CN108026767A - 用于原位烃生产的地下加热器布置 - Google Patents

Abstract

本发明关于用于烃生产的地下油页岩地层(10)中的细长的地下加热器(20)的布置。加热器(20)被分成一系列的列(40)，列大致垂直于地下油页岩地层(10)的沉积层(50)延伸。加热器也可以被分成一系列的层，每一层在油页岩地层的一个沉积层中延伸。

Description

用于原位烃生产的地下加热器布置

本发明涉及用于烃生产的地下加热器的布置，更具体地，涉及用于加热油母岩质(kerogen)的地下加热器的布置。

油页岩是含有复杂化合物的有机混合物的沉积岩，其总体地被称为“油母岩质”。油页岩由主要包括黏土矿物、石英、方解石、白云石以及铁化合物的层状沉积岩构成。油页岩在其矿物和化学组成方面可能有差异。

当油页岩被加热到大约350℃时，发生热解(油母岩质的破坏性蒸馏(destructivedistillation))以生成尤其为油和气形式的烃类产物。由油母岩质的热解导致的烃类产物与其他石油产品具有类似的特征。油页岩被认为可能成为液体燃料和天然气的未来重要来源，目前，液体燃料和天然气通过其他石油来源生成。

已经存在很多针对在原位加热油页岩以使烃类产物能够回收的方法的方案。例如，热量和/或溶剂可以通过地下油页岩地层循环或被注入地下油页岩地层。加热方法包括热气体或液体注入、热气体(诸如烟气、丙烷、甲烷或过热蒸汽)的闭环循环、热液体(诸如熔融盐、水或油)的闭环循环、电阻加热、电介质加热、微波加热、井下气体燃烧器或氧化剂注射以支持原位热解。

在一些方案中，加热井和生产井设置在地下油页岩地层中。热流体被向下泵送进入加热井，在加热井中其热量传递至油页岩，然后冷却后的流体被送回地面。流体可以在被送回油页岩之前在地面设备中再加热，并且如果需要的话，可以移除加热流体中的在地下油页岩地层中收集到的杂质。可以通过生产井提取由油母岩质的热解导致的烃类产物。

目前尚未在商业上实施来自油页岩中的油母岩质的油和气的原位生产。很多出版物中描述了垂直和水平加热以及生产井。已经提出了加热井和生产井的模式的多种布置和几何形状，试图使地下地层的加热最优化。

伴随加热过程的一个问题是加热速度非常慢。热量在地下地层中主要通过热传导来传递，并且被油页岩的低导热系数所限制。由于加热速度缓慢，因此已经提出使用加热井的密集常规模式，但是这会导致高表面占据(footprint)，并增加钻入已经处于操作中的加热器的风险。即使利用密集的加热器，预计地下地层可能需要几年的时间才能达到合适的均一温度。

鉴于上述情况，进行了本发明，并且至少本发明的优选实施方案的目的是提高地下油页岩地层的加热速度。

根据本发明的第一方面，提供了一种用于烃生产的地下油页岩地层中的细长的地下加热器的布置，其中加热器被分成一系列的列，这些列大致垂直于地下油页岩地层的沉积层延伸。

因为加热器是细长的并且被布置成列，因此每一列将产生热量的“壁(wall)”，使得来自每一个加热器的热通量将被来自在其之上和之下的加热器的热通量增强。这提供了远远大于由单一加热器所产生的热通量，并允许地下油页岩地层更快地达到期望温度。

加热器可以以相对于彼此的任何合适距离布置。在一个优选形式中，相邻列之间的沿沉积层测量的距离在10米到100米之间。

这提供了列之间的大间隙，并且可以在加热器的列之间布置生产井而不会有在生产井的钻孔期间损坏加热器的任何风险。

在一个优选形式中，加热器布置成大致沿地下油页岩地层的沉积层延伸。

众所周知，地下油页岩地层沿着沉积层的导热系数大于其穿过沉积层的导热系数。因为加热器大致沿地下油页岩地层的沉积层延伸，因此将在导热系数的优选方向上形成热通量，而这将减少地下油页岩地层达到期望温度所需的时间。

