EA004696B1 - Извлечение нефти путем сжигания на месте - Google Patents

Abstract

Способ и устройство для передачи тепла в основном за счет теплопроводности в формацию, содержащую углеводороды, которая окружает скважину для подачи тепла, с использованием подачи окислителя и трубопроводов для вывода дымовых газов, расположенных в стволе скважины для подачи тепла, в котором окислитель, такой как воздух, вводится через трубопровод для подачи окислителя в реакционную зону в формации вблизи скважины для подачи тепла, где окисляется по меньшей мере часть углеводородов формации так, что выделяются дымовые газы и тепло, причем по меньшей мере часть дымовых газов направляется в трубопровод для удаления дымовых газов из реакционной зоны, для того чтобы предотвратить миграцию дымовых газов из реакционной зоны в формацию, содержащую углеводороды.

Description

Настоящее изобретение относится к способу и устройству для нагревания формации, содержащей углеводороды, такой как угольный пласт или месторождение битуминозных сланцев, окружающей скважину для подачи тепла.

Уровень техники

Введение тепла в формации битуминозных сланцев раскрыто в патентах США №№ 2923535 (Лунгстром) и 4886118 (Ван Меурс и др.). В этих публикациях уровня техники описано, что электрические нагреватели передают тепло в формацию битуминозных сланцев, с целью пиролиза керогена внутри формации битуминозных сланцев. Кроме того, это тепло может вызвать разломы в подземной формации, что увеличивает ее проницаемость. Эта повышенная проницаемость может обеспечить транспорт текучей среды в эксплуатационную скважину, где текучая среда удаляется из формации битуминозных сланцев. В некоторых способах, описанных Лунгстромом, в проницаемый пласт, предпочтительно еще в горячем состоянии со стадии предварительного нагревания вводится газообразная среда, содержащая кислород, для того, чтобы инициировать сгорание.

В патенте США № 2548360 описан электрический нагревательный элемент, который расположен внутри вязкой нефти в стволе скважины. Нагревательный элемент нагревает и разжижает нефть, обеспечивая возможность выкачивания нефти из скважины. В патенте США № 4716960 описаны электрически нагреваемые трубы нефтяной скважины путем пропускания тока низкого напряжения через трубу для того, чтобы предотвратить образование твердого вещества. В патенте США № 5065818 ван Эгмонта описан электрический нагревательный элемент, который цементируется в стволе скважины, без корпуса, окружающего нагревательный элемент.

В патенте США № 6023554 описан электрический нагревательный элемент, который расположен внутри корпуса. Нагревательный элемент выделяет тепловую энергию, которая нагревает корпус. Между корпусом и формацией может быть размещен гранулированный материал твердого наполнителя. Корпус может нагревать материал твердого наполнителя за счет теплопроводности, который, в свою очередь, передает тепло в формацию.

В патенте США № 4570715 Ван Меурса и др. описан электрический нагревательный элемент. Этот нагревательный элемент имеет электропроводящую сердцевину, окружающий слой изолирующего материала и окружающую металлическую оболочку. Проводящая сердцевина имеет относительно низкое сопротивление при высоких температурах. Изолирующий материал обладает свойствами электрического сопротив ления, прочностью при сжатии и теплопроводностью, которые относительно велики при высоких температурах. Изолирующий слой предотвращает электрический разряд между сердцевиной и металлической оболочкой. Эта металлическая оболочка имеет свойства прочности на растяжение и сопротивления текучести, которые имеют относительно большие значения при высоких температурах.

В патенте США № 5060287 ван Эгмонта, который включен со ссылкой, как будто он полностью изложен в этом изобретении, описан электрический нагревательный элемент, который имеет сердцевину из медно-никелевого сплава.

Для нагревания формации можно использовать сжигание топлива. Сжигание топлива для нагревания формации может быть более экономичным, чем использование электричества для нагревания формации. Можно использовать несколько различных типов нагревателей для сжигания топлива в качестве источника тепла для нагревания формации. Это сжигание может иметь место в формации, в скважине и/или вблизи поверхности.

В патентах США №№ 4662443, 4662439 и 4648450 описаны способы внутрипластового горения, то есть сжигание углеводородов внутри подземной формации, в которых окислитель, такой как воздух, закачивают в формацию. Окислитель может воспламеняться, чтобы фронт пламени продвигался к эксплуатационной скважине. Окислитель, закачиваемый в формацию, может проходить через формацию вдоль линий разлома в формации. Воспламенение окислителя может не приводить к фронту горения, который равномерно продвигается через формацию.

Кроме того, известно использование беспламенной горелки для сжигания топлива, которое вводится в нагретую скважину. В патентах США №№ 5255742 (Микус), 5404952 (Вайнгар и др.), 5862858 (Веллингтон и др.) и 5899269 (Веллингтон и др.), которые включены со ссылкой, как будто они полностью изложены в этом изобретении, описаны беспламенные горелки. Беспламенное горение может быть осуществлено посредством подогрева топлива и воздуха для сжигания до температуры выше температуры самовоспламенения смеси. Для осуществления сжигания топливо и воздух можно смешивать в зоне нагревания. В зоне нагревания беспламенной горелки может быть предусмотрена каталитическая поверхность, для того чтобы снизить температуру самовоспламенения смеси топлива и воздуха. В этих известных беспламенных горелках топливо и окислитель вводят в нагретую скважину через отдельные питающие трубопроводы, или в виде смеси, через один питающий трубопровод, в то время как дымовые газы выводятся на поверхность через вытяжной трубопровод, который может распола3 гаться коаксиально, вокруг трубопроводов подачи топлива и/или окислителя.

Кроме того, известно, что тепло можно подвести к формации от поверхностного нагревателя. В этом поверхностном нагревателе образуются дымовые газы, которые циркулируют через ствол скважины, чтобы нагреть формацию. Альтернативно, могут использоваться горелки на поверхности для того, чтобы нагреть текучую среду (флюид), транспортирующую тепло, которая проходит через ствол скважины, чтобы нагреть формацию. Примеры пламенных нагревателей или поверхностных горелок, которые могут быть использованы для нагрева подземной формации, проиллюстрированы в патентах США 6056057 (Вайнгар и др.) и 6079499 (Микус и др.), которые оба полностью введены в описание, как ссылки.

