Способ и устройство для нагревания внутри формации, содержащей углеводороды, со вскрытием, соприкасающимся с земной поверхностью в двух местоположениях
Изобретение относится к способу и устройству для нагревания различных углеводородсодержащих формаций для получения углеводородов, водорода и/или других продуктов. Обеспечивает повышение эффективности способа и надежности устройства. Сущность изобретения: способ и устройство обеспечивают предоставление тепла, по меньшей мере, от одного или нескольких нагревателей в скважину в формации, в котором первый край скважины соприкасается с поверхностью земли в первом местоположении и в котором второй край скважины соприкасается с поверхностью земли во втором местоположении. Обеспечивают передачу тепла от скважины до, по меньшей мере, части формации, чтобы пиролизовать, по меньшей мере, часть углеводородов в формации. При этом снижают вероятность коксования части углеводородсодержащей формации и регулируют давление и температуру в этой формации для управления свойствами текучих сред в формации, регулирования в них доли конденсирующейся среды и предотвращения оседания формации. 2 н. и 43 з.п. ф-лы, 10 ил.
Область техники, к которой относится изобретение
Настоящее изобретение в основном относится к способу и устройству для нагревания различных углеводородсодержащих формаций с целью получения углеводородов, водорода и/или других продуктов. Определенные варианты воплощения относятся к нагреву подземных углеводородсодержащих формаций одним или несколькими нагревателями, которые предоставляют тепло вскрытию в формации. Это вскрытие месторождения может иметь первый край в первом положении на земной поверхности и второй край во втором положении на земной поверхности.
Уровень техники
Углеводороды, которые получают из подземных (например, осадочных) формаций, часто используют в качестве энергетических носителей, в качестве исходного сырья и продуктов потребления. Озабоченность в связи с истощением доступных углеводородных ресурсов и общим снижением качества полученных углеводородов привела к разработке способов более эффективного извлечения, переработки и/или использования доступных углеводородных ресурсов. Для извлечения углеводородсодержащих материалов из подземных формаций можно использовать способы обработки на месте (внутри формации). Для обеспечения более легкого извлечения углеводородного материала из подземной формации может возникнуть необходимость изменения химических и/или физических свойств углеводородного материала внутри подземной формации. Эти химические и физические изменения могут включать реакции на месте, в которых образуются извлекаемые текучие среды, изменения состава, изменения растворимости, изменения плотности, изменения фазового состояния и/или изменения вязкости углеводородного материала внутри формации. Текучая среда может представлять собой (но не ограничивается указанными) газ, жидкость, эмульсию, суспензию и/или поток твердых частиц, для которого характеристики течения подобны потоку жидкости.
Примеры способов обработки на месте с использованием расположенных в скважине нагревателей описаны в патентах США Лунгстрома: №№2634961, 2732195, 2780450, 2789805, 2923535 и Ван Меурсаи др. 4886118.
Для нагрева формации может быть использовано сжигание топлива. Сжигание топлива для нагрева формации может быть более экономичным, чем использование электрических нагревателей. В нескольких различных типах нагревателей сжигание топлива может быть использовано в качестве источника тепла, нагревающего формацию. Это сжигание может иметь место в формации, в скважине и/или вблизи поверхности. Сжигание в формации может представлять собой внутрипластовое горение. В формацию может закачиваться окислитель. Этот 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.
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, 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.).
Как отмечено выше, существует значительное число попыток разработки способов и систем экономичного производства углеводородов, водорода и/или других продуктов из углеводородсодержащих формаций. Однако в настоящее время еще имеется множество углеводородсодержащих формаций, для которых невозможно экономичное производство углеводородов, водорода и/или других продуктов. В некоторых формациях (например, формации с относительно тонкими углеводородными слоями, формации с относительно длинными горизонтальными углеводородными слоями и др.) применение горизонтальных нагревающих скважин может быть более благоприятно по экономическим соображениям. Существует потребность в устройствах и/или способах эффективного и относительно недорогого предоставления тепла из нагревающих скважин в углеводородсодержащую формацию. Кроме того, существует потребность в нагревающих скважинах, которые могут иметь конфигурацию, обеспечивающую размещение горелок и/или устройств окисления на поверхности, или у поверхности формации. Существует потребность в нагревающих скважинах, которые могут иметь такую конфигурацию, чтобы горячие текучие среды из горелок и/или устройств окисления могли проходить через нагревающую скважину из первого края нагревающей скважины и затем выходить из второго края нагревающей скважины.
Раскрытие изобретения
В одном варианте воплощения углеводороды внутри углеводородсодержащей формации (например, формации, содержащей уголь, нефтяные сланцы, тяжелые углеводороды или их сочетания) можно превратить на месте, внутри формации, получив смесь углеводородных продуктов относительно высокого качества, водорода, и/или другие продукты. Один или более источников тепла могут быть использованы для нагревания части углеводородов, содержащихся в формации, до температуры, при которой допускается пиролиз углеводородов. Углеводороды, водород, и другие текучие среды формации могут быть удалены из формации через одну или несколько продуктивных скважин. В некоторых вариантах воплощения текучие среды формации могут быть удалены в паровой фазе. В других вариантах воплощения текучие среды формации могут быть удалены в жидкой и паровой фазах или в жидкой фазе. В ходе пиролиза можно регулировать температуру и давление, по меньшей мере, в части формации, для того чтобы получить улучшенные продукты из формации.
В одном воплощении устройство и способ могут включать в себя вскрытие в формации, простирающееся от первого местоположения на поверхности земли до второго местоположения на поверхности земли. Источники тепла могут быть расположены внутри вскрытия, обеспечивая поступление тепла, по меньшей мере, в часть формации.
В этом вскрытии может быть расположен трубопровод, простирающийся от первого местоположения до второго местоположения. В одном воплощении источник тепла может быть расположен вблизи трубопровода и/или в нем, предоставляя тепло в этот трубопровод. Перенос тепла по трубопроводу может обеспечить поступление тепла в часть формации. В некоторых вариантах воплощения дополнительный нагреватель может быть расположен в дополнительном трубопроводе, предоставляя тепло в часть формации по дополнительному трубопроводу.
В некоторых вариантах воплощения формируется кольцевой зазор между стенкой вскрытия и стенкой трубопровода, расположенного внутри вскрытия, простирающегося от первого местоположения до второго местоположения. Источник тепла может быть расположен вблизи и/или в кольцевом зазоре, предоставляя тепло в часть вскрытия. Поданное тепло может передаваться через кольцевой зазор в часть формации.
Краткое описание чертежей
Преимущества настоящего изобретения могут стать очевидными для специалистов в этой области техники с помощью следующего подробного описания предпочтительных вариантов воплощения, со ссылкой на сопровождающие чертежи, в которых:
На фигуре 1 показана иллюстрация стадий нагревания углеводородсодержащей формации.
На фиг.2 приведен общий вид варианта воплощения части системы процесса конверсии на месте для обработки углеводородсодержащей формации.
На фиг.3 показано сечение области сгорания внутри скважины.
На фиг.4 показан вариант исполнения источника тепла для углеводородсодержащей формации.
На фиг.5 дано представление части системы компоновки трубопроводов для нагрева формации с использованием области сгорания внутри скважины.
На фиг.6 дано общее представление варианта нагревающей скважины, расположенной внутри углеводородсодержащей формации.
На фиг.7 показан вариант выполнения источника тепла, расположенного внутри углеводородсодержащей формации.
На фиг.8 дано общее представление варианта источника тепла, расположенного внутри углеводородсодержащей формации.
На фиг.9 показан вариант выполнения источника тепла в поверхностной области сгорания.
На фиг.10 показан вариант выполнения трубопровода для источника тепла с частью внутренней трубки, которая вырезана для показа центра трубки.