加热器还被分成一系列的层，每一层加热器在地下油页岩地层的一个沉积层中延伸。当然，加热器并不需要完全沿单一沉积层延伸；例如，如果沉积层并不完全平坦，那么加热器可以大致跟随该层。加热器的取向并不需要完美地与所述层的取向对准，并且加热器可以相对于沉积层以高达30度的角度延伸。

优选地，相邻的加热器之间的穿过沉积层测量的距离在2米到30米之间。

在一个优选形式中，交叉加热器的层布置在位于所述列中的最高加热器之上的层中，交叉加热器和所述列中的最高加热器之间的角度最少为60°，并且优选地约为90°。交叉加热器的其他层也可以在列中设置的较低。

交叉加热器将增加围绕其的地层的温度。众所周知，地下油页岩地层的渗透性随温度的升高而增加，并且因此围绕交叉加热器的被加热的区域将更加容易受到流体流动的影响。交叉加热器因而允许通过在列附近的热解而生成的产品更加轻易地流动到生产井。

在一个优选形式中，至少一个大致竖直的生产井布置在每一对所述列之间。可以存在单一的大致竖直的生产井，并且单一井可以布置成到所述列的距离大致相等，或朝向所述列中的一个偏离。利用这个布置，单一的生产井可以被用于收集由在加热器的两个相邻列附近的热解而生成的产品。也可以使用两个生产井，在每一列附近使用一个生产井，或者如果适当的话，使用更多个生产井。

在一个可选的优选形式中，生产井布置在位于交叉加热器之上的层中，并大致平行于列中的加热器延伸。

利用这个布置，生产井将延伸穿过交叉加热器。因而可以通过单一的生产井来收集由热解生成的在交叉加热器附近流动的产品，简化了加热器和井的必需布置。

现在将仅以举例的方式并参考附图描述本发明的优选实施方式，其中：

图1是地下油页岩地层的示意性截面侧视图，示出了加热器的示例性布置；

图2是第二地下油页岩地层的示意性截面侧视图，示出了根据地下油页岩地层的特性可以如何改变加热器的布置；

图3是加热器和生产管道的示例性布置的模型的示意图；

图4是示出了图3的示例性布置中的热通量的示意截面图；以及

图5是示出了形成图3的示例性布置中的各种井的顺序的示意图。

根据本发明的第一实施方式，通过加热器被分组成列的方式将一系列水平的加热器(其可以为任何合适的长度)钻入地下油页岩地层。图1示出了带有加热器20钻入其中的地下油页岩地层10的示意截面图，并且能够看出，加热器20布置成列40，列40大致平行于彼此并大致垂直于地下油页岩地层10的沉积结构50。此外，加热器布置在大致平行于地下油页岩地层10的沉积结构50延伸的层30中。

在优选形式中，加热器20使用闭环循环流体，流体可以为任何合适的流体，诸如熔融盐、水、油、蒸汽、烟气、油类或气体。在可选形式中，加热器20可以使用注入流体，并且任何合适的流体均可以用作注入流体，诸如烃类液体、气体和/或蒸汽。另外，也可以使用电加热。

由于径向式几何结构中的热传导的性质，来自布置成与其他加热器相对较远的单一加热器的热通量较小。在列40中将很多加热器20布置成彼此接近将形成具有更加线性特点的温度锋，这是由于来自单独加热器的热通量将会被来自位于上方和下方的加热器的热通量加强。相对于单一加热器所能产生的热通量，这提供了更高的热通量，并减少了地下油页岩地层10达到合适温度所需的时间。

