CN107709698B - 含烃地层的聚焦原位电加热的设备及方法 - Google Patents

Abstract

一种用于原位电加热含烃地层的方法及系统包括能够下降至井套管的仪器。该仪器具有能够在二级井套管中沿径向延伸的多个金属臂。每个金属臂均包括注入电极、屏蔽电极、第一监测电极和第二监测电极。绝缘部件被安装至各个金属臂。绝缘部件布置并设计为与套管接触，并防止金属臂与套管直接接触。设置有开关，该开关能一次电连接至一个金属臂的多个电极。具有多根电线的测井电缆的一端连接至开关，而第二端连接至地面处的设备。

Description

含烃地层的聚焦原位电加热的设备及方法

相关申请的交叉引用

本申请要求2015年4月3号提交的美国临时申请No.62/178,148的优先权。为此，2015年4月3号提交的美国临时申请No.62/178,148通过引用并入本文。

技术领域

本发明整体涉及用于从地下地层中生产烃的方法及系统。

背景技术

近几十年来，已从地下地层中发现并回收烃。随着时间推移，来自这些烃井的烃产量下降，并且有时需要修井过程，以试图提高烃产量。这些年来已开发出各种方法来促进油从新井和现有井中的地下地层中流出。

已知的是，对于自石油勘探开始以来从地球提取出的每桶烃而言，至少有两桶石油未被取出。这是因为地层中的孔隙空间内的石油粘附至地表，并增大了粘度。为了回收这些石油，已做出了一些努力。一种方法是钻取生产井周围的二级井或注入井。将高压蒸汽、清洁剂、二氧化碳及其他气体泵送到这些二级井中以推动石油。结果收益不大且非常昂贵。蒸汽显示出应用前景。蒸汽可以产生压力和热量。热量减小了粘度，并且压力将石油朝生产井推动。然而，在更高的压力下，水将在更高的温度沸腾。在地表产生且被向下泵送数千英尺的蒸汽不能驱赶出烃。

最近，已利用被称为压裂(fracking)的技术提高烃的产量。在页岩地层中钻出浅直径的水平钻井孔。被施加至这些井孔中的流体的巨大压力粉碎页岩，以释放圈闭的烃。为了产生该压力，需要大量能量和其他资源。

在世界的不同区域存在大量被称为沥青砂的粘性烃，粘性烃被估计为媲美可动烃的估计值。目前，这些沉积物被开采并被带到地表，在地表处沉积物被熔化并蒸馏，以生产可用的产品。开采这些沉积物对环境有害，并且开采不能用于提取深层烃。

在第二次世界大战期间，烃供应不足的德国人发现了被称为费托(Fischer-Tropsch)方法的技术来从煤中生产烃。这涉及大量的热量。开采这些煤对环境有害，并且开采不能用于提取深层煤沉积。

在极点附近的海洋中，科学家发现了大量的水合物。水合物是冰冻的气态烃。为了进行提取水合物，需要大量的热量。

期望具有用于输送热量的方法及系统，以从地下地层中生产烃，这是环保和有成本效益的。

发明内容

本发明可以在压裂期间根据需要而在水平井孔(horizontal hole)中产生相等的压力，但只占一小部分成本。本发明可以输送从水合物和煤沉积物中提取出粘性烃和烃所需的大量的热量，同时是环保和有成本效益的。

附图说明

可以通过参考作为本说明书的一部分被包含的本发明附图中示出的优选实施例来对以上简单总结的本发明做更具体的描述，从而可以详细理解如何获得本发明实施例的以上列举的特征、优点和方面。

然而，值得注意的是，附图仅示出了本发明的典型实施例，并且因为本发明可以允许其他同样有效的实施例，所以附图不被认为是限制本发明的范围。

图1是示出了本发明的优选实施例的被插入到套管井孔中的仪器的局部剖切正视图；

图1A是沿着图1的线1A-1A截取的视图；

图2是金属臂组件和电极的一部分的放大纵截面图；

图2A是沿着图2的线2A-2A截取的视图；

图3是四极旋转开关的功能视图，该四极旋转开关用于将测井电缆连接至各个金属臂上的电极；

图4是示出了从管道向外延伸的等势面的视图；

图5是根据本发明的优选实施例的系统电子部件的电气视图；以及

图6是示出了根据本发明的实施例的仪器的视图，该仪器使用于生产井周围的注入井。

具体实施方式

就浸入在导电介质中的等势面上而言，如果在等势面的一侧正交地注入电流，则该电流将相对于具有与注入电流相同横截面的表面正交地流动。电流在一定距离上保持相同的横截面。该距离取决于等势面的范围、介质的导电性、电流频率和导电介质的均匀性。由于电流在横截面中流动，因此该电流将在该距离上升高介质的温度。可以通过控制横截面中的电流的幅值和持续时间来得到任意期望温度。

