和开口232。当流体(蒸汽)沿开口232的长度流动时，应用来自加热器元件226的热量防止其冷却。因此，相比于蒸汽和/或加热器方法，应用传导和对流热以更快的速率加热地层。

在一些实施方案中，经过一段时间，可以依据开口中的温度调节或关掉施加到加热器226的加热器元件240的电流(如图3和4所示)。在一些实施方案中，经过一段时间，停止蒸汽注入并用加热器226提供热量。例如，由流体注入加热器产生的热移动的烃开始产出时，流体(蒸汽)注入可以停止和功率降低。当流体沿加热器226长度流动时，向流体供热的能力可以更加有效地加热烃层。

已经意外地发现，与单独应用蒸汽注入、单独应用加热器、用加热器和然后施用蒸汽或者反之加热地层、或复合蒸汽加热方法相比，应用流体注入加热器提高了地层加热速率。复合蒸汽加热方法可以包括向包括加热器但不包括围绕加热器系统的罐筒的井孔中注入蒸汽。应用流体注入加热器也可以降低加热温度同时增加提供给地层的热量。应用流体注入加热器为地层提供传导热、辐射热和/或对流热。用流体注入加热器加热烃层为所述层提供更多热，和因此可以以更快的速率由地层产油。另外，流体沿加热器的外夹套(管道)流动防止在加热器上形成“热点”。因此，延长了加热器的寿命。

在利用加热器的常规蒸汽注入(例如复合蒸汽注入方法)中，由于蒸汽逃离进入烃层内的裂缝和不沿加热器的长度流动，可能在加热器上形成热点。应用罐筒引导流体流入地层减少或消除了加热器上的热点。在一些实施方案中，由于沿加热器长度的下沉，加热器(限温加热器或者其它类型的非限温加热器)具有一些较低区。这些较低区可能处于在井孔较低部分收集的重油或沥青中累积。在这些较低区处，由于重油或沥青的结焦，加热器可以会出现热点。标准的非限温加热器在这些热点处可能会过热，从而沿加热器的长度产生不均匀的热量。应用注入围绕加热器的罐筒的蒸汽可以防止加热器在热点或下游区处过热，和沿井孔长度更均匀地加热。

与常规限温加热器相比，应用蒸汽注入加热器允许加热器元件在更高功率输出下操作更长时间。图6为应用蒸汽注入加热器和蒸汽注入加热器的电加热元件加热烃地层时在加热器中点处沿径向(英寸)的温度(华氏度)分布曲线。数据254至272代表了应用限温加热器和蒸汽注入加热器在不同功率水平下操作不同时间段的地层加热效果。表1列出了加热器类型、功率瓦数和加热时间段。

表1

数据编号	加热类型	功率(瓦)	时间段(周)
				254	蒸汽注入加热器	500	8
256	蒸汽注入加热器	500	4
				258	蒸汽注入加热器	350	8
260	蒸汽注入加热器	350	4
				262	仅电加热器	500	8
264	仅电加热器	500	4
				266	仅电加热器	350	8
268	仅电加热器	350	4
				270	仅电加热器	500	52
272	仅电加热器	35	52

由图6的数据可知，与用电加热器加热烃地层相比，应用蒸汽注入加热器可以将烃地层加热至更高的温度。还可知应用较少的提供给加热器电元件的电功就可以将烃地层加热至更高的温度。因此，流体注入加热器比电加热元件更有效率。

图7描述了图6中所示图的扩展部分。区274代表夹套外部直径的温度曲线，区276代表沿罐筒内部直径的温度曲线，区278代表砂子表面的温度曲线，和区280代表罐筒外部直径的温度曲线。如图所示，与没有蒸汽注入的区274中的加热器夹套温度相比，当将蒸汽注入罐筒时，区274的加热器夹套表面温度较低。例如，与只有加热器元件相比，蒸汽注入加热器中的加热器元件为约200°F(93℃)至300°F(148℃)。因此，蒸汽注入加热器导致加热器护套的表面温度更低，这降低了形成“热点”的风险。由图6和7的数据证实了蒸汽注入加热器提供更高的电能注入速率。