Согласно ограничительной части пп. 1 и 8, устройство и способ известны из патента США 3010513. В известном устройстве формация вокруг нагревающей скважины растрескивается, и трещины заполняются горючим твердым веществом и расклинивающим наполнителем. В известном устройстве в окружающей формации создаются нерегулярные нагревающие структуры, так как разломы имеют нерегулярную длину и форму.

Недостатком известных поверхностных и размещаемых в скважине нагревателей, в которых топливо, окислитель и/или дымовые газы циркулируют через нагревающую скважину, является то, что корпус и другие трубопроводы в нагревающей скважине должны быть изготовлены из жаростойкой марки стали, причем в особенности корпус подвергается воздействию больших сил сжатия, в результате термического расширения окружающей формации. Поэтому корпус в нагревающей скважине должен быть изготовлен из дорогостоящей марки нержавеющей стали, обладающей жаростойкостью и коррозионной стойкостью. Кроме того, для подачи топлива или для подачи электричества, если смонтирован электрический нагреватель, обычно требуется сложная инфраструктура, которая поэтому является дорогостоящей.

Недостатком известных способов внутрипластового горения является то, что в формации, содержащей углеводороды, создаются трещины нерегулярной структуры, и что окисляется только часть углеводородов, расположенная вблизи трещин, так что нагреваются только трещины, причем нерегулярным и неконтролируемым образом.

Целью настоящего изобретения является устранение недостатков известных способов внутрипластового горения, сжигания закачиваемого топлива и электрического нагревания, для того чтобы предоставить недорогой способ внутрипластового нагревания и устройство, которое передает контролируемое количество тепла равномерно во всю формацию.

Сущность изобретения

В соответствии с настоящим изобретением, устройство, которое передает тепло в формацию, окружающую скважину для подачи тепла и содержащую углеводороды, включает в себя источник окисляющего флюида;

трубопровод для подачи окислителя, расположенный в стволе скважины для подачи тепла, причем этот трубопровод имеет конфигурацию, которая обеспечивает подачу окисляющего флюида из источника окисляющего флюида в реакционную зону в процессе эксплуатации формации, причем окисляющий флюид выбирают таким образом, чтобы он окислял, по меньшей мере, часть углеводородов в формации, вблизи зоны ствола скважины в процессе эксплуатации, так чтобы тепло генерировалось в реакционной зоне;

и трубопровод для вывода дымовых газов, расположенный в стволе скважины для подачи тепла, для пропускания дымовых газов через ствол скважины для подачи тепла, с выводом из реакционной зоны, причем трубопровод для подачи окислителя имеет конфигурацию, которая обеспечивает подачу окисляющего флюида через реакционную зону посредством диффузии в газовой фазе и/или конвекции.

Предпочтительно, устройство имеет такую конфигурацию, которая обеспечивает передачу тепла от реакционной зоны к выбранным секциям формации в процессе эксплуатации в основном за счет теплопроводности.

Кроме того, предпочтительно, чтобы трубопроводы для подачи окислителя и для вывода дымовых газов были оборудованы устройствами регулирования давления, которые контролируют давление в реакционной зоне таким образом, чтобы значительная часть дымовых газов, образовавшихся в реакционной зоне, выводилась на поверхность земли через трубопровод для вывода дымовых газов.

В некоторых случаях может быть использовано устройство для создания давления, для того чтобы обеспечить вывод части дымовых газов на поверхность земли, причем другая часть газов проникает в реакционную зону. Это может обеспечить более высокое давление в стволе скважины, чем в области вдали от ствола скважины. Этот перепад давлений может привести к ускоренному транспорту окисляющего флюида в реакционную зону и/или к увеличению его количества, в результате чего обеспечивается повышенное выделение тепла из реакционной зоны.

Целесообразно, чтобы трубопровод подачи окислителя и трубопровод для вывода дымовых газов проходили коаксиально относительно друг друга из ствола нагревающей скважины в формацию, содержащую углеводороды; причем трубопровод подачи окислителя простирается из нижнего конца трубопровода подачи окисли5 теля, по меньшей мере, через значительную часть формации, содержащей углеводороды, а выступающая нижняя часть трубопровода подачи окислителя снабжена совокупностью отверстий для ввода окислителя, через которые применяемый окислитель впрыскивается с околозвуковой или сверхзвуковой скоростью в кольцевое пространство между трубопроводом подачи окислителя и реакционной зоной.

Трубопровод для ввода окислителя может представлять собой трубу для подачи воздуха, которая снабжена воздушным компрессором, причем каждый трубопровод для подачи воздуха и трубопровод для вывода дымовых газов может быть оборудован клапаном, регулирующим давление в кольцевом пространстве между перфорированной нижней частью трубопровода для ввода окислителя и реакционной зоной, так чтобы указанное давление практически было равно давлению в скважине, по меньшей мере, в части соседней формации, содержащей углеводороды, и замедлялся переход дымовых газов в эту формацию. Однако в некоторых случаях можно допустить частичное проникновение дымовых газов в формацию, для того чтобы ускорить переход окисляющего флюида в реакционную зону и увеличить выделение тепла в формации.

Для пуска или поддержания процесса горения в формации нагревающая скважина может быть снабжена электрическим нагревателем для передачи тепла в реакционную зону или трубопроводом для ввода топлива для подачи в реакционную зону дополнительного количества топлива.

Подробное описание изобретения

Изобретение будет описано более подробно с помощью примеров, со ссылкой на сопровождающие чертежи, в которых на фиг. 1 продемонстрировано воплощение изобретения с естественным расположением источника тепла с камерой сгорания.

На фиг. 2 показана часть перекрытия формации с источником тепла.

На фиг. 3 и 4 - варианты воплощения естественного расположения нагревателя с камерой сгорания; и на фиг. 5 и 6 - варианты воплощения устройства для нагревания формации.