本公开内容描述了如何在导电介质中形成该等势面和热束(heat beam)。考虑在图1所示的例如地面等导电介质G中掩埋的导电金属管道P。将具有金属臂部12(优选地为柔性金属臂)的测井仪器10下降到管道P中。每个金属臂部12均具有绝缘滚子14，当臂部12延伸时，绝缘滚子14与管道P的壁部接触。图1示出了金属管道P中的完全延伸的仪器10。臂部12优选地如雨伞那样延伸，并借助于不导电的滚子14与管道P的壁部接触。优选的是，存在足够多的臂部12以覆盖管道周围。在较小直径管道P的情况中，臂部12互搭。

每个臂部12均借助于电力电缆48与各个其他臂部12连接，使得这些臂部都处于相同电势。测井电缆16具有四根电线。测井电缆16的四根电线连接至如图3所示的四极旋转开关18。旋转开关18的功能是将各个臂部12的四个电极经由测井电缆16连接至如图5所示的地表处的设备，一次连接一个臂部12。

旋转开关18的四个极被机械连接起来，使得所有臂部在旋转时一起移动。如图3所示，测井电缆16的四根电线中的每根电线连接至中间臂部18A至18D中的一个臂部。旋转开关18与金属臂部12具有同样多的位置。中间臂部18A的各位置经由电线连接至臂部的所有注入电极。类似的是，中间臂部18B、18C和18D的各位置经由电线连接至所有臂部的所有屏蔽电极和监测电极。在旋转开关18位于任意一个位置的情况下，一个金属臂部12中的所有电极都连接至地表处的设备。如图1所示，地表处的注入和屏蔽电流的回流电极22和24被埋入地面。

如图2和图2A所示，电流经由中间注入电极A和周围同轴屏蔽电极B被注入到金属臂部12中。如图2和图2A所示，同轴监测电极C和D位于电极A和B之间。不导电材料46缠绕在电极A、C、D和B周围。金属臂部12与屏蔽电极B绝缘但电连接至监测电极D。注入电极A和屏蔽电极B的横截面面积被制成为相等。沿着均匀介质中的电流路径的压降将相等。在地表处监测监测电极C和D之间的电压，并且可以通过改变屏蔽源的电压来控制该电压。调节屏蔽源电压直到监测电极C和D之间的电压差和相位差归零为止。当以上发生时，形成覆盖并超过仪器10的整个长度的等势面26。对距管道P的中心的大距离而言存在等势。图4示出了等势面26的简图。

根据管道P的长度、信号频率、介质的导电性和均匀性，存在如下等势面26：在非常大的距离上平行于管道P的表面。从电极A和B出来的电流将与保持相同横截面的等势面26正交地穿过。如果电极A和B的电压升高至使得聚焦区域中的电流显著增大的程度，则如图6所示的区域中产生热束。因为在该长度上电流是均一的，所以温度也是均一的。可以通过调节振荡器的电压来得到并保持任何期望温度。

图5示出了基本电子器件。低频振荡器28被馈送至具有两个类似的次级绕组的变压器30。一个绕组驱动功率放大器32，并且输出被馈送至注入电极A。另一个次级绕组被馈送至相移放大器34和幅值可调节放大器36。输出被馈送至功率放大器38，功率放大器38的输出经由输出变压器40驱动屏蔽电极B。监测电极C和D连接至相位检测器42和差分幅值检测器44。如图5所示，来自这些检测器42和44的信号被馈送至相移放大器34和幅值可调节放大器36。该闭环电路将调节信号反馈电极B的相位和幅值，使得监测电极C和D之间的电压差和相位差为零。当实现以上内容时，如图4所示在管道P的表面上形成等势面26。

对分别流动到注入电极A和屏蔽电极B中的电流进行监测。可以根据该电流来确定聚焦束路径中的地层的电阻率。仪器10的臂部12类似于倾角仪。通过上下移动仪器10并切换所有臂部上的电力，可以在一定深度测量来自所有臂部12的电流。通过选择性地切换臂部12，可以在每个深度处确定与每个臂部12有关的电阻率。可以得到所有方向上的倾角，并因此确定地层中各个臂部12所指的方向。已经知道地层的孔隙率，从而可以确定烃饱和。因此，允许地表处的操作者确认应利用高电流激励哪个臂部12以驱赶出烃。随着烃排出，地层的电阻率将增大，并且可以确认残留在地层中的残余烃的量。