应用流体注入加热器可以防止流体的沟流或指流，这些将降低引入的加压流体的效果。在加热流体注入方法的过程中向地层加入的任何能量都将降低对原位热处理方法的加热器所提供的能量和/或时间的需求。围绕加热器的蒸汽流可以允许加热器以更高的瓦数应用，但花费更少的能量来加热地层。应用流体注入加热器减少了加热烃层的总能量，由此降低了处理地层的成本。例如,应用蒸汽注入加热器可以在65天将烃地层加热至约150°F，蒸汽通过罐筒注入和应用传导热和辐射热加热地层。800天后，烃地层的温度达到约475°F(246℃)。与之对比，应用相同类型的电加热器，可以在65天将烃地层加热至约150°F，和800天后烃地层的温度为约270°F(132℃)。

与应用常规蒸汽注入和加热器方法加热相同烃层面积所应用的加热器和注入器数量(例如5个加热器和1个注入井)或应用常规原位热方法加热相同烃层所应用的电加热器数量(11个电加热器)相比，应用流体注入加热器可以应用更少的加热器(例如5个蒸汽注入加热器)来加热所述烃层面积。图9-11描述了应用流体注入加热器方法、与加热器方法组合的蒸汽注入以及电加热器方法处理烃地层的实施方案的侧视图。图8描述了应用流体注入加热器方法处理烃地层的实施方案的侧视图。流体注入加热器220A-220E可以位于烃层224中。含烃层224可以位于上覆地层280下方。可以为流体注入加热器220A-220C的电元件施加电流。在一些实施方案中，流体注入加热器220A-220C位于与流体注入加热器220D和220E不同的烃层中。在地层已经用来自流体注入加热器的加热元件的辐射热加热一段时间之后，可以将流体(例如蒸汽)以约4.8MPa(约700psi)的压力通过流体注入加热器220A-220E注入。在一些实施方案中，在开始加热时就可以注入流体。可以将来自流体和加热元件的足够的传导热和辐射热传递给烃层224以降低层内烃的粘度和使烃移动。由生产井206产出移动的烃。

与用流体注入加热器加热相比，图9描述了与加热器方法组合的常规蒸汽注入的侧视图。加热器226A-226E加热烃层224一段时间以增加所述层的渗透性。通过注入井孔282注入蒸汽以使烃向生产井206移动。图10描述了应用电加热器(例如限温加热器)的常规原位热处理方法的侧视图。加热器226A-226K加热烃层224以使烃层224中的烃移动。在生产井206处产出移动的烃。

与常规蒸汽和加热器加热相比，应用流体注入加热器每天可以产出更多的烃。例如应用流体注入加热器加热2年后，可以以10-15BBL/天的速率从烃地层产出烃。与之对比，应用常规蒸汽和加热器加热方法2年后，可以以约1BBL/天的速率产出烃，和应用常规加热器加热方法多年后，以低于约1BBL/天的速率产出烃。

热流体注入加热器可以加热烃层224中的烃降低烃的粘度，以使烃向位于烃地层中的一个或多个生产井移动。在一些实施方案中，降低烃的粘度允许或增加由地层产出重质烃(至多约10°API比重度的油)或中等比重度的烃(约12-20°API比重度的油)。在某些实施方案中，地层中烃的初始API比重度为至多10°、至多20°、至多25°或至多30°。在某些实施方案中，地层中烃的粘度为至少0.05Pa·s(50cp)。在一些实施方案中，地层中烃的粘度为至少0.10Pa·s(100cp)、至少0.15Pa·s(150cp)或至少0.20Pa·s(200cp)。

在某些实施方案中，应用流体注入加热器原位处理相对可渗透的含烃地层(例如焦油砂地层)包括加热地层至减粘温度。例如，流体注入加热器方法可以加热地层至约100-260℃、约150-250℃、约200-240℃、约205-230℃或约210-225℃的平均温度。在一个实施方案中，将地层加热至约220℃的温度。在一个实施方案中，将地层加热至约230℃的温度。

在减粘温度下，地层中的流体具有允许流体在地层中流动的降低的粘度(相对于它们在初始地层温度下的初始粘度)。由于烃在减粘温度下经历粘度变化步骤，在减粘温度下的粘度降低可以是粘度的永久降低，这与加热至移动温度形成对比，后者可能只是暂时降低粘度。在一些实施方案中，实施加热从而在热流体注入区和被加热器加热的区中地层流体的平均粘度相互之间在约±20％以内。减粘流体的API比重度可能相对较低(例如至多约10°、约12°、约15°或约19°的API比重度)，但API比重度比来自地层的非减粘流体的API比重度高。来自地层的非减粘流体的API比重度可以为7°或更低。