Согласно изобретению формация, содержащая углеводороды, нагревается за счет окисления углеводородов на месте в формации, окружающей скважину для подачи тепла; это устройство также называется системой нагревания с естественным расположением камеры сгорания (ΝΏΟ). Выделенное тепло может быть передано путем конвекции в часть формации, окружающей нагревающую скважину для ее нагревания, в то время как переход дымовых газов из реакционной зоны в формацию замедляется или частично замедляется.

Температура, достаточная для поддержания окисления, может составлять, например, по меньшей мере около 200 или 250°С. Однако температура, достаточная для поддержания окисления, будет иметь тенденцию к изменению, например, в зависимости от состава углеводородов в формации, содержащей углеводороды. До нагревания формации из нее может быть удалена вода. Например, можно откачать воду из формации с помощью скважин, отводящих воду. Нагретая часть формации может находиться вблизи или практически рядом с выработкой в формации, содержащей углеводороды. Выработкой в формации может быть нагревающая скважина, образовавшаяся в формации. Нагревающая скважина может быть сформирована по любому из вариантов воплощения, описанных в изобретении. Нагретая часть формации, содержащей углеводороды, может простираться в радиальном направлении от выработки в ширину приблизительно от 0,5 до 1,2 м. Однако эта ширина также может быть меньше, чем приблизительно 0,9 м. Ширина нагретой части формации может изменяться. В некоторых вариантах воплощения это изменение будет зависеть, например, от ширины, которая необходима для генерации достаточного количества тепла в ходе окисления углерода, для того чтобы поддерживать процесс окисления без предоставления тепла из дополнительного источника тепла.

После того как часть формации нагреется до температуры, достаточной для поддержания окисления, в выработку может подаваться окисляющий флюид для окисления, по меньшей мере, части углеводородов в реакционной зоне или в зоне источника тепла, внутри формации. При окислении углеводородов в реакционной зоне будет выделяться тепло. В большинстве вариантов воплощения выделенное тепло будет передаваться из реакционной зоны в зону пиролиза формации. В некоторых вариантах воплощения выделенное тепло будет передаваться с интенсивностью приблизительно между 650 и 1650 Вт на 1 м, при измерении по глубине реакционной зоны. При окислении, по меньшей мере, части углеводородов в формации количество энергии, подаваемой к нагревателю для первоначального подогрева, может быть снижено или энергия может быть отключена. В результате, могут быть существенно снижены затраты на подаваемую энергию, и тем самым обеспечивается существенно более эффективная система для нагрева формации.

В одном варианте воплощения трубопровод может быть расположен в выработке, для того чтобы обеспечить подачу окисляющего флюида в выработку. Трубопровод может иметь отверстия для потока или другие устройства для регулирования потока (например, прорези, измерители Вентури, клапаны и др.), чтобы обеспечить поступление окисляющего флюида в выработку. Термин «отверстия» включает от

Ί верстия, имеющие самые разнообразные формы сечения, включая (но не ограничиваясь ими) круглые, овальные, квадратные, прямоугольные, треугольные, щелевые, или другие правильной или неправильной формы. Проточные отверстия могут представлять собой отверстия критического сечения, через которые флюиды вытекают с высокой скоростью, например сверхзвуковой, обеспечивая практически постоянный поток окисляющего флюида в выработку, независимо от давления внутри нее.

В некоторых вариантах воплощения количество проточных отверстий, которые могут быть сформированы или подсоединены к трубопроводу, может быть ограничено диаметром отверстий и желаемым расстоянием между отверстиями по длине трубопровода. Например, когда диаметр отверстий уменьшается, количество отверстий может увеличиваться и наоборот. Кроме того, когда увеличивается желаемое расстояние между отверстиями, количество проточных отверстий может снижаться и наоборот. Диаметр отверстий может определяться, например, давлением в трубопроводе и/или желаемой скоростью потока через отверстия. Например, для скорости потока приблизительно 1,7 нормальных кубометров в минуту (куб. м/мин) при абсолютном давлении приблизительно 7 бар, диаметр отверстий может быть около 1,3 мм, а расстояние между отверстиями приблизительно 2 м.

Для отверстий меньшего диаметра будет существовать тенденция к более легкому закупориванию, чем для отверстий большего диаметра, например, из-за наличия загрязнений в текучей среде на входе или осаждения твердого вещества внутри или вблизи отверстий. В некоторых вариантах воплощения количество и диаметр отверстий можно подобрать таким образом, чтобы можно было получить более равномерный или почти однородный температурный профиль нагревания по всей глубине формации, внутри разработки. Например, глубина нагретой формации, которая предположительно, имеет приблизительно однородный температурный профиль нагревания, может быть больше, чем приблизительно 300 м, или даже больше, чем приблизительно 600 м. Однако эта глубина может изменяться, например, в зависимости от типа нагреваемой формации и/или желаемого уровня производительности.

В некоторых вариантах воплощения проточные отверстия могут быть размещены спиралеобразно вокруг трубопровода внутри разработки. Проточные отверстия могут быть размещены по спирали на расстоянии приблизительно от 0,3 до 3 м между отверстиями. В некоторых вариантах воплощения это расстояние может составлять приблизительно от 1 до 2 м, или например, около 1,5 м.

Поток окисляющего флюида в разработку можно регулировать таким образом, чтобы контролировать скорость окисления в реакционной зоне. Кроме того, окисляющий флюид может охлаждать трубопровод, чтобы он незначительно нагревался при окислении.

На фиг. 1 продемонстрировано воплощение изобретения с естественным расположением камеры сгорания, имеющей конфигурацию для нагревания формации, содержащей углеводороды. Трубопровод 512 можно поместить в разработку 514 в формации 516. Трубопровод 512 может иметь внутреннюю трубу 513. Источник 508 окисляющего флюида может обеспечить подачу окисляющего флюида 517 во внутреннюю трубу 513. По длине внутренней трубы 513 могут находиться отверстия 515 критического потока. Эти отверстия критического потока могут быть расположены по спирали (или любым другим образом) вдоль длины внутренней трубы 513 в разработке 514. Например, отверстия 515 критического потока могут быть расположены по спирали на расстоянии приблизительно от 1 до 2,5 м между соседними отверстиями. Кроме того, отверстия 515 критического потока могут быть скомпонованы, как описано ниже. Внутренняя труба 513 на дне может быть запаяна. Окисляющий флюид 517 может подаваться в разработку 514 через отверстия 515 критического потока внутренней трубы 513.