此外，地下油页岩地层10的针对于沿竖直方向(穿过地下油页岩地层10的沉积层50)上的热通量的导热系数小于其针对于沿水平方向(沿着地下油页岩地层10的沉积层50)上的热通量的导热系数。已经实验测量出导热系数的研究已经发现沿所述层的导热系数比穿过所述层的导热系数高大约30％到50％。将加热器20布置成列40，使加热器20大致平行于沉积层50延伸，并且使列40在大致垂直于沉积层50的方向延伸，将在导热系数最大的方向(即，平行于沉积层50)上形成热通量，从而进一步减少了地下油页岩地层达到合适温度所需的时间。另外，将加热器20的层30设置在单一沉积层50中将同样增加在那一特定层中的热通量，并将同样减少地下油页岩地层达到合适温度所需的时间。

虽然未在图1和图2中示出，但是生产井将被布置在加热器20之间。生产井可以采取任何合适的形式，并且可以使用水平和/或竖直生产井的任何组合，以及任何位置和数量的生产井。

图2示出了油页岩的沉积层150并未在油页岩地层110的全部区域中均水平的布置(实际中将是这种情况)。具体地，图2示出了在地下油页岩地层110中的层的方向具有改变部160的布置，使得沉积层150在图2的左侧基本水平，而在图2的右侧朝向右下倾斜。

可以看出，在图2的左侧上的层130示出为沿地下油页岩地层110的水平沉积层150水平延伸，而在图2的左侧上的列140示出为垂直于地下油页岩地层110的水平沉积层150竖直延伸。然而，在图2的右侧上的层130与水平方向成一定角度延伸，使得其仍然沿地下油页岩地层110的(非水平)沉积层150延伸。此外，在图2的右侧上的列140与竖直方向成一定角度向上延伸，使得其仍然垂直于地下油页岩地层110的(非水平)沉积层150。

应该了解的是，当加热器被称为“水平”时，这表示加热器大致沿着地下油页岩地层的沉积层延伸。如果地下油页岩地层的沉积层并不是完全水平的，而是相对于水平方向(在延伸进入或离开附图平面的方向上)成一定角度，那么加热器可以以相应角度形成，以确保其沿沉积层延伸。

然而，不需要将加热器布置成完全平行于地下油页岩地层的沉积层；在沉积层的取向和加热器的方向之间的角度差异高达30度时仍然可以实现有益效果，只要加热器沿沉积层延伸。

将大量的加热井以密集常规模式布置的缺点是产生的表面占据非常大，因为每一个新的加热器需要钻一个新的井。可以通过将加热器布置成列来克服这一问题，因为可以从单一井场(wellpad)水平地钻出每一列加热器。成列布置的加热器将形成成行的紧密井口，而这可以在分布的井场中收集，并且这将会降低表面占据。

此外，在开发诸如地下油页岩地层的大型资源时，将存在持续钻孔程序以扩大用于生产的体积。需要在已经处于操作中的加热器和新钻出的加热器之间保持一定距离。与布置成密集均匀分布的加热器相比，将加热器布置成列可以有助于提供安全钻孔操作所需的安全距离。

层之间的竖直距离(即，穿过地下油页岩地层的沉积层测量的一列中的相邻加热器之间的距离)、以及列之间的水平距离(即，沿着地下油页岩地层的沉积层测量的相邻列之间的距离)可以基于地下油页岩地层的特性而不同。例如，竖直距离可以在2米到30米之间，水平距离可以在10米到100米之间。

申请人已经进行了通过根据本发明的加热器布置，以及通过不同形式的加热器布置而实现的热传导的模拟。具体地，进行了关于柱形布置的模拟，其中竖直距离是4米并且水平距离是25米，还进行了关于采用三角形边长为13.5米的反复等腰三角形方式的水平加热器的布置的模拟。这两种布置在每单位体积的地下油页岩地层具有大致相同数量的加热器，并且模拟发现地下油页岩地层将以大致类似的速率升温。然而，与带有平均分布的加热器的布置相比，根据本发明的布置可以具有更低的表面占据，并且可以通过使用更简单的钻井程序来实施。