在某些实施方案中，处理地层包括在整个产出阶段维持温度为减粘温度或接近减粘温度(如上所述)，同时维持压力低于压裂压力。可以减少或消除提供给地层的热来维持温度为减粘温度或接近减粘温度。加热至减粘温度但维持温度低于热解温度或接近热解温度(例如低于约230℃)抑制了焦的形成和/或更高水平的反应。在较高压力下(例如在接近但低于压裂压力的压力下)加热至减粘温度保持产出气体在地层中的液态油(烃)中，和用更高的氢分压增加了地层中的氢还原。加热地层只到减粘温度还比加热地层至热解温度应用更少的能量输入。

在一些实施方案中，当地层达到减粘温度后，地层中的压力降低。在某些实施方案中，在高于减粘温度的温度下地层中的压力降低。在更高温度下降低压力允许地层中的更多烃通过减粘和/或热解转化为更高品质的烃。但在压降低前允许地层达到更高温度可能增加所产出的二氧化碳量和/或地层中的结焦量。例如，在一些地层中，沥青在约280℃下(在压力高于700kPa)开始结焦和在约340℃达到最大速率。在低于约700kPa的压力下，地层的结焦速率最小。在压降低前允许地层达到更高温度可能会降低由地层产出的烃量。

在某些实施方案中，当地层的压降低时选择地层的温度(例如地层的平均温度)以平衡一个或多个因素。所考虑的因素可能包括：所产出的烃的品质、所产出的烃量、所产出的二氧化碳量、所产出的硫化氢量、地层中的结焦程度和/或所产出的水量。应用地层样品的试验评价和/或基于地层特性的模拟评价可以用来评价应用原位热处理方法处理地层的结果。可以应用这些结果来确定当地层压力降低时的选定温度或温度范围。所述选定温度或温度范围也可能受一些因素例如但不限于烃或油的市场条件和其它经济因素的影响。在某些实施方案中，所述选定温度为约275-305℃、约280-300℃或约285-295℃的范围。

在某些实施方案中，当地层温度升高时，由地层产出流体以维持地层压力低于选定压力。在一些实施方案中，所述选定压力为地层的压裂压力。在某些实施方案中，所述选定压力为约1,000-15,000kPa、约2,000-10,000kPa或约2,500-5,000kPa。在一个实施方案中，所述选定压力为约10,000kPa。维持压力尽可能接近压裂压力可以最小化由地层产出流体所需要的生产井的数量。在一些实施方案中，实施加热使得热流体注入区和被加热器加热的区的平均压力相互之间在约±20％以内。

在某些实施方案中，可以改变在低于减粘温度的温度下产出的流体量、在减粘温度下产出的流体量、降低地层压力前产出的流体量和/或所产生的提质或热解流体量以控制由地层产出的流体的品质和数量以及地层的总烃采收。例如，由地层底部产出流体(例如沥青)可以增加地层的总烃采收，同时降低由地层产出的流体的整体品质(降低整体API比重度)。整体品质降低是因为通过在较低温度下产出更多流体产出了更多重质烃。在较低温度下产出较少流体可以增加由地层产出的流体的整体品质，但可能会减少地层的总烃采收。总烃采收可能较低是因为当在较低温度下产出较少流体会导致地层内发生较多的结焦。

在一些实施方案中，应用来自流体注入加热器的热将加热流体加热至一定温度从而在地层的烃层或其它部分形成或产生原位驱动流体。所产生的原位驱动流体可以移动通过地层和使移动的烃从地层的一个部分移至地层的另一个部分。

烃地层可以包括在15℃下初始粘度为至少约1Pa·s(1,000cp)、至少约5Pa·s(5,000cp)或至少10Pa·s(10,000cp)的地层流体(例如烃)。初始粘度可能随地层中流体的位置或深度而变化。来自热流体和加热器的热量可以降低烃的粘度，从而烃靠重力排出到烃地层的底部区域。在一些实施方案中，烃通过地层中的裂缝排出至烃层的底部区域。在某些实施方案中，地层的烃层具有足够的渗透性，以使移动和/或减粘流体排出至地层的底部。例如，地层中的烃层可以具有至少约0.1达西、至少约1达西、至少约10达西或至少约100达西的渗透性。在一些实施方案中，烃层具有相对较大的垂直渗透性与水平渗透性的比(K_v/K_h)。例如，烃层的K_v/K_h比可以为约0.01-2、约0.1-1或约0.3-0.7。应用设置在地层底部的生产井可以产出移动和/或减粘烃。