Отверстия 515 критического потока могут быть выполнены таким образом, чтобы через каждое отверстие критического потока подавался поток окисляющего флюида 517с одинаковой скоростью. Кроме того, отверстия 515 критического потока могут обеспечить практически равномерный поток окисляющего флюида 517 по длине трубопровода 512. Такой поток может обеспечить практически равномерный нагрев формации 516 по длине трубопровода 512.

Насыпной материал 542 может ограждать трубопровод 512 в перекрытии 540 формации. Насыпной материал 542 может практически ингибировать поток флюидов из разработки 514 на поверхность 550. Насыпной материал 542 может включать в себя любой материал, который может иметь конфигурацию, предотвращающую поток флюидов на поверхность 550, например, цемент, песок и/или гравий.

Обычно продукты 519 окисления входят в трубопровод 512 из разработки 514. Продукты 519 окисления могут содержать диоксид углерода, оксиды азота, оксиды серы, монооксид углерода и/или другие продукты, образующиеся при взаимодействии кислорода с углеводородами и/или углеродом. Продукты 519 окисления могут быть удалены через трубопровод 512 на поверхность 550. Продукты 519 окисления могут вытекать вдоль поверхности реакционной зоны 524 в разработку 514 до ближайшего верхнего края разработки 514, где продукты 519 окисления могут выходить через трубопровод 512. Продукты 519 окисления могут также удаляться через один или несколько трубопрово9 дов, расположенных в разработке 514 и/или в формации 516. Например, продукты 519 окисления могут быть удалены через второй трубопровод, расположенный в разработке 514. Удаление продуктов 519 окисления через трубопровод может практически ингибировать утечку продуктов 519 окисления в эксплуатационную скважину, расположенную в формации 516. Отверстия 515 критического потока также могут иметь такую конфигурацию, которая практически ингибирует поступление продуктов 519 окисления во внутреннюю трубу 513.

Скорость потока 519 продуктов окисления может быть сбалансирована со скоростью потока окисляющего флюида 517, для того чтобы поддерживать практически постоянное давление внутри выработки 514. При длине нагретой секции, равной 100 м, скорость потока окисляющего флюида может составлять приблизительно от 0,5 до 5 нормальных кубометров/мин, или приблизительно от 1,0 до 4,0 норм. кубометров/мин. Давление в выработке может составлять, например, приблизительно 8 абс. бар. Окисляющий флюид может окислять, по меньшей мере, часть углеводородов в нагретой части 518 формации 516, содержащей углеводороды, в реакционной зоне 524. Нагретая часть 518 формации сначала может быть нагрета до температуры, достаточной для поддержания окисления электрическим нагревателем, как показано на фиг. 5, или с помощью любого другого подходящего устройства или способа, описанного в этом изобретении. В некоторых вариантах воплощения электрические нагреватели могут быть размещены внутри или связаны с наружной частью трубопровода 513.

В некоторых вариантах воплощения выгодно регулировать давление внутри выработки 514, для того чтобы предотвратить утечку продуктов окисления и/или окисляющего флюида в зону пиролиза формации. Для достижения этой цели в некоторых случаях давление внутри выработки 514 будет уравновешиваться давлением внутри формации. В других вариантах воплощения допускается, чтобы часть продуктов сгорания поступала в формацию, для того, чтобы создавалась разность давлений, которая приводит к увеличению потока окисляющего флюида в направлении реакционной зоны, и в результате, увеличивается скорость выделения тепла.

Хотя тепло процесса окисления передается в формацию, поток 519 продукта окисления (и избыток окисляющего флюида, такого как воздух) через формацию и/или в эксплуатационную скважину внутри формации 516 можно существенно подавить. Вместо этого, продукты 519 окисления (и избыток окисляющего флюида) удаляются (например, через трубопровод, такой как трубопровод 512), как описано в этом изобретении. Таким образом, тепло переносится в формацию из процесса окисления, но воздействие зоны пиролиза на продукты 519 окисления и/или окисляющий флюид можно практически подавить и/или частично или полностью предотвратить.

В некоторых вариантах воплощения часть продуктов пиролиза вблизи реакционной зоны 524 также может быть окислена в реакционной зоне 524 в добавление к углероду. Окисление продуктов пиролиза в реакционной зоне 524 может обеспечить дополнительный нагрев формации 516. Когда происходит такое окисление продуктов пиролиза, желательно, чтобы продукты окисления удалялись из такого процесса окисления (например, через трубопровод, такой как трубопровод 512) вблизи реакционной зоны, как описано в этом изобретении, тем самым предотвращается загрязнение других продуктов пиролиза в формации продуктами окисления.

Трубопровод 512 может иметь такую конфигурацию, чтобы удалять продукты 519 окисления из разработки 514 в формации 516. Окисляющий флюид 517 во внутренней трубе 513, как таковой, может быть нагрет за счет теплообмена продуктами 519 окисления в перекрытии секции 540 в трубопроводе 512. Продукты 519 окисления можно охладить за счет передачи тепла окисляющему флюиду 517. Таким образом, окисление углеводородов внутри формации 516 может улучшать термическую эффективность процесса.

Окисляющий флюид 517 может транспортироваться через реакционную зону 524 или зону источника тепла за счет диффузии в газовой фазе и/или конвекции. Диффузия окисляющего флюида 517 через реакционную зону 524 может быть более эффективной при относительно высокой температуре окисления. Диффузия окисляющего флюида 517 может предотвращать развитие локального перегрева и образование «горячих пятен» в формации. Диффузия окисляющего флюида через формацию 516 обычно представляет собой процесс массопереноса. В отсутствии внешнего воздействия скорость диффузии окисляющего флюида 517 может зависеть от коэффициента диффузии окисляющего флюида 517 через формацию 516. Коэффициент диффузии можно определить с помощью измерений или путем расчета на основе кинетической теории газов. Вообще, окисляющий флюид 517 может перемещаться за счет хаотического движения через формацию 516 из области высокой концентрации в область низкой концентрации. Конвекция окисляющего флюида из вводящих отверстий в реакционную зону будет определяться перепадом давлений между скважиной и реакционной зоной на основе законов течения флюида через пористые среды.