Хотя это изобретение допускает различные модификации и альтернативные формы, конкретные варианты его воплощения показаны с помощью примеров в чертежах и могут быть подробно описаны в них. Эти чертежи не могут быть сведены к определенному масштабу. Однако следует понимать, что чертежи и, кроме того, подробное описание не предназначаются для ограничения изобретения раскрытыми конкретными формами; напротив, намерением являлось изобретение охватить все модификации, эквиваленты и альтернативы, являющиеся частью замысла и объема настоящего изобретения, которое определено в прилагаемой формуле изобретения.
Подробное описание изобретения
Следующее ниже описание главным образом относится к устройствам и способам обработки углеводородсодержащей формации (например, углесодержащая формация, включая лигнит, сапропелитовый уголь и др., нефтяные сланцы, углеводородные сланцы, шунгиты, кероген, битум, нефть, кероген и нефть в малопроницаемой материнской породе, тяжелые углеводород, асфальтиты, природные минеральные воски, формации, в которых кероген блокирует добычу других углеводородов и др.), используя нагреватели U-образной формы, чтобы нагреть формацию. Такие формации могут быть обработаны таким образом, чтобы получить относительно высококачественные углеводородные продукты, водород, высокосортный уголь и другие продукты.
Термином «углеводороды» обычно определяют молекулы, которые образуются, главным образом, из атомов углерода и водорода. Кроме того, углеводороды могут включать в себя другие элементы, такие как (но не ограниченные указанными) галогены, металлические элементы, азот, кислород и/или сера. Углеводороды могут включать (но не ограничены) кероген, битум, пиробитум, нефть, природные минеральные воски и асфальтиты. Углеводороды могут быть расположены внутри или рядом с минеральными материнскими породами под землей. Материнская порода может включать (но не ограничивается) осадочные горные породы, пески, силицилиты, карбонаты, диатомиты и другие пористые среды. «Углеводородные текучие среды» представляют собой текучие среды, которые содержат углеводороды. Углеводородные текучие среды могут включать в себя, вовлекать или вовлекаться в неуглеводородные текучие среды (например, водород Н2, азот N2, монооксид углерода, диоксид углерода, сероводород, вода и аммиак).
«Формация» включает в себя один или несколько углеводородсодержащих слоев, один или несколько неуглеводородных слоев, перекрытых и/или подстилающих. «Перекрытые» и/или «подстилающие» слои включают в себя один или несколько различных типов непроницаемых материалов. Например, перекрытые и/или подстилающие слои могут включать в себя горные породы, глинистый сланец, аргиллит или влагонепроницаемый карбонат (то есть непроницаемый карбонат без углеводородов). В некоторых вариантах воплощения способов конверсии на месте перекрытые и/или подстилающие слои могут включать в себя углеводородсодержащие слои или углеводородсодержащие слои, которые относительно непроницаемы, и не подвергаются воздействию температуры во время переработки путем конверсии на месте, что приводит к существенным изменениям характеристик углеводородсодержащих покрывающих и/или подстилающих слоев. Например, подстилающий слой может содержать глинистый сланец или аргиллит. В некоторых случаях покрывающие и/или подстилающие слои могут обладать определенной проницаемостью.
Термины «текучие среды формации» и «полученные текучие среды» относятся к текучим средам, удаленным из углесодержащей формации, и могут включать текучие среды пиролиза, синтез-газ, подвижные углеводороды и воду (пар). Термин «мобилизованная текучая среда» относятся к текучим средам внутри формации, которые способны течь в результате термической обработки формации. Текучие среды формации могут включать в себя углеводородные текучие среды, а также неуглеводородные текучие среды.
«Источник тепла» представляет собой любую систему, обеспечивающую тепло, по меньшей мере, для части формации, практически за счет излучения и/или кондуктивной теплопроводности. Например, источник тепла может включать в себя электрические нагреватели, такие как изолированный проводник, удлиненный элемент и/или проводник, размещенные в изоляционной трубке. Кроме того, источник тепла может включать в себя источники тепла, в которых тепло выделяется за счет сжигания топлива вне или внутри формации, такие как поверхностные горелки, газовые горелки, расположенные в скважине, распределенные беспламенные области сгорания и естественно распределенные области сгорания. Кроме того, предполагается, что в некоторых вариантах воплощения тепло, предоставляемое или выделяющееся в одном или нескольких источниках тепла, может поступать из других источников энергии. Другие источники энергии могут непосредственно нагревать формацию или энергия может быть передана транспортным средам, которые непосредственно или косвенно нагревают формацию. Следует понимать, что в одном или более источниках тепла, которые подают тепло в формацию, могут использоваться различные источники энергии. Например, для данной формации некоторые источники тепла могут предоставлять тепло от нагревателей электрического сопротивления, некоторые источники тепла могут предоставлять тепло за счет сгорания и некоторые источники тепла могут предоставлять тепло от одного или нескольких других источников энергии (например, за счет химических реакций, солнечной энергии, ветровой энергии, энергии биомассы или других возобновляемых источников энергии). Химическая реакция может включать экзотермические реакции (например, реакция окисления). Тепловой источник может включать нагреватель, который предоставляет тепло в соседнюю зону и/или окружающую область нагрева, такую как нагревающую скважину.
«Нагреватель» представляет собой любую систему для выделения тепла в скважину или вблизи области скважины. Нагреватели могут представлять собой (но не ограничиваются) электронагреватели, горелки, области сгорания, которые взаимодействуют с материалом внутри формации или образуются в ней (например, естественно распределенные области сгорания) и/или их сочетания. Термин «модуль источников тепла» относится к ряду источников тепла, которые образуют фрагмент, который повторяется, создавая систему источников тепла внутри формации.
Термин «ствол скважины» относится к полости в формации, выполненной путем бурения или вставки трубопровода в формацию. Ствол скважины может иметь практически кольцевое поперечное сечение или другую форму сечения (например, круга, овала, прямоугольника, треугольника, щели или другой регулярной или нерегулярной формы). Используемый здесь термин «скважина» и «выработка», когда они относятся к вскрытию в формации, могут использоваться попеременно с термином «ствол скважины».
Термины «текучие среды пиролиза» или "продукты пиролиза" относятся к текучим средам, полученным, главным образом, во время пиролиза углеводородов. Текучая среда, полученная в процессе пиролиза, может смешиваться с другими текучими средами в формации. Эти смеси можно рассматривать как текучие среды пиролиза или продукты пиролиза. Используемый здесь термин "зона пиролиза" относится к объему формации (например, относительно проницаемая формация, такая как битуминозные пески), в которой протекает взаимодействие с образованием текучей среды пиролиза.
«Конденсирующиеся углеводороды» представляют собой углеводороды, которые конденсируются при температуре 25°С и абсолютном давлении 1 атм. Конденсирующиеся углеводороды могут включать смесь углеводородов, имеющих число атомов углерода больше чем 4. «Неконденсирующиеся углеводороды» представляют собой углеводороды, которые не конденсируются при температуре 25°С и абсолютном давлении 1 атм. Неконденсирующиеся углеводороды могут включать углеводороды, имеющие число атомов углерода меньше чем 5.
Углероды в формации могут быть обработаны различными способами, чтобы получить большое разнообразие продуктов. В некоторых вариантах воплощения такие формации могут быть обработаны в нескольких стадиях. Различные стадии нагрева углеводородсодержащей формации показаны на фиг.1. Кроме того, в качестве примера на фиг.1 представлена зависимость выхода (баррели нефтяного эквивалента на 1 т) (по оси ординат) текучей среды из углеводородсодержащей формации от температуры (в °С) формации (по оси абсцисс), когда формация нагревается с относительно малой скоростью.