所产出的混合物可以具有可评估的特性(例如可测量的特性)。所产出的混合物的特性由被处理地层内的操作条件(例如地层的温度和/或压力)确定。在某些实施方案中，可以选择、改变和/或维持所述操作条件以使所产出的混合物中的烃具有所需的特性。例如，所产出的混合物可能包含具有允许混合物易于输送的特性的烃(例如在不添加稀释剂或不使所述混合物和/或所得到的烃与其它流体共混的情况下用管道输送)。

应理解本发明不限于所描述的特定系统，这些系统当然可以改变。还应理解这里所应用的术语是只是为了描述特定实施方案目的和不用于限定。正如本说明书中所应用，单数形式包括其复数状态，但上下文另有说明的除外。因此，例如当提到“芯”时包括两个或更多个芯的组合，和当提到“材料”时包括所述材料的混合物。

在本专利中，作为参考引入了某些美国专利和美国专利申请。但这些美国专利和美国专利申请的内容仅作为参考引入，其引入程度不能与所引入内容及这里所描述的内容和附图之间存在冲突。在冲突存在时，通过参考引入的美国专利和美国专利申请的这些冲突内容具体地不通过参考引入本专利。

基于本说明书，本发明各个方面的进一步调整和替代实施方案对本领域的熟练技术人员来说是明显的。因此，本说明书仅是描述性的，和目的在于指导本领域熟练技术人员实施本发明的通用方式。应理解这里所给出和描述的本发明的形式据认为是目前优选的实施方案。元件和材料可以替换为这里所示例和描述的那些，部件和过程可以颠倒，和本发明的某些特性可以独立应用，所有这些对于本领域熟练技术人员来说在受益于本发明本说明书之后都是明显的。在不偏离由如下权利要求定义的本发明的精神和范围的条件下，对于这里所描述的元件可以进行改变。

Claims

1.一种处理地下烃地层的方法，所述方法包括：

向设置在位于地下烃地层内开孔中的第一管件内的一个或多个加热元件施加电流，其中所述第一管件设置在第二管件内部；

提供流体通过设置在地下烃地层内的第二管件，从而部分流体在第一管件与第二管件之间沿管件长度流动；

使所述流体流入地下烃地层内的烃层；和

使热从加热元件和/或流体传递给地下烃地层内的部分烃层。

2.权利要求1的方法，还包括使烃层中的烃移动。

3.权利要求1或2的方法，还包括由所述地下烃地层的另一部分产出烃。

4.权利要求1-3任一项的方法，其中至少一部分第一和第二管件在烃层中为基本水平或倾斜。

5.权利要求1-4任一项的方法，其中所传递的热使含烃层中的至少一些烃热解。

6.权利要求1-5任一项的方法，其中所传递的热使含烃层中的至少一些烃热解，和通过延伸入含烃层的生产井由所述层产出至少一些热解后的烃。

7.权利要求1-6任一项的方法，其中与应用第一井孔中的蒸汽注入与多个井孔中的多个电加热器的组合的传热速率相比，传热速率得到了强化。

8.权利要求1-7任一项的方法，其中所述流体为蒸汽。

9.权利要求1-8任一项的方法，其中与在不存在流体时操作加热元件相比，提供流体允许至少一个加热元件在更高功率水平下操作。

10.权利要求1-9任一项的方法，其中提供流体允许沿至少一个加热元件的长度基本均匀地加热。

11.权利要求1-10任一项的方法，其中传热包括对流传热和辐射传热。

12.权利要求1-11任一项的方法，其中至少一个加热元件包括电导体。

13.权利要求1-12任一项的方法，其中提供流体包括向第二管件中注入加压流体，和维持第二管件中基本恒定的平均压力。

14.权利要求1-13任一项的方法，其中允许流体流入地下烃地层包括改变开孔中的流体流动方向。

15.权利要求1-14任一项的方法，其中允许流体流入地下烃地层包括改变流体流动方向，其中所述流体流动方向与第二管件中的流体流动方向相对。