Со временем, когда углеводороды окисляются, реакционная зона может медленно расширяться в радиальном направлении до большего диаметра внутри разработки. Во многих вариантах воплощения может сохраняться приблизительно постоянная ширина реакционной зоны

524. Например, реакционная зона 524 может расширяться радиально со скоростью меньше, чем приблизительно 0,91 м/год для формации, содержащей углеводороды. Например, для формации, содержащей углерод, реакционная зона 524 может расширяться радиально со скоростью приблизительно от 0,5 до 1 м/год. Для формации, содержащей битуминозные сланцы, реакционная зона 524 может расширяться радиально со скоростью приблизительно 2 м в первый год, и с меньшей скоростью в последующие годы изза увеличения объема реакционной зоны 524 при радиальном расширении реакционной зоны 524. Такая пониженная скорость может составлять приблизительно от 1 м/год до 1,5 м/год. Реакционная зона 524 может расширяться с пониженной скоростью для формаций, с большим содержанием углеводородов (например, угля) и с повышенной скоростью для формаций, с большим содержанием неорганических материалов (например, битуминозных сланцев), поскольку в объеме формаций с большим содержанием углеводородов имеется больше углеводородов, доступных для горения.

Скорость потока окисляющего флюида 517 в выработку 514 может увеличиваться, когда возрастает диаметр реакционной зоны 524, для того, чтобы поддерживать практически стационарное значение скорости окисления в единице объема. Таким образом, внутри реакционной зоны 524 может поддерживаться практически постоянная температура. Значение температуры внутри реакционной зоны 524 может составлять приблизительно от 650 до 900°С, или например, около 760°С.

Температура внутри реакционной зоны 524 может изменяться, например, в зависимости от желаемой скорости нагрева выбранной секции 526. Температура внутри реакционной зоны 524 может повышаться или понижаться за счет увеличения, или соответственно снижения, скорости потока окисляющего флюида 517 в выработку 514. Однако температура трубопровода 512, внутренней трубы 513 и/или металлических материалов внутри выработки 514 не может превышать температуру, при которой металлические материалы могут начать деформироваться или подвергаться быстрой коррозии.

Увеличение диаметра реакционной зоны 524 может обеспечить относительно быстрый нагрев формации 516, содержащей углеводороды. При увеличении диаметра реакционной зоны 524 также может возрастать количество тепла, выделяющегося в единицу времени в реакционной зоне 524. Увеличение количества тепла, выделяющегося в единицу времени в реакционной зоне, во многих случаях может обеспечить повышенную скорость нагрева формации 516 в течение некоторого времени, даже без повышения температуры в реакционной зоне или температуры в трубе 513. Таким образом, со временем может быть достигнута повышенная скорость нагрева без монтажа дополнительных источников тепла и без повышения температуры. В некоторых вариантах воплощения может быть увеличена скорость нагрева, хотя допускается снижение температуры (часто снижение температуры позволяет продлить срок службы используемого оборудования).

При использовании в качестве топлива углерода из формации естественно распределенная камера сгорания позволяет существенно снизить энергетические затраты. Таким образом, может быть разработан экономичный способ нагревания формаций, эксплуатация которых при других способах нагревания была бы экономически нецелесообразной. Кроме того, по всей протяженной области формации 516 можно разместить меньшее количество нагревателей. Это может обеспечить снижение затрат на оборудование, связанное с нагреванием формации 516.

Выделенное в реакционной зоне 524 тепло может передаваться за счет теплопроводности отдельных областей 526 формации 516. Кроме того, выделенное тепло может в меньшей степени передаваться из реакционной зоны отдельным участкам за счет конвекции. Отдельные области 526, которые иногда называются «зоной пиролиза», могут находиться практически рядом с реакционной зоной 524. Поскольку продукты окисления (и избыток окисляющего флюида, такого как воздух) обычно удаляются из реакционной зоны, зона пиролиза может принимать тепло из реакционной зоны без воздействия на нее продуктов окисления или окислителей, которые находятся в реакционной зоне. Продукты окисления и/или окисляющий флюид могут вызвать образование нежелательных продуктов, если они присутствуют в зоне пиролиза. Например, в некоторых вариантах воплощения желательно осуществлять пиролиз в восстановительной среде. Таким образом, обычно полезно допустить переход тепла из реакционной зоны в зону пиролиза при подавлении или предотвращении проникновения продуктов окисления и/или окисляющего флюида в зону пиролиза.

Пиролиз углеводородов или другие процессы, контролируемые поступлением тепла, могут протекать в выбранной нагретой области 526. Выбранная область 526 может быть нагрета до температуры пиролиза приблизительно между 270 и 400°С. Температуру в выбранной области 526 можно повысить за счет теплопередачи из реакционной зоны 524. Скорость повышения температуры можно выбрать, как указано в любом из вариантов воплощения этого изобретения. Температуру в формации 516, в выбранной области 526 и/или в реакционной зоне 524 можно регулировать таким образом, чтобы можно было практически предотвратить образование оксидов азота. Обычно оксиды азота образуются при температуре приблизительно выше 1200°С.

Температуру внутри разработки 514 можно контролировать с помощью термопары, расположенной в разработке 514. Температуру внутри разработки 514 можно контролировать таким образом, чтобы поддерживать ее внутри выбранного интервала. Этот выбранный интервал может изменяться, например, в зависимости от желаемой скорости нагревания формации 516. Температуру в выбранном интервале можно поддерживать путем повышения или снижения скорости потока окисляющего флюида 517. Например, если температура внутри разработки 514 падает ниже выбранного интервала температуры, можно увеличить скорость потока окисляющего флюида 517 для того, чтобы усилить сгорание и тем самым повысить температуру внутри разработки 514. Альтернативно, термопара может быть расположена в трубопроводе 512 и/или на границе реакционной зоны 524 с соответствующим контролем температуры.