Десорбция метана и испарение воды происходят в ходе нагрева на первой стадии. Нагревание формации на первой стадии может быть осуществлено по возможности быстро. Например, при первоначальном нагреве углеводородсодержащей формации углеводороды в формации могут десорбировать поглощенный метан. Десорбированный метан можно добывать из формации. В случае дальнейшего нагрева углеводородсодержащей формации вода может испариться из этой формации. В некоторых углеводородсодержащих формациях вода может занимать приблизительно между 10 и 50% объема пор в формации. В других формациях вода может занимать большую или меньшую часть объема пор. Обычно вода испаряется в формации приблизительно при температуре между 160 и 285°С при абсолютном давлении приблизительно от 6 до 70 бар (0,6-7 МПа). В некоторых вариантах воплощения испарившаяся вода может вызвать изменения смачиваемости формации и/или увеличение давления в формации. Изменения смачиваемости и/или увеличение давления могут влиять на процесс пиролиза или на другие процессы в формации. В определенных вариантах воплощения испарившаяся вода может быть удалена из формации. В других вариантах воплощения испарившаяся вода может быть использована для регулирования отбора пара и/или дистилляции в формации или вне формации. Удаление воды из формации и увеличение объема пор в формации могут увеличить пространство для хранения углеводородов внутри объема пор.
После нагрева на первой стадии формация может быть нагрета выше, для того чтобы температура внутри формации достигла (по меньшей мере) начальной температуры пиролиза (например, температуры на нижнем краю температурного интервала, показанного как стадия 2). Углеводороды внутри формации можно подвергать пиролизу на стадии 2. Температурный интервал пиролиза может изменяться в зависимости от типа углеводородов внутри формации. Температурный интервал пиролиза может включать в себя температуры приблизительно между 250 и 900°С. Для получения желаемых продуктов температурный интервал пиролиза может простираться только в части общего интервала температур пиролиза. В некоторых вариантах воплощения температурный интервал пиролиза для получения желаемых продуктов может включать в себя температуры приблизительно между 250 и 400°С. Если температура углеводородов в формации медленно повышается в температурном интервале приблизительно от 250 до 400°С, образование продуктов пиролиза может быть практически завершено, когда температура достигнет 400°С. Нагревание формации, содержащей углеводороды, с помощью множества тепловых источников может привести к установлению температурных градиентов вокруг тепловых источников и к медленному повышению температуры углеводородов в формации в температурном интервале пиролиза.
В некоторых вариантах воплощения процесса конверсии на месте температура углеводородов, которые будут подвергаться пиролизу, не может медленно повышаться в температурном интервале приблизительно от 250 до 400°С. Углеводороды в формации могут быть нагреты до желаемой температуры, например приблизительно 325°С. В качестве желаемой температуры могут быть выбраны другие температуры. Суперпозиция тепла от тепловых источников может обеспечить относительно быстрое и эффективное достижение желаемой температуры в формации. Для того чтобы поддерживать температуру в формации практически на желаемом уровне, можно регулировать подачу энергии в формацию из тепловых источников. Температура углеводородов может поддерживаться практически на желаемом уровне до затухания пиролиза, когда производство желаемых текучих сред из формации станет неэкономичным.
Текучие среды, включающие в себя текучие среды пиролиза, могут добываться из формации. Текучие среды пиролиза могут включать в себя (но не ограничиваются) следующие: углеводороды, водород, диоксид углерода, монооксид углерода, сероводород, азот, аммиак, воду и их смеси. При повышении температуры формации количество конденсирующихся углеводородов в текучих средах, образовавшихся в формации, имеет тенденцию снижаться. При высоких температурах формация может продуцировать, главным образом, метан и/или водород. Если углеводородсодержащая формация нагревается во всем интервале температур пиролиза, то формация может продуцировать только небольшое количество водорода по мере приближения к верхнему интервалу температур пиролиза. После извлечения всего доступного водорода обычно формация дает минимальное количество текучей среды.
При воплощении процесса конверсии на месте давление внутри выбранного разреза части углеводородсодержащей формации может возрастать до заданного уровня в ходе пиролиза. Заданное давление может находиться внутри интервала приблизительно от 2 абс. бар до 72 абс. бар (0,2-7,2 МПа) или в некоторых воплощениях от 2 абс. бар до 36 абс. бар. Альтернативно заданное давление может находиться внутри интервала приблизительно от 2 абс. бар до 18 абс. бар (0,2-1,8 МПа).
В одном исполнении часть углеводородсодержащей формации может быть нагрета, для того чтобы увеличилось парциальное давление водорода. В некоторых вариантах воплощения повышенное парциальное давление водорода может включать парциальное давление водорода в интервале приблизительно от 0,5 абс. бар до 7 абс. бар (0,05-0,7 МПа). Альтернативно повышенное парциальное давление водорода может включать парциальное давление водорода в интервале приблизительно от 5 абс. бар до 7 абс. бар. Например, основная часть углеводородных текучих сред может быть получена, когда парциальное давление водорода находится внутри интервала приблизительно от 5 абс. бар до 7 абс. бар. Интервал значений парциального давления водорода внутри интервала парциального давления водорода пиролиза может изменяться, например, в зависимости от температур и давления нагретой части формации.
После пиролиза углеводородов в формации еще может присутствовать значительное количество углерода и немного водорода. Значительная часть углерода, оставшегося в формации, может быть извлечена из формации в виде синтез-газа. Образование синтез-газа может происходить в ходе нагревания на стадии 3, как показано на фиг.1. Стадия 3 может включать в себя нагревание углеводородсодержащей формации до температуры, достаточной для обеспечения образования синтез-газа. Например, синтез-газ может быть получен в интервале температур приблизительно от 400 до 1200°С. Температура формации, когда в формацию вводится текучая среда, генерирующая синтез-газ, может определять состав синтез-газа, полученного в формации. Если текучая среда, генерирующая синтез-газ, вводится в формацию с температурой, которая достаточна для обеспечения образования синтез-газа, то внутри формации может образоваться синтез-газ. Образовавшийся синтез-газ может быть удален из формации с помощью эксплуатационной скважины или эксплуатационных скважин. В ходе образования синтез-газа можно добывать большие объемы синтез-газа.
Для конверсии на месте углеводородсодержащие формации могут быть выбраны на основе свойств, по меньшей мере, части формации. Например, формация может быть выбрана на основе ее потенциала, толщины и/или глубины (то есть толщины перекрытия) формации. Кроме того, фактором выбора формации для конверсии на месте может быть тип текучих сред, получаемых из формации. В некоторых вариантах воплощения качество текучих сред, добываемых из формаций, может быть оценено предварительно, до обработки. Оценка продуктов, которые могут быть получены из формации, может привести к существенному сокращению затрат, поскольку необходимо подвергать конверсии на месте только те формации, которые будут давать желаемые продукты. Свойства, которые можно использовать для оценки углеводородов в формации, включают (но не ограничиваются) следующие: количество углеводородной жидкости, которое можно будет получить из углеводородов, ожидаемый удельный вес полученной углеводородной жидкости (в градусах API - Американского института нефти), количество углеводородного газа, которое можно будет получить из формации, и/или количество диоксида углерода и воды, которое можно будет получить при конверсии на месте.
На фиг.2 показана принципиальная схема варианта воплощения части системы конверсии на месте для переработки углеводородсодержащей формации. Источники тепла 100 могут быть расположены внутри, по меньшей мере, части углеводородсодержащей формации. Источники тепла 100 могут включать, например, электронагреватели, такие как изолированные проводники, нагреватели-проводники в изоляционной трубке, поверхностные горелки, беспламенные распределенные области сгорания и/или естественно распределенные области сгорания. Кроме того, источники тепла 100 могут включать другие типы нагревателей. Источники тепла 100 могут предоставлять тепло, по меньшей мере, в часть углеводородсодержащей формации. Энергия может подводиться к источникам тепла 100 по линиям подачи 102. Линии подачи 102 могут быть структурно различными, в зависимости от типа источников тепла, которые будут использованы для нагрева формации. Линии подачи для источников тепла могут подавать электричество для электронагревателей, могут транспортировать топливо в области сгорания или могут транспортировать теплообменную текучую среду, которая циркулирует внутри формации.