图6是示出了根据本发明的实施例的仪器10的视图，仪器10在生产井52周围的注入井50中使用。在一个或多个二级井或注入井50中仪器10下降至残余含油区域R并且回流电极22和24被埋入地面的情况下，热束54可以产生高于300℃的温度井，以加热四周并将油推动到生产井52中。在每个注入井50中，可以通过相对于套管P上下移动仪器10来使热束54沿竖直方向扫描。可以通过切换臂部12之间的电力来使热束54沿径向扫描。因此，整个烃区域R可以暴露在热束54下。通过监测电流，可以确定损耗的速率和百分比。因此，可以使储层完全泄油。

只要等势面26存在，热束54的聚焦电流的长度就存在。然后，电流56扩散，并且对该电流而言不再存在任何电阻直到电流到达回流电极为止。图6示出了在保持聚焦54并且随后在不聚焦之后电流线扩散56的区域中的电流线。

在世界的不同区域存在大量被称为沥青砂的粘性烃，粘性烃被估计为媲美可动烃的估计值。目前，这些沉积物被开采并被带到地表，在地表沉积物被熔化并蒸馏，以生产可用的产品。首先，沉积物对环境有害，其次，沉积物不能用于提取深层烃。

使用被若干个注入井50围绕的生产井52，使用水平钻井，从而可以在这些井与生产井之间钻出井孔。导电流体和煤油的混合物被泵送到这些井中。将该仪器10置于位于已钻出水平井孔的深度处的这些井中的每一个井中，我们可以将流体和煤油的混合物加热至非常高的温度以熔化沥青砂，从而减小混合物的粘度并使混合物流动到生产井52中。该方法是环保的，并且该方法可以用于从任意深度处的沥青砂中提取出石油。

本发明的系统10可以在压裂期间根据需要在水平井孔中产生相等的压力，但耗费一小部分成本。

在极点附近的海洋中，科学家发现了大量的水合物。水合物是冰冻的气态烃。为了进行提取水合物，需要大量的热量。为此，该仪器10是理想的。

在第二次世界大战期间，烃供应不足的德国人发现了被称为费托方法的技术来从煤中生产烃。这涉及大量的热量。使用该仪器，我们可以从对于现有开采而言太深的深度处的煤中产生烃，并且这也是环保的。

考虑到前述内容，显而易见的是，本发明的实施例适合于实现上文所述的方面和特征中的一些或全部以及本文公开的设备中所固有的其他方面和特征。

即使本文详细地公开了若干个特定形状，但使用基本原理和本发明的教导的许多其他形状变型也是可行的。前述公开内容和本发明的描述是示例性和解释性的，并且可以在不脱离本发明的精神的情况下对尺寸、形状和材料以及所示构造的细节进行各种改变。因此，本实施例被认为仅是示例性而不是限制性的，本发明的范围由权利要求书限定而不是以上描述限定，因此本文意图涵盖落入权利要求书的等同内容的含义和范围内的所有变型。

Claims (22)

1.一种从含烃地层中回收烃的方法，所述方法包括如下步骤：

设置延伸至所述含烃地层的生产井；

设置至少一个注入井，所述至少一个注入井位于所述生产井附近，并延伸至所述含烃地层处或所述含烃地层附近；

使具有多个电极的仪器在所述至少一个注入井中下降至所述含烃地层处或所述含烃地层附近；

至少在所述仪器的长度上形成等势面并从所述至少一个注入井中向外发射；

通过在与所述等势面正交的方向上使所述多个电极中的至少两个电极的电流聚焦来形成热束以加热含烃区域；以及

从所述生产井中回收烃。

2.根据权利要求1所述的方法，其中，形成热束以加热含烃区域的所述步骤促使烃到达所述生产井。

3.根据权利要求1所述的方法，还包括如下步骤：使具有所述热束的所述仪器在所述至少一个注入井中上下移动，以扫描所述含烃地层的竖直区域。

4.根据权利要求1所述的方法，还包括使所述热束沿径向扫描的步骤。

5.根据权利要求1所述的方法，其中，所述多个电极包括：中心注入电极；第一监测电极，其包围所述中心注入电极并紧密接近所述中心注入电极；第二监测电极，其包围所述第一监测电极并与所述第一监测电极同轴；以及屏蔽电极，其包围所述第二监测电极并与所述第二监测电极同轴，所述第二监测电极紧密接近所述屏蔽电极，并且不导电材料使每个电极彼此电隔离；并且