В некоторых вариантах воплощения одна или несколько естественно распределенных камер сгорания могут быть расположены вдоль продуктивной скважины и/или горизонтально. В этом случае существует тенденция к снижению перепада давлений вдоль нагретой части скважины, тем самым облегчается более равномерный нагрев разработки и улучшается контроль процесса.

В некоторых вариантах воплощения можно контролировать наличие воздуха или молекулярного кислорода О₂ в продуктах окисления 519. Альтернативно, в продуктах 519 окисления можно контролировать количество азота, монооксида углерода, диоксида углерода, оксидов азота, оксидов серы и др. Контроль состава и/или количества продуктов 519 окисления может применяться для расчета теплового баланса, диагностики процесса, регулирования процесса и т. п.

На фиг. 2 показан вариант воплощения части перекрытия с естественно расположенной камерой сгорания, которая описана на фиг. 1. Корпус 541 перекрытия может быть расположен в перекрытии 540 формации 516. Корпус 541 перекрытия может быть в значительной степени окружен материалами (например, таким изолирующим материалом, как цемент), которые могут практически предотвращать нагревание перекрытия 540. Корпус 541 перекрытия может быть выполнен из металлического материала, такого как углеродистая сталь, без ограничения этим материалом.

Корпус перекрытия может быть расположен в усиливающем материале 544, в перекрытии 540. Усиливающий материал 544 может быть, например, цементом, песком, бетоном, и т.п. Насыпной материал 542 может быть расположен между корпусом 541 перекрытия и разработкой 514 в формации 516. Насыпной материал

542 может представлять собой любой практически непористый материал (например, цемент, бетон, цементный раствор и т.п.). Насыпной материал 542 может предотвращать поток флюида за пределы трубопровода 512 и между разработкой 514 и поверхностью 550. Внутренняя труба 513 может обеспечить поступление флюида в разработку 514 в формации 516. Продукты сгорания (или избыток окисляющего флюида) из разработки 514 в формации 516 могут удаляться по трубопроводу 512. Диаметр трубопровода 512 можно определить по количеству продуктов сгорания, образовавшихся при окислении в естественно расположенной камере сгорания. Например, для большего количества продуктов сгорания, образовавшихся в естественно расположенной камере сгорания, потребуется труба большего диаметра.

В альтернативном варианте воплощения, по меньшей мере, часть формации может быть нагрета до такой температуры, при которой, по меньшей мере, часть формации, содержащей углеводороды, можно превратить в кокс и/или уголь. Кокс и/или уголь может сформироваться при температурах приблизительно выше 400°С и при высокой скорости нагревания (например, приблизительно выше 10°С в сутки). В присутствии окисляющего флюида кокс или уголь будут окисляться. При окислении кокса или угля может выделяться тепло, как описано в любом из вариантов воплощения этого изобретения.

На фиг. 3 продемонстрирован вариант воплощения естественного расположения нагревателя с камерой сгорания. Изолированный проводник 562 может быть соединен с трубопроводом 532 и расположен в разработке 514 в формации 516. Изолированный проводник 562 может быть расположен внутри трубопровода 532 (тем самым обеспечивается способность к восстановлению изолированного проводника 562) или альтернативно соединен с наружной поверхностью трубопровода 532. Такой изолирующий материал может включать в себя минералы, керамику и др. Трубопровод 532 может иметь отверстия 515 критического потока, расположенные по длине трубы внутри разработки 514. Отверстия 515 критического потока могут иметь описанную выше конфигурацию. Для выделения тепла излучения в разработке 514 можно пропускать электрический ток через изолированный проводник 562. Трубопровод 532 может иметь конфигурацию, которая служит для возвращения тока. Изолированный проводник 562 может иметь конфигурацию, чтобы обеспечить нагрев части 518 формации до температуры, которая достаточна для поддержания окисления углеводородов. Часть 518 формации, реакционная зона 524 и выбранная область 526 могут иметь характеристики, описанные в этом изобретении. Такая температура может включать температуры, описанные в этом изобретении.

Источник 508 окисляющего флюида может обеспечивать подачу окисляющего флюида в трубопровод 532. Окисляющий флюид может поступать в разработку 514 через отверстия 515 критического потока в трубопроводе 532. Окисляющий флюид может окислять по меньшей мере часть формации, содержащей углеводороды, в реакционной зоне 524. Реакционная зона 524 может иметь характеристики, которые указаны в этом изобретении. Тепло, выделенное в реакционной зоне 524, может передаваться выбранной области 526, например, путем конвекции, излучения и/или теплопроводности. Продукт окисления может быть удален через отдельный трубопровод, расположенный в разработке 514, или через отверстие 543 (на фиг. не показан) в корпусе 451 перекрытия. Отдельный трубопровод может иметь конфигурацию, как описано в этом изобретении. Насыпной материал 542 и усиливающий материал 544 могут иметь конфигурацию, как описано в этом изобретении.

На фиг. 4 продемонстрирован вариант воплощения естественно расположенной камеры сгорания с добавленным топливным трубопроводом. Топливный трубопровод 536 может быть расположен в разработке 514. В определенных вариантах воплощения он может быть расположен в непосредственной близости к трубопроводу 533. По длине топливного трубопровода 536 могут иметься отверстия 535 критического потока внутри разработки 514. По длине трубопровода 533 могут иметься отверстия 515 критического потока внутри разработки 514. Отверстия 515 критического потока могут иметь конфигурацию, как описано в этом изобретении. Отверстия 535 критического потока и отверстия 515 критического потока могут быть размещены соответственно в топливном трубопроводе 536 и в трубопроводе 533 таким образом, чтобы поток топлива, поступающего через топливный трубопровод 536, и окисляющего флюида, поступающего через трубопровод 533, не могли значительно нагреть топливный трубопровод 536 и/или трубопровод 533 в процессе горения. Например, топливо и окисляющий флюид могут взаимодействовать при контакте потоков, и при этом выделяется теплота реакции. Теплота этой реакции может нагреть топливный трубопровод 536 и/или трубопровод 533 до температуры, которая достаточна для начала фактического плавления металлических материалов топливного трубопровода 536 и/или трубопровода 533, если реакция протекает вблизи топливного трубопровода 536 и/или трубопровода 533. Поэтому при проектировании расположения отверстий 535 критического потока в топливном трубопроводе 536 и отверстий 515 критического потока в трубопроводе 533 следует размещать отверстия таким образом, чтобы поток топлива и окисляющего флюида не могли прореагировать в значительной степени вблизи трубопроводов. Например, трубопроводы 536 и 533 могут быть соединены механически, так чтобы отверстия были ориентированы в противоположном направлении, и так чтобы отверстия были обращены к формации 516.