Эксплуатационные скважины 104 можно использовать для удаления текучей среды из формации. Текучие среды, полученные из эксплуатационной скважины 104, могут транспортироваться через трубный коллектор 106 в устройство для обработки 108. Кроме того, текучие среды формации могут быть получены из источников тепла 100. Например, текучие среды могут быть получены из источников тепла 100, для того чтобы регулировать давление внутри формации, рядом с источником тепла. Текучая среда, полученная из источников тепла 100, может транспортироваться по трубопроводам или системе труб в трубный коллектор 106, или полученная текучая среда может транспортироваться по трубопроводам или системе труб непосредственно в устройство для обработки 108. Устройство для обработки 108 может включать блоки разделения, реакционные блоки, блоки облагораживания, топливные элементы, турбины, резервуары-хранилища и другие системы и блоки для обработки полученных текучих сред формации.
Система конверсии на месте для переработки углеводородов может включать в себя барьерные скважины 110. В некоторых вариантах воплощения за счет использования барьеров может быть предотвращена миграция текучих сред (например, полученные текучие среды и/или грунтовые воды) в часть формации, вовлеченной в процесс конверсии на месте, или из этой формации. Барьеры могут включать (но не ограничиваются) преграды естественного происхождения (например, перекрытия и/или подстилающие слои), замороженные барьерные зоны, низкотемпературные барьерные зоны, цементированные стенки, сернистые скважины, обезвоживающие скважины, нагнетающие скважины, барьер, сформированный гелем, образовавшимся в формации, барьер, сформированный за счет осаждения солей в формации, барьер, сформированный за счет процесса полимеризации в формации, листы, вставленные в формацию, и/или их сочетания.
Как показано на фиг.2, кроме источников тепла 100 внутри части углеводородсодержащей формации обычно может располагаться одна или несколько продуктивных скважин 104. Текучие среды формации можно добывать через продуктивную скважину 104. В некоторых вариантах воплощения продуктивная скважина 104 может включать в себя источник тепла. Этот источник тепла может нагревать часть формации в продуктивной скважине или вблизи нее и обеспечивать удаление паровой фазы текучей среды. Потребность в перекачке при высокой температуре жидкостей из продуктивной скважины может быть снижена или исключена. Ограничение или исключение перекачки при высокой температуре жидкостей может существенно снизить эксплуатационные затраты. Обеспечение нагрева в продуктивной скважине или вблизи нее может: 1) предотвратить конденсацию и/или образование флегмы добытой текучей среды, когда такая среда перемещается в продуктивной скважине вблизи перекрытия, 2) увеличить подвод тепла в формацию и/или 3) увеличить проницаемость формации в продуктивной скважине или вблизи нее. В некоторых вариантах воплощения процесса конверсии на месте количество тепла, поданного в продуктивную скважину, значительно меньше количества тепла, подведенного к источникам тепла, которые нагревают формацию.
Для бурения горизонтальных скважин или в основном горизонтальных скважин сквозь углеводородный слой могут быть использованы буровые агрегаты с пересечением реки. В некоторых вариантах воплощения буровые агрегаты для пересечения реки применяются для бурения наклонных скважин сквозь перекрытие формации с практически горизонтальной скважиной внутри углеводородного слоя. Буровые агрегаты с пересечением реки могут образовать ствол скважины с первым вскрытием в первом местоположении на поверхности земли и вторым вскрытием во втором местоположении на поверхности, на другом краю скважины. Буровые агрегаты с пересечением реки могут включать в себя оборудование на площадках, выбранных для первого и второго вскрытия. Оборудование (например, на площадке первого вскрытия) может быть использовано для бурения скважины, в то время как то же самое или другое оборудование (например, на площадке второго вскрытия) может быть использовано для того, чтобы разобрать оборудование (например, источники тепла, трубопроводы продукта и др.) из ствола скважины. При формировании ствола скважины с помощью бурового агрегата с пересечением реки буровой снаряд этого агрегата может бурить скважину под углом, с которым буровой снаряд входит в перекрытие формации. Входные углы бурения для буровых агрегатов для пересечения реки могут изменяться приблизительно между 5 и 20 градусами, причем обычными углами являются приблизительно 10° или 12°. Ствол скважины бурят под входным углом, до достижения заданной глубины (обычно на некотором расстоянии внутри углеводородного слоя формации), причем на этой глубине буровой снаряд поворачивается таким образом, чтобы бурить практически в горизонтальном направлении сквозь формацию. Практически горизонтальная часть ствола скважины бурится до тех пор, пока ствол скважины не достигнет заданной горизонтальной длины. После достижения заданной горизонтальной длины буровой снаряд поворачивается на угол выхода, который обычно, но не обязательно, является таким же, как угол входа, чтобы соответствовать оборудованию во втором конце ствола скважины.
После завершения формирования ствола скважины оборудование или на первом, или на втором конце скважины может быть использовано для того, чтобы разобрать оборудование на буровой. В некоторых вариантах воплощения, когда буровой снаряд убирается из ствола скважины, буровой снаряд может быть использован для расширения скважины и/или увеличения диаметра ствола скважины. Извлечение оборудования (например, нагреватели или источники тепла) в длинной горизонтальной скважине может быть более эффективно, чем выталкивание оборудования в стволе скважины. Буровые агрегаты с пересечением реки обычно обеспечивают недорогой и эффективный способ для формирования горизонтальной скважины в углеводородном слое. Горизонтальная скважина может иметь одно скважину в первом положении на поверхности земли и второе отверстие во втором положении на поверхности. Буровые агрегаты с пересечением реки эксплуатируются такими фирмами, как The Crossing Co. Inc. (Nisku, штат Alberta).
На фиг.3 показан вид в разрезе варианта исполнения области сгорания внутри скважины для нагрева формации. Вскрытие 112 представляет собой единственное вскрытие внутри углеводородного слоя 114, который может иметь первый край 116 и второй край 118. Устройства окисления 120 могут быть расположены во вскрытии 112 вблизи соединения перекрытия 122 и углеводородного слоя 114 у первого края 116 и второго края 118. Изоляция 124 может быть расположена вблизи каждого устройства окисления 120. Для подачи топлива 128 из источника топлива 130 в устройство окисления 120 может быть использован трубопровод топлива 120. Окисляющая текучая среда 132 может подаваться во вскрытие 112 из источника окисляющей текучей среды 134 через трубопровод 136. Обсадные трубы 138 могут быть расположены во вскрытии 112. Обсадные трубы 138 могут быть выполнены из углеродистой стали. Те части обсадных труб 138, которые могут подвергаться действию слишком высокой температуры (например, вблизи устройства окисления 120), могут быть выполнены из нержавеющей стали или другого жаростойкого и коррозионностойкого металла. В некоторых вариантах воплощения обсадные трубы 138 могут выступать в часть вскрытия 112, внутри перекрытия 122.
В исполнении источника тепла окисляющая текучая среда 132 и топливо 128 подаются в устройство окисления 120 в первом краю 116. Нагретые текучие среды из устройства окисления 120 в первом краю 116 стремятся вытекать через вскрытие 112 в направлении второго края 118. Тепло может передаваться от нагретых текучих сред в углеводородный слой 126 по длине вскрытия 112. Нагретые текучие среды могут быть удалены из формации через второй край 118. В течение этого времени устройство окисления 120 во втором краю 118 может быть выключено. Удаленные текучие среды могут быть поданы во второе вскрытие в формации и использованы в качестве окисляющей текучей среды и/или топлива во втором вскрытии. Спустя заданное время (например, неделю) можно отключить устройство окисления 120 в первом краю 116. В течение этого времени окисляющую текучую среду 132 и топливо 128 можно подавать в устройство окисления 120 во втором краю 118, причем это устройство включено. Нагретые текучие среды могут быть удалены в течение этого времени через первый край 116. Устройства окисления 120 в первом краю 116 и во втором краю 118 могут быть использованы попеременно в течение выбранного периода времени (например, неделя), для того чтобы нагреть углеводородный слой 114. Это практически может обеспечить более равномерный профиль нагрева углеводород слоя 114. Удаление нагретых текучих сред из вскрытий через край, удаленный от устройства окисления, может снизить вероятность коксования внутри вскрытия 112, поскольку нагретые текучие среды удаляются из вскрытия отдельно от входящей текучей среды. Использование теплосодержания окисляющей текучей среды также может быть более эффективным, так как нагретые текучие среды могут быть использованы во втором вскрытии или во второй области сгорания внизу скважины.