图3至图5示出了加热器和生产井的另一示例布置。如在图3和图4中最佳示出，本布置包括水平加热器310的两个竖直平行列300，在这之上是交叉加热器320的层(仅其中的一个在图4中可见)。这些交叉加热器320示出为垂直于列300中的加热器310延伸；然而，加热器之间的角度不是必须为90°。如果加热器不是垂直地交叉，那么在交点处的锐角优选地为不小于60°。在实际地下油页岩地层中的两个相邻交叉加热器之间的水平距离可以在20到200米之间。

在交叉加热器320的层之上布置有生产井330。在附图中，生产井330示出为平行于列300中的加热器310并垂直于交叉加热器320延伸；然而，任何适当的取向均可用于生产井。此外，生产井330布置在加热器的列300之间，并优选地大致水平地位于两个相邻列之间的中点处。

和其他示例布置一样，“水平”加热器将在实际中大致沿地下油页岩地层的沉积层延伸，并且因此可以不为完全水平。

图4示出了图3的布置中的流体流动的方式。如前文所述，被加热的油页岩地层的渗透性高于冷的油页岩地层，因此流体流动在这些更加温暖的区域中会更强烈。如图4所示，流体通过在加热器310的列300附近的沉积层向上流动，直到其达到交叉加热器320。流体接下来将倾向于沿交叉加热器320的方向流动，因为他们已经加热了周围的储层(reservoir)并提升了其渗透性。流体接下来将进入生产井330，然后可以从储层中提取流体。

图5示出了在第三示例实施方式中各种井和加热器优选地形成的顺序。

首先，形成生产井330。其次，形成在生产井330之下的交叉加热器320的层，并且开始该第一层交叉加热器320的操作，以开始加热地下油页岩地层。

然后，形成水平加热器310的竖直平行列300，并且开始这些加热器310的操作，以加热地下油页岩地层其他区域。

在交叉加热器320附近的区域将在地下油页岩地层的其他区域之前经历热解以生成烃类产品，因为他们是首先被加热的区域。可以在水平加热器310的竖直平行列300仍在加热地下油页岩地层时(并且，在一些情况中，甚至在完成列300之前)，就开始提取由交叉加热器320附近的区域中的热解而生成的烃类产品，并且因此，可以更早地开始烃类产品的提取。一旦已经开始了烃类产品的提取，就可以停止对于交叉加热器的热供应。

图5示出了布置成“块”的加热器310的两个列300和生产井330；可以在地下油页岩地层中以重复的方式并排布置几个块。

此外，图3至图5示出了具有单一层的交叉加热器的布置，其中其布置在水平加热器的竖直平行列的顶层和生产井之间。然而，交叉加热器的层可以在列中被布置得更向下。也可以设置多于一层的交叉加热器，使得加热器将具有晶格状排列。当然，加热器的布置的精确细节将基于地下油页岩地层的特定细节。

Claims (9)

1.一种用于烃生产的地下油页岩地层中的细长的地下加热器的布置，其中

所述加热器被分成一系列的列，所述列大致垂直于地下油页岩地层的沉积层延伸。

2.根据权利要求1所述的地下加热器的布置，其中

相邻列之间的沿所述沉积层测量的距离在10米到100米之间。

3.根据权利要求1或2所述的地下加热器的布置，其中

所述加热器布置成大致沿所述地下油页岩地层的沉积层延伸。

4.根据权利要求3所述的地下加热器的布置，其中

所述加热器还被分成一系列的层，每一层加热器在所述地下油页岩地层的一个沉积层中延伸。

5.根据权利要求3或4所述的地下加热器的布置，其中

相邻的加热器之间的穿过所述沉积层测量的距离在2米到30米之间。

6.根据上述任一权利要求所述的地下加热器的布置，其中

生产井布置在加热器的列之间。

7.根据上述任一权利要求所述的布置，其中

交叉加热器的层布置在位于所述列中的最高加热器之上的层中，所述交叉加热器和所述列中的所述最高加热器之间的角度最少为60°，并且优选地约为90°。

8.根据权利要求7所述的布置，其中

至少一个大致竖直的生产井布置在所述列之间。

9.根据权利要求7所述的布置，其中

至少一个大致水平的生产井布置在位于所述交叉加热器之上的层中。