形成等势面的所述步骤包括：

经由所述注入电极和所述屏蔽电极注入相同频率的交流电流；

监测所述第一监测电极与所述第二监测电极处的电压幅值和相位；

改变所述屏蔽电极的电压幅值和相位直到所述第一监测电极与所述第二监测电极之间的电压幅值差和相位差为零。

6.根据权利要求5所述的方法，其中，形成热束的所述步骤包括：

将所述注入电极和所述屏蔽电极的电压升高至使得所述聚焦区域中的电流显著增大的程度。

7.根据权利要求5所述的方法，还包括测量由开关选择的金属臂处的所述注入电极和所述屏蔽电极中的电流，以确定所述聚焦束路径中的地层的电阻率。

8.根据权利要求7所述的方法，还包括如下步骤：

在各个金属臂处进行电阻率测量；以及

确定各个金属臂的方向上的倾角。

9.根据权利要求8所述的方法，还包括确定各个金属臂的方向。

10.根据权利要求6所述的方法，还包括如下步骤：调节所述注入电极和所述屏蔽电极的电压以得到期望温度。

11.根据权利要求6所述的方法，其中，将所述注入电极和所述屏蔽电极的电压升高至使得所述聚焦区域中的电流显著增大的程度的步骤包括：增大面向所述生产井的金属臂的所述注入电极和所述屏蔽电极的电压来形成热束，以产生用于将所述烃推动到所述生产井中的足够的热量和压力。

12.根据权利要求11所述的方法，还包括通过在金属臂之间切换电力来使所述热束沿径向扫描的步骤。

13.根据权利要求11所述的方法，还包括通过监测所述注入电极和所述屏蔽电极中的电流来确定所述地层中的所述烃的损耗的速率的步骤。

14.一种原位电加热含烃地层的系统，包括：

仪器，其能够下降到井套管中，所述仪器包括：

多个金属臂，其能在所述井套管中沿径向延伸，所述多个金属臂中的每一个金属臂包括注入电极、屏蔽电极、第一监测电极和第二监测电极；

至少一个绝缘滚子，其安装在各个金属臂上，所述至少一个绝缘滚子布置且设计为与所述套管接触；以及

开关，所述开关能一次电连接至一个金属臂的所述多个电极；

测井电缆，其具有多根电线，所述测井电缆的一端连接至所述开关，而所述测井电缆的第二端连接至地面处的设备，

注入电压源，其电连接至所述开关；以及

屏蔽电压源，其电连接至所述开关，

其中，对各个金属臂而言，所述开关具有独立的位置，在所述位置，所述注入电压源供给所述注入电极，而所述屏蔽电压源供给所述屏蔽电极。

15.根据权利要求14所述的系统，其中，在地面处控制所述开关。

16.根据权利要求14所述的系统，其中，对各个金属臂而言：

所述注入电极位于中心；

所述第一监测电极包围所述注入电极并与所述注入电极同轴；

所述第二监测电极包围所述第一监测电极并与所述第一监测电极同轴；以及

所述屏蔽电极包围所述第二监测电极并与所述第二监测电极同轴，

其中，不导电材料使每个电极彼此电隔离。

17.根据权利要求16所述的系统，其中，对各个金属臂而言，所述第二监测电极电连接至所述金属臂。

18.根据权利要求16所述的系统，其中，对各个金属臂而言，所述注入电极和所述屏蔽电极具有大致相等的横截面面积。

19.根据权利要求16所述的系统，其中，对各个金属臂而言，所述第一监测电极布置并设计为监测所述注入电极处的电压；并且

所述第二监测电极布置并设计为监测所述屏蔽电极处的电压。

20.根据权利要求19所述的系统，还包括：

幅值可调节放大器，其布置并设计为调节供给所述屏蔽电极的所述屏蔽电压源的电压幅值，使得所述第一监测电极与所述第二监测电极之间的电压幅值差为零。

21.根据权利要求20所述的系统，还包括：

相移放大器，其布置并设计为调节供给所述屏蔽电极的所述屏蔽电压源的电压相位，使得所述第一监测电极与所述第二监测电极之间的电压相位差为零。

22.一种经由井套管测量含烃地层的电阻率的方法，所述方法包括如下步骤：

使具有注入电极以及与所述注入电极同轴对准的屏蔽电极的仪器在所述井套管中下降至所述含烃地层处或所述含烃地层附近；

形成覆盖所述仪器的长度的等势面并从所述井套管中向外发射；

对聚焦束路径中的流动到所述注入电极和所述屏蔽电极中的电流进行监测；以及

根据流动到所述注入电极和所述屏蔽电极中的被监测电流来确定所述聚焦束路径中的所述含烃地层的电阻率。

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