На фиг.4 показан вариант исполнения источника тепла для углеводородсодержащей формации. Трубопровод топлива 126 может быть расположен внутри вскрытия 112. В некоторых вариантах воплощения вскрытие 112 включает в себя обсадные трубы 138. Вскрытие 112 представляет собой единственное отверстие внутри формации, которое может иметь первый край 116 в первом местоположении на поверхности земли и второй край 118 - во втором местоположении на поверхности земли. Устройства окисления 120 могут быть расположены вблизи трубопровода топлива в углеводородном слое 114. Устройства окисления 120 могут быть разделены промежутками в интервале приблизительно от 3 до 50 м (например, 30 м). Топливо 128 может быть подано в трубопровод топлива 126. Кроме того, в трубопровод топлива 126 может быть подан пар 135, для того чтобы снизить коксование вблизи устройства окисления 120 и/или в трубопроводе топлива 126. Окисляющая текучая среда 132 (например, воздух и/или кислород) может быть подана в устройства окисления 120 через вскрытие 112. При окислении топлива 128 может выделяться тепло. Это тепло может быть передано в формацию. Продукты окисления 140 могут выходить из вскрытия 112 вблизи второго местоположения 118.
На фиг.5 представлен общий вид сверху воплощения системы с использованием области сгорания, расположенной внизу скважины, которая отдельно изображена на фиг.3. В некоторых вариантах воплощения схема, представленная на фиг.5, и ее варианты могут быть использованы для нагревателей других типов (например, поверхностных нагревателей, беспламенных распределенных областей сгорания и других), в которых могут быть использованы топливные текучие среды и/или окисляющие текучие среды в одном или нескольких вскрытиях в углеводородсодержащей формации. Вскрытия 142, 144, 146, 148, 150 и 152 могут иметь области сгорания внизу скважины, как показано в исполнении на фиг.3, которые расположены в каждом вскрытии. В случае необходимости может быть использовано большее или меньшее количество вскрытий (то есть отверстий с расположенными в скважине областями сгорания). Количество отверстий может зависеть, например, от размера выбранного пространства скважины. Трубопровод 154 может быть использован для транспорта текучей среды из области сгорания внизу скважины во вскрытии 142 в области сгорания внизу скважин во вскрытиях 144, 146, 148, 150 и 152. Эти вскрытия могут быть спарены последовательно, используя трубопровод 154. В случае необходимости между отверстиями может быть использован компрессор 156, для того чтобы повысить давление текучей среды между отверстиями. В каждый компрессор 156 может подаваться дополнительная окисляющая текучая среда из трубопровода 158. В каждое вскрытие может подаваться заданный поток топлива из источника топлива.
В выбранные моменты времени поток текучих сред (флюиды) может быть направлен от первого вскрытия 142 в направлении второго вскрытия 152. Поток текучей среды внутри первого отверстия 142 может быть практически противоположным потоку внутри второго вскрытия 144. В последующем поток текучей среды внутри второго вскрытия 144 может быть практически противоположным потоку внутри третьего вскрытия 146 и т.д. Это может обеспечить существенно более равномерный нагрев формации с использованием областей сгорания внизу скважины, внутри каждого вскрытия. Спустя заданное время направление потока текучей среды может быть изменено на обратное, то есть от вскрытия 152 по направлению к первому вскрытию 142. В случае необходимости эту процедуру можно повторять в течение периода, необходимого для обработки формации. Изменение направления потока текучей среды может улучшить равномерность профиля нагрева формации.
На фиг.6 дано общее представление варианта нагревающей скважины, расположенной внутри углеводородсодержащей формации. Нагревающая скважина 159 может быть расположена внутри вскрытия 112. В некоторых вариантах воплощения вскрытие 112 является единственным отверстием внутри формации, которое может иметь первый край 116 и второй край 118, выходящий на поверхности земли. Вскрытие 112 может включать в себя удлиненные части 160, 162 и 164. Удлиненные части 160 и 164 могут быть расположены практически в слое, не содержащем углеводородов (например, в перекрытии). Удлиненная часть 162 может быть расположена практически в углеводородном слое 114 и/или в зоне обработки.
В некоторых исполнениях источника тепла, во вскрытии 112 могут быть расположены обсадные трубы 138. В некоторых вариантах воплощения обсадные трубы могут быть выполнены из углеродистой стали. Части обсадных труб 138, которые могут подвергаться воздействию высокой температуры, могут быть выполнены из более жаростойкого материала (например, нержавеющей стали). В некоторых вариантах воплощения обсадные трубы могут входить в удлиненные части 160 и 164 внутри перекрытия 122. Устройства окисления 120 и 166 могут быть расположены вблизи места соединения перекрытия 122 и углеводородного слоя 114 у первого края 116 и у второго края 118 вскрытия 112. Устройства окисления 120 и 166 могут включать в себя горелки (например, встроенные горелки и/или кольцевые горелки). Вблизи каждого устройства окисления 120 и 166 может быть расположена изоляция 124. Горелки могут быть поставлены фирмой John Zink Co. (Tulsa, Oklahoma) или фирмой Callidus Technologies (Tulsa, Oklahoma).
Трубопровод 168 может быть расположен внутри вскрытия 112, где образуется кольцевой зазор 170 между внешней поверхностью трубопровода 168 и внутренней поверхностью обсадных труб 138. Кольцевой зазор 170 может иметь правильную или неправильную форму внутри вскрытия. В некоторых вариантах воплощения устройства окисления могут быть расположены внутри кольцевого зазора и/или трубопровода, для того чтобы обеспечить теплом часть формации. Устройство окисления 120 расположено внутри кольцевого зазора 170 и может включать в себя кольцевую горелку. Нагретые текучие среды из устройства окисления 120 могут проходить внутри кольцевого зазора 170 во второй край 118. Нагретые текучие среды из устройства окисления 166 могут быть направлены по трубопроводу 168 сквозь вскрытие 112. Нагретые текучие среды могут включать в себя (но не ограничиваются) продукты окисления, окисляющие текучие среды и/или топливо. Поток нагретой текучей среды через кольцевой зазор 170 может быть направлен противоположно потоку нагретой текучей среды в трубопроводе 168. В альтернативных вариантах воплощения устройства окисления 120 и 166 могут быть расположены вблизи того же края вскрытия 112, для того чтобы обеспечить течение нагревающей текучей среды сквозь вскрытие 112 в том же направлении.
Трубопроводы топлива 126 могут быть использованы для подачи топлива 128 из источника топлива 130 в устройства окисления 120 и 166. Окисляющая текучая среда 132 может быть подана в устройства окисления 120 и 166 из источника окисляющей текучей среды 134 по трубопроводам топлива 136. Поток топлива 128 и окисляющей текучей среды 132 приводит к образованию продуктов окисления рядом с устройствами окисления 120 и 166. В некоторых вариантах воплощения поток окисляющей текучей среды 132 можно регулировать, для того чтобы контролировать окисление в устройствах окисления 120 и 166. Альтернативно поток топлива можно регулировать, для того чтобы контролировать окисление в устройствах окисления 120 и 166.