При взаимодействии потока топлива с окисляющим флюидом выделяется тепло. Топливный поток и окисляющий флюид могут иметь характеристики, описанные ниже. Топливный поток может представлять собой, например, природный газ, этан, водород или синтетический газ, который образуется в способе «на месте», в другой части формации. Выделившееся тепло может быть отработано таким образом, чтобы нагреть часть 518 формации до температуры, которая достаточна для поддержания окисления углеводородов. При нагреве части 518 формации до температуры, которая достаточна для поддержания окисления углеводородов, поток топливного флюида в выработку можно снизить или отключить. Альтернативно, можно продолжать подачу топлива в процессе нагрева формации, и в результате тепло, накопленное в углероде, будет использовано для поддержания температуры в разработке 514 выше температуры самовоспламенения топлива.

Окисляющий флюид может окислять, по меньшей мере, часть углеводородов в реакционной зоне 524. Выделенное тепло будет передаваться выбранной области 526, например, путем конвекции, излучения и/или теплопроводности. Продукт окисления может быть удален через отдельный трубопровод, расположенный в разработке 514, или через отверстие 543 (на фиг. не показан) в корпусе 541 перекрытия. Насыпной материал 542 и усиливающий материал 544 могут иметь конфигурацию, как описано в этом изобретении.

На фиг. 5 продемонстрирован вариант воплощения устройства, скомпонованного для нагревания формации, содержащей углеводороды. Электрический нагреватель 510 может быть расположен внутри разработки 514 в формации 516, содержащей углеводороды.

Разработка 514 может быть сформирована путем перекрытия 540 в формации 516. Разработка 514 может иметь диаметр, по меньшей мере, 5 см. Например, разработка 514 может иметь диаметр около 13 см. Электрический нагреватель 510 может нагревать, по меньшей мере, часть 518 формации 516, содержащей углеводороды, до температуры, которая достаточна для поддержания окисления (например, 260°С). Часть 518 формации может иметь ширину приблизительно 1 м. Окисляющий флюид (например, жидкий или газообразный) может подаваться в выработку через трубопровод 512 или любое другое подходящее устройство для транспорта флюида. Трубопровод 512 может иметь отверстия 515 критического потока, расположенные по длине трубопровода. Отверстия

515 критического потока могут иметь конфигурацию, как описано в этом изобретении.

Например, трубопровод 512 может быть трубкой или трубопроводом, имеющим конфигурацию, которая обеспечивает подачу окисляющего флюида в разработку 514 из источника 508 окисляющего флюида. Например, трубопровод 512 может быть трубкой из нержавеющей стали. Окисляющий флюид может включать воздух или любой другой кислородсодержащий флюид (например, пероксид водорода, оксиды азота, озон). Смесь окисляющего флюида может включать, например, флюид, содержащий 50% кислорода и 50% азота. В некоторых вариантах воплощения окисляющий флюид также может включать соединения, которые выделяют кислород при нагревании, как описано в этом изобретении, такие как пероксид водорода. Окисляющий флюид может окислять, по меньшей мере, часть углеводородов в формации.

В некоторых вариантах воплощения теплообменник, расположенный снаружи формации, может иметь конфигурацию для нагревания окисляющего флюида. Нагретый окисляющий флюид может подаваться в разработку (непосредственно или косвенно) из теплообменника. Например, нагретый окисляющий флюид может подаваться из теплообменника в разработку по трубопроводу, расположенному в разработке и связанному с теплообменником. В некоторых вариантах воплощения трубопровод может представлять собой трубку из нержавеющей стали. Нагретый окисляющий флюид может иметь конфигурацию, обеспечивающую нагревание, или, по меньшей мере, может давать вклад в нагрев, по меньшей мере, части формации до температуры, которая достаточна для поддержания окисления углеводородов. После того как часть формации нагреется до такой температуры, можно ослабить (или выключить) нагрев окисляющего флюида в теплообменнике.

На фиг. 6 продемонстрирован другой вариант воплощения устройства, скомпонованного для нагревания формации, содержащей углеводороды. Теплообменник 520 может быть расположен снаружи разработки 514 в формации 516, содержащей углеводороды. Разработка 514 может быть сформирована путем перекрытия 540 в формации 516. Теплообменник 520 может доставлять тепло от другого процесса на поверхности, или он может включать нагреватель (например, электрический или нагреватель сжигания). Источник 508 окисляющего флюида может доставлять окисляющий флюид для теплообменника 520. Теплообменник 520 может нагревать окисляющий флюид (например, выше 200°С, или температуры, которая достаточна для поддержания окисления углеводородов). Нагретый окисляющий флюид может подаваться в разработку 514 по трубопроводу 521. Трубопровод

521 может иметь отверстия критического потока, которые расположены вдоль длины трубы. Отверстия 515 критического потока могут иметь конфигурацию, как описано в этом изобретении. Нагретый окисляющий флюид может нагревать или, по меньшей мере, давать вклад в нагрев, по меньшей мере, части 518 формации до температуры, которая достаточна для поддержания окисления углеводородов. Окисляющий флюид может окислять, по меньшей мере, часть углеводородов в формации.