В одном исполнении источника тепла в устройство окисления 120 подаются потоки окисляющей текучей среды 132 и топлива 128. Нагретые текучие среды из устройства окисления 120 в первом краю 116 стремятся вытекать сквозь вскрытие 112 в направлении второго края 118. Тепло может передаваться от нагретых текучих сред в углеводородный слой 114 вдоль сегмента вскрытия 112. Нагретые текучие среды могут быть удалены из формации через второй край 118. В некоторых вариантах воплощения часть нагретой текучей среды направляется в топливный трубопровод 126 у второго края 118, которая будет использоваться в качестве топлива в устройстве окисления 166. Текучие среды, нагретые в устройстве окисления 166, могут быть направлены через отверстие в трубопроводе 168 в первый край 116. В некоторых вариантах воплощения часть нагретой текучей среды направляется в топливный трубопровод 126 у первого края 116. Альтернативно нагретые текучие среды, полученные из каждого края отверстия, могут быть направлены во второе отверстие в формации для использования в качестве окисляющей текучей среды и/или в качестве топлива. В некоторых вариантах воплощения нагретые текучие среды могут быть направлены в направлении одного края отверстия для использования в единственном устройстве окисления.
Устройства окисления 120 и 166 могут быть использованы попеременно. В некоторых вариантах воплощения устройства окисления могут быть использованы попеременно. Устройство окисления 120 может быть отключено спустя заданный период времени (например, около недели). В это время окисляющая текучая среда 132 и топливо 128 могут быть поданы в устройство окисления 166. Нагретые текучие среды могут быть удалены в течение этого времени через первый край 116. Устройства окисления 120 и 166 могут быть использованы альтернативно в течение заданного периода времени, для того чтобы нагреть углеводородный слой 114. Потоки окисляющих текучих сред в противоположных направлениях могут обеспечить более равномерный профиль нагрева в углеводородном слое 114. Удаление нагретых текучих сред из отверстий на краях, удаленных от устройства окисления, в котором образовались нагретые текучие среды, может снизить вероятность коксования внутри вскрытия. В некоторых вариантах воплощения нагретые текучие среды могут быть удалены из формации в вытяжные трубопроводы. Кроме того, вероятность коксования может быть снижена путем удаления нагретых текучих сред из отверстий, отдельно от приходящих текучих сред (например, топливо и/или окисляющая текучая среда). В определенных случаях некоторое количество тепла внутри нагретых текучих сред может быть передано приходящим текучим средам, для того чтобы повысить эффективность устройств окисления.
На фиг.7 показан вариант источника тепла, расположенного внутри углеводородсодержащей формации. Модули 171 на поверхности (например, устройства окисления, горелки и/или печи) обеспечивают тепло для вскрытия в формации. Модули 171 на поверхности могут обеспечивать подачу тепла в трубопровод 168, расположенный в трубопроводе 173. Модуль 171 на поверхности, расположенный вблизи первого края 116 вскрытия 112, может нагревать текучие среды 174 (например, воздух, кислород, водяной пар, топливо и/или дымовые газы), подаваемые в модуль 171 на поверхности. Трубопровод 168 может простираться в модуль 171 на поверхности, обеспечивая поток текучих сред, нагретых в модуле 171 на поверхности, вблизи первого края 116, в трубопровод 168. Трубопровод 168 может направлять поток текучей среды во второй край 118. На втором краю 118 трубопровод 168 может обеспечивать поток текучей среды в модуль 171 на поверхности. Модуль 171 на поверхности может нагревать текучие среды. Нагретые текучие среды могут поступать в трубопровод 173. Затем нагретые текучие среды могут поступать по трубопроводу 173 в направлении первого края 116. В некоторых вариантах воплощения трубопровод 168 и трубопровод 173 могут быть расположены концентрически.
В альтернативных вариантах воплощения текучие среды могут быть подвергнуты сжатию до поступления в модуль 171 на поверхности. Сжатие текучей среды может поддерживать поток текучей среды через вскрытие. Поток текучей среды через трубопроводы может влиять на теплопередачу из трубопровода в формацию.
В альтернативных вариантах воплощения, для нагрева ближнего первого края 116 может быть использован единственный модуль на поверхности. Трубопровод может быть расположен таким образом, что текучие среды во внутреннем трубопроводе поступают в кольцевой зазор между внутренним трубопроводом и внешним трубопроводом. Таким образом, потоки текучей среды во внутренний трубопровод и кольцевой зазор могут быть направлены противоположно.
На фиг.8 представлен вариант источника тепла. Трубопроводы 168 и 172 могут быть расположены внутри вскрытия 112. Вскрытия 112 могут представлять собой открытый ствол скважины. В альтернативном варианте воплощения обсадные трубы могут быть включены в части вскрытия (например, в части перекрытия). Кроме того, некоторые варианты воплощения могут включать в себя изоляцию, окружающую часть трубопроводов 168 и 172. Например, части трубопроводов внутри перекрытия 122 могут быть изолированы, для того чтобы предотвратить передачу тепла от нагретых текучих сред в перекрытие и/или в часть формации вблизи устройств окисления.
На фиг.9 показан вариант поверхностной области сгорания, которая может нагревать разрез углеводородсодержащей формации. Топливо 128 может подаваться в горелку 178 из источника 134 окисляющей текучей среды. Топливо 128 может быть окислено окисляющей текучей средой в горелке 178 с образованием продуктов окисления 140. Топливо 128 может включать в себя (но не ограничивается) водород, метан, этан и/или другие углеводороды. Горелка 178 может быть расположена вне формации или внутри вскрытия 112 в углеводородном слое 114. Источник 182 может нагревать топливо 128 до температуры достаточной для поддержания окисления в горелке 178. Источник 182 может нагревать топливо 128 до температуры около 1425°С. Источник 182 может быть спарен с концом трубопровода 180. В исполнении источника тепла источник 182 представляет собой пусковой факел. Этот пусковой факел может гореть при малом потоке топлива 128. В другом варианте воплощения источник 182 может быть источником электрического поджига.
Продукты окисления 140 могут быть поданы во вскрытие 112 во внутренний трубопровод 184, спаренный с горелкой 178. Тепло может передаваться от продуктов окисления 140 через внешний трубопровод 186 во вскрытие 112 и в углеводородный слой 114 по длине внутреннего трубопровода 184. Продукты окисления 140 могут охлаждаться по длине внутреннего трубопровода 184. Например, продукты окисления 140 могут иметь температуру около 870°С вблизи верха внутреннего трубопровода 184 и температуру около 650°С вблизи нижней части внутреннего трубопровода 184. Часть внутреннего трубопровода 184 вблизи горелки 178 может иметь керамический изолятор 188, расположенный на внутренней поверхности внутреннего трубопровода 184. Керамический изолятор 188 может предотвращать плавление внутреннего трубопровода 184 и/или изоляции 124 вблизи горелки 178. Вскрытие 112 может простираться внутрь формации на глубину вплоть до приблизительно 550 м ниже поверхности 190.
Внутренний трубопровод 184 может предоставлять продукты окисления 140 во внешний трубопровод 186 вблизи дна вскрытия 112. Внутренний трубопровод 184 может иметь изоляцию 124. На фиг.10 показан вариант внутреннего трубопровода 184 с изоляцией 124 и керамическим изолятором 188, расположенным на внутренней поверхности внутреннего трубопровода 184. Изоляция 124 может предотвращать передачу тепла между текучими средами во внутреннем трубопроводе и текучими средами во внешнем трубопроводе 186. Толщина изоляции 124 может изменяться по длине внутреннего трубопровода 184, для того чтобы теплопередача в углеводородный слой 114 могла изменяться по длине внутреннего трубопровода 184. Например, толщина изоляции 124 может суживаться от большего значения к меньшему, соответственно от верхней части в нижнюю часть внутреннего трубопровода 184 во вскрытии 112. Изоляция 124 может включать в себя керамические и металлические материалы. Продукты окисления 140 могут возвращаться на поверхность 190 через внешний трубопровод 186. Внешний трубопровод 186 может иметь изоляцию 124', как показано на фиг.9. Изоляция 124' может предотвращать передачу тепла от внешнего трубопровода 186 в перекрытие 122.
Продукты окисления 140 могут подаваться в дополнительную горелку через трубопровод 192 на поверхность 190. Продукты окисления 140 могут быть использованы как часть топливной текучей среды в дополнительной горелке. В таком случае может увеличиться эффективность выхода энергии в расчете на энергию, затраченную на нагрев углеводородного слоя 114. Дополнительная горелка может обеспечить тепло, передаваемое в углеводородный слой 114 через дополнительное вскрытие.
В некоторых вариантах воплощения электрический нагреватель может обеспечить тепло, в дополнение к теплу, подаваемому от области сгорания на поверхности. Электрический нагреватель может быть, например, изолированным проводником или проводником, размещенным в изоляционной трубке, которые описаны в любом из вариантов воплощения, указанных выше. Электрический нагреватель может обеспечить дополнительное тепло для углеводородсодержащей формации, для того чтобы эта формация нагревалась практически равномерно по глубине вскрытия в формации.
Давление под поверхностью в углеводородсодержащей формации может соответствовать давлению текучей среды, развивающемуся в формации. Нагрев углеводородов внутри углеводородсодержащей формации может генерировать текучие среды за счет пиролиза. Образовавшиеся текучие среды могут испаряться внутри формации. Процессы испарения и пиролиза могут привести к увеличению давления внутри формации. Текучие среды, которые дают вклад в увеличение давления, могут включать в себя (но не ограничиваются) текучие среды, образовавшиеся в ходе пиролиза и воду, испарившуюся в ходе нагрева. При повышении температуры внутри выбранного разреза нагретой части формации давление внутри выбранного разреза может увеличиваться в результате усиления генерации текучей среды и испарения воды. Регулирование скорости удаления текучей среды из формации может обеспечить контроль давления в формации.
В некоторых вариантах воплощения давление внутри выбранного разреза нагретой части углеводородсодержащей формации может изменяться в зависимости от таких факторов, как глубина, расстояние от источника тепла, потенциал углеводородов внутри углеводородсодержащей формации и/или расстояние от продуктивной скважины. Давление внутри формации можно определять в ряде различных положений (например, вблизи или в продуктивной скважине, вблизи или у источников тепла или в контрольных скважинах).
Нагрев углеводородсодержащей формации до температуры в интервале температур пиролиза может происходить до достижения существенной проницаемости внутри углеводородсодержащей формации. Отсутствие начальной проницаемости может препятствовать транспорту образовавшихся текучих сред из зоны пиролиза внутри формации в продуктивную скважину. При первоначальном переносе тепла от источника тепла в углеводородсодержащую формацию давление текучей среды внутри углеводородсодержащей формации может увеличиваться вблизи от источника тепла. Такое повышение давления текучей среды может быть вызвано образованием текучих сред во время пиролиза, по меньшей мере, части углеводородов в формации. Это повышенное давление текучей среды может сбрасываться, регистрироваться, изменяться и/или регулироваться посредством источника тепла. Например, источник тепла может включать в себя клапан, который обеспечивает удаление некоторой части текучей среды из формации. В некоторых вариантах воплощения источников тепла этот источник может включать в себя скважину открытой конфигурации, что предотвращает повреждение источников тепла от давления.
В варианте воплощения процесса конверсии на месте давление внутри выбранного разреза части углеводородсодержащей формации может увеличиваться в процессе пиролиза до заданного давления. Это давление может быть выбрано в интервале внутри интервала приблизительно от 2 абс. бар до 72 абс. бар (0,2-7,2 МПа) или в некоторых воплощениях от 2 абс. бар до 36 абс. бар. Альтернативно заданное давление может находиться внутри интервала приблизительно от 2 абс. бар до 18 абс. бар (0,2-1,8 МПа). В некоторых вариантах воплощения процесса конверсии на месте большая часть углеводородсодержащих текучих сред может быть получена из формации, имеющей давление внутри интервала приблизительно от 2 абс. бар до 18 абс. бар (0,2-1,8 МПа). В процессе пиролиза давление может изменяться (или его можно варьировать). Давление можно варьировать с целью изменения и/или регулирования состава полученной текучей среды формации, для того чтобы регулировать долю (в процентах) конденсирующейся текучей среды относительно неконденсирующейся текучей среды, и/или для регулирования удельного веса (в градусах API) полученной текучей среды. Например, уменьшение давления может приводить к получению большей доли компонентов конденсирующейся текучей среды. Компоненты конденсирующейся текучей среды могут содержать повышенную долю олефинов (в процентах).
В некоторых вариантах воплощения процесса конверсии на месте давление, повышенное за счет образования текучей среды, может поддерживаться внутри нагретой части формации. Поддержание повышенного давления внутри формации может предотвратить оседание формации в процессе конверсии на месте. Повышенное давление внутри формации может способствовать образованию высококачественных продуктов в процессе пиролиза. Повышенное давление внутри формации может облегчать добычу паровой фазы текучих сред из формации. Добыча паровой фазы может способствовать уменьшению размера коллекторных трубопроводов, которые используются для транспорта текучих сред, добытых из формации. Повышенное давление внутри формации может снизить или исключить потребность в сжатии текучих сред формации на поверхности, для транспорта текучих сред в коллекторных трубопроводах в установки на поверхности. Поддержание повышенного давления внутри формации также может способствовать генерации электричества из неконденсирующейся текучей среды. Например, полученную неконденсирующуюся текучую среду можно пропускать через турбину для генерации электричества.
Кроме того, повышенное давление внутри формации может поддерживаться для добычи из формации большего количества текучих сред, в том числе повышенного качества. В некоторых вариантах воплощения процесса конверсии на месте значительное количество (например, основная часть) углеводородных текучих сред, полученных в формации, может представлять собой неконденсирующиеся углеводороды. Внутри формации можно селективно повышать (и/или поддерживать) давление, для того чтобы способствовать образованию внутри формации углеводородов с меньшей длиной цепочки. Образование внутри формации углеводородов с меньшим числом атомов углерода может обеспечивать увеличенную добычу неконденсирующихся углеводородов из формации. Конденсирующиеся углеводороды, добытые из формации при повышенном давлении, могут иметь улучшенное качество (например, повышенную плотность, измеренную в API градусах), чем конденсирующиеся углеводороды, добытые из формации при пониженном давлении.
Внутри нагретой части углеводородсодержащей формации может поддерживаться высокое давление, для того чтобы предотвратить образование текучих сред формации с числом атомов углерода, например, больше чем приблизительно 25. Некоторые соединения с большим числом атомов углерода могут захватываться парами в формации и могут удаляться из формации с этими парами. Высокое давление в формации может предотвратить захват соединений с большим числом атомов углерода и/или полициклических углеводородных соединений в паровую фазу. Повышение давления в углеводородсодержащей формации может повысить температуру кипения текучей среды внутри формации. Соединения с большим числом атомов углерода и/или полициклические углеводородные соединения могут оставаться в жидкой фазе формации в течение длительного периода времени. Этот длительный период времени обеспечивает достаточное время для пиролиза соединений с образованием соединений с меньшим числом атомов углерода.
Поддержание повышенного давления внутри нагретой части формации неожиданно может привести к добыче большого количества углеводородов повышенного качества. Поддержание повышенного давления может способствовать транспорту текучих сред пиролиза внутри формации в паровой фазе. Повышение давления часто приводит к добыче углеводородов с меньшей молекулярной массой, поскольку такие углеводороды с меньшей молекулярной массой обладают большей подвижностью при транспорте внутри формации в паровой фазе.
Полагают, что образование углеводородов с меньшей молекулярной массой (и соответствующей повышенной подвижностью при транспорте в паровой фазе) отчасти может быть вызвано аутогенным образованием и взаимодействием водорода внутри части углеводородсодержащей формации. Например, поддержание повышенного давления может способствовать переходу водорода, образовавшегося при пиролизе, в жидкую фазу (например, за счет растворения). При нагревании части формации в интервале температур пиролиза углеводороды внутри формации могут подвергаться пиролизу с образованием текучих сред пиролиза в жидкой фазе. Образовавшиеся компоненты могут содержать двойные связи и/или радикалы. Водород в жидкой фазе может насыщать двойные связи в образовавшихся текучих средах пиролиза, и в результате этого снижается вероятность полимеризации или образование соединений с длинной цепочкой из образовавшихся текучих сред пиролиза. Кроме того, водород может нейтрализовать радикалы в образовавшихся текучих средах пиролиза, образующихся продуктах пиролиза. Поэтому водород в жидкой фазе может ингибировать взаимодействие образовавшихся текучих сред пиролиза между собой и/или с другими соединениями в формации. В этом случае в паровую фазу могут переходить углеводороды с более короткой цепочкой, которые можно добывать из формации.
Управляя процессом переработки на месте при повышенном давлении, можно обеспечить производство текучей среды из формации в парообразном состоянии. Производство в паровой фазе может обеспечить повышенную степень извлечения более легких (а следовательно, относительно повышенного качества) текучих сред пиролиза. Производство в паровой фазе может привести к меньшему количеству остатка текучих сред в формации после получения текучей среды путем пиролиза. Производство в паровой фазе может привести к меньшему количеству продуктивных скважин в формации по сравнению с количеством, имеющимся для производства в жидкой фазе или паро/жидкостной фазе. С уменьшением количества продуктивных скважин могут быть существенно снижены затраты на оборудование, связанные с процессом конверсии на месте.
В одном варианте исполнения часть углеводородсодержащей формации может быть нагрета, для того чтобы увеличить парциальное давление водорода. В некоторых вариантах воплощения повышенное парциальное давление водорода может включать парциальное давление водорода в интервале приблизительно от 0,5 абс. бар до 7 абс. бар (0,05-0,7 МПа). Альтернативно повышенное парциальное давление водорода может включать парциальное давление водорода в интервале приблизительно от 5 абс. бар до 7 абс. бар (0,5-0,7 МПа). Например, основная часть углеводородных текучих сред может быть получена, когда парциальное давление водорода находится внутри интервала приблизительно от 5 абс. бар до 7 абс. бар. Интервал значений парциального давления водорода внутри интервала парциального давления водорода пиролиза может изменяться, например, в зависимости от температуры и давления нагретой части формации.
Поддержание парциального давления водорода внутри формации выше атмосферного давления может повысить значение API (т.е. удельный вес снижается) произведенных текучих сред - конденсирующихся углеводородов. Поддержание повышенного парциального давления водорода может повысить значение API произведенных текучих сред - конденсирующихся углеводородов, приблизительно больше чем до 25 градусов (удельный вес 0,9042) или в некоторых случаях приблизительно больше чем 30 градусов (удельный вес 0,8762). Поддержание повышенного парциального давления водорода внутри нагретой части формации может увеличить концентрацию водорода внутри нагретой части. Имеющийся водород может взаимодействовать с пиролизованными компонентами углеводородов. Взаимодействие водорода с пиролизованными компонентами углеводородов может снизить степень полимеризации олефинов в смолы и другие сшитые продукты, качество которых трудно улучшить. Следовательно, можно предотвратить производство углеводородных текучих сред, имеющих высокий удельный вес (малые градусы API).
Регулирование давления и температуры внутри углеводородсодержащей формации может обеспечить управление свойствами произведенных текучих сред формации. Например, состав и качество произведенных текучих сред из формации можно варьировать путем изменения среднего давления и/или средней температуры в выбранном сечении нагретой части формации. Качество произведенных текучих сред можно оценивать на основе таких свойств, которые включают в себя (но не ограничиваются): удельный вес в градусах API, содержание олефинов (%) в произведенных текучих средах формации, соотношение этилен/этан, атомное соотношение водород/углерод, доля (в %) углеводородов в произведенных текучих средах формации с числом атомов углерода больше чем 25, суммарная эквивалентная продукция (газа и жидкости), сумма жидких продуктов и/или выход жидкости, в процентах по данным анализа Фишера.
С учетом этого описания для специалистов в этой области техники могут быть очевидными дальнейшее усовершенствование и альтернативные воплощения различных аспектов изобретения. Соответственно это описание следует рассматривать только как иллюстративное, которое приведено с целью ознакомления специалистов в этой области техники с общим характером осуществления изобретения. Следует понимать, что формы изобретения, продемонстрированные и раскрытые в этом описании, необходимо рассматривать как предпочтительные в настоящее время. Элементы и материалы, продемонстрированные и описанные в этом изобретении, могут быть заменены иными, детали и процессы могут быть обращены, и определенные признаки изобретения могут быть использованы независимо, как это, возможно, станет очевидным специалистам в этой области техники, после ознакомления с преимуществами этого изобретения. В описанных элементах изобретении могут быть сделаны изменения без отклонения от духа и объема изобретения, которое описано в следующей ниже формуле изобретения. Кроме того, следует учитывать, что признаки, описанные в изобретении как независимые, в некоторых вариантах воплощения могут сочетаться.
1. Способ нагревания углеводородсодержащей формации на месте,
который включает в себя: предоставление тепла, по меньшей мере, от одного или нескольких нагревателей в скважину в формации, в котором первый край скважины соприкасается с поверхностью земли в первом местоположении и в котором второй край скважины соприкасается с поверхностью земли во втором местоположении;
обеспечение передачи тепла от скважины до, по меньшей мере, части формации, чтобы пиролизовать, по меньшей мере, часть углеводородов в формации, при этом снижают вероятность коксования части углеводородсодержащей формации и регулируют давление и температуру в этой формации для управления свойствами текучих сред в формации, регулирования в них доли конденсирующейся среды и предотвращения оседания формации.
2. Способ по п.1, в котором предоставление тепла в скважину включает в себя подачу тепла, нагретых материалов и/или продуктов окисления, по меньшей мере, от одного нагревателя в скважину.
3. Способ по п.1, который дополнительно включает в себя обеспечение передачи тепла от источника тепла, нагретых материалов и/или продуктов окисления в трубопровод, расположенный, по меньшей мере, в части скважины.
4. Способ по п.3, который дополнительно включает в себя обеспечение передачи тепла от источника тепла, нагретых материалов и/или продуктов окисления в трубопровод и через кольцевой зазор, образовавшийся между стенкой скважины и стенкой трубопровода.
5. Способ по п.1, в котором, по меньшей мере, один нагреватель включает в себя устройство окисления, причем способ дополнительно включает в себя
подачу топлива в устройство окисления;
окисление, по меньшей мере, части топлива; и
обеспечение миграции тепла, нагретых материалов и/или продуктов окисления, по меньшей мере, через скважину, трубопровод, расположенный в скважине, и/или кольцевой зазор между стенкой трубопровода, расположенного в скважине, и стенкой скважины, за счет чего тепло передают, по меньшей мере, в часть формации.
6. Способ по п.1, который дополнительно включает в себя обеспечение миграции тепла, нагретых материалов и/или продуктов окисления из первого края скважины во второй край скважины и/или из второго края скважины в первый край скважины.
7. Способ по п.1, в котором, по меньшей мере, один нагреватель включает в себя модуль на поверхности, причем способ дополнительно включает в себя
нагрев текучей среды или другого материала с использованием модуля на поверхности; и
обеспечение миграции нагретой текучей среды или другого материала через скважину, трубопровод, расположенный в скважине, и/или кольцевой зазор между стенкой трубопровода, расположенного в скважине, и стенкой скважины, за счет чего тепло передают, по меньшей мере, в часть формации.
8. Способ по п.1, который включает в себя
подачу топлива в трубопровод, расположенный в скважине;
подачу окисляющей текучей среды в скважину;
окисление топлива, по меньшей мере, в одном устройстве окисления,
расположенном или спаренном в трубопроводе; и
обеспечение передачи тепла, по меньшей мере, в часть формации.
9. Способ по п.1, который дополнительно включает в себя подачу продуктов окисления в скважину вблизи от первого местоположения, с последующим обеспечением выхода продуктов окисления из скважины вблизи от второго