В другом варианте воплощения топливный флюид может быть окислен в нагревателе, расположенном снаружи формации, содержащей углеводороды. Этот топливный флюид может быть окислен окисляющим флюидом в нагревателе. В качестве примера нагреватель может быть воспламенительным нагревателем. Топливный флюид может быть любым флюидом, способным взаимодействовать с кислородом. Примером топливного флюида может быть метан, этан, пропан или любой другой углеводород, или водород, или синтетический газ. Окисленный топливный флюид может подаваться в разработку из нагревателя по трубопроводу и возвращаться на поверхность по другому трубопроводу в перекрытии. Эти трубопроводы могут быть соединены внутри перекрытия. В некоторых вариантах воплощения эти трубопроводы могут быть расположены концентрично. Окисленный топливный флюид может иметь конфигурацию, обеспечивающую нагревание или, по меньшей мере, он дает вклад в нагрев, по меньшей мере, части формации до температуры, которая достаточна для поддержания окисления углеводородов. При достижении такой температуры окисленный топливный флюид может быть заменен на окисляющий флюид. Окисляющий флюид может окислять, по меньшей мере, часть углеводородов в реакционной зоне внутри формации.

Claims (13)

1. Устройство для передачи тепла в формацию, содержащую углеводороды, которая окружает скважину для подачи тепла, которое включает в себя источник окисляющего флюида;

трубопровод для подачи окислителя, расположенный в стволе скважины для подачи тепла, причем этот трубопровод имеет конфигурацию, которая обеспечивает подачу окисляющего флюида из источника окисляющего флюида в реакционную зону в процессе эксплуатации формации, причем окисляющий флюид выбирают таким образом, чтобы он окислял по меньшей мере часть углеводородов в формации вблизи зоны ствола скважины в процессе эксплуатации так, чтобы тепло генерировалось в реакционной зоне; и трубопровод для вывода дымовых газов, расположенный в стволе скважины для подачи тепла, для пропускания дымовых газов через ствол скважины для подачи тепла с выводом из реакционной зоны, отличающийся тем, что трубопровод для подачи окислителя имеет конфигурацию, которая обеспечивает подачу окисляющего флюида через реакционную зону посредством диффузии в газовой фазе и/или конвекции.

2. Устройство по п.1, которое имеет конфигурацию, обеспечивающую передачу тепла от реакционной зоны к выбранным секциям формации в процессе эксплуатации в основном за счет теплопроводности.

3. Устройство по п.1, в котором трубопроводы для подачи окислителя и для вывода дымовых газов оборудованы устройствами регулирования давления, которые контролируют давление в реакционной зоне таким образом, чтобы значительная часть дымовых газов, образовавшихся в реакционной зоне, выводилась на поверхность земли через трубопровод для вывода дымовых газов.

4. Устройство по п.1, в котором трубопровод подачи окислителя и трубопровод для вывода дымовых газов проходят коаксиально относительно друг друга из ствола нагревающей скважины в формацию, содержащую углеводороды, причем трубопровод подачи окислителя простирается из нижнего конца трубопровода подачи окислителя, по меньшей мере, через значительную часть формации, содержащей углеводороды, и выступающая нижняя часть трубопровода подачи окислителя снабжена совокупностью отверстий для ввода окислителя, через которые применяемый окислитель впрыскивается с околозвуковой или сверхзвуковой скоростью в кольцевое пространство между трубопроводом подачи окислителя и реакционной зоной.

5. Устройство по п.1, в котором трубопровод подачи окислителя представляет собой трубу для подачи воздуха, которая снабжена воздушным компрессором, причем каждый трубопровод для подачи воздуха и трубопровод для вывода дымовых газов может быть оборудован клапаном, регулирующим давление в кольцевом пространстве между перфорированной нижней частью трубопровода для ввода окислителя и реакционной зоной, так, чтобы указанное давление практически было равно давлению в скважине по меньшей мере в части окружающей формации, содержащей углеводороды, и замедлялся переход дымовых газов в эту формацию.

6. Устройство по любому одному из пп.1-5, в котором скважина для подачи тепла дополнительно содержит электрический нагреватель для передачи тепла в реакционную зону.

7. Устройство по любому одному из пп.1-5, в котором скважина для подачи тепла дополнительно содержит трубопровод ввода топлива для подачи топлива в реакционную зону.

8. Способ передачи тепла в формацию, содержащую углеводороды, которая окружает скважину для подачи тепла, который включает в себя ввод окислителя через трубопровод для подачи окислителя, расположенный в стволе скважины для подачи тепла, в реакционную зону в формации, стимулирование окисляющего флюида с целью окисления по меньшей мере части углеводородов в формации, вблизи ствола скважины, так чтобы в реакционной зоне генерировалось тепло и дымовые газы; и удаление по меньшей мере части дымовых газов через трубопровод для вывода дымовых газов из реакционной зоны, расположенный в стволе скважины для подачи тепла, отличающийся тем, что трубопровод для подачи окислителя обеспечивает подачу окисляющего флюида через реакционную зону посредством диффузии в газовой фазе и/или конвекции.

9. Способ по п.8, в котором тепло, выделенное в реакционной зоне, передается в основном за счет теплопроводности из реакционной зоны в зону пиролиза в формации, содержащей углеводороды, где пиролизуются углеводороды.

10. Способ по п.9, в котором через формацию, содержащую углеводороды, проходит одна или несколько эксплуатационных скважин на заданном расстоянии от скважины для подачи тепла, причем давление флюидов в скважине для подачи тепла и в каждой эксплуатационной скважине регулируется таким образом, чтобы стимулировать поток продуктов пиролиза углеводородов из зоны пиролиза, через формацию в эксплуатационную скважину или скважины, и чтобы предотвратить переход дымовых газов из реакционной зоны в любую эксплуатационную скважину.

11. Способ по пп.8, 9 или 10, в котором формация, содержащая углеводороды, представляет собой пласт угля.

12. Способ по пп.8, 9 или 10, в котором формация, содержащая углеводороды, представляет собой месторождение битуминозного сланца или битуминозного песка.

13. Способ по любому одному из пп.8-12, в котором скважину для подачи тепла предварительно нагревают с помощью электрического нагревателя до подачи окислителя в скважину для подачи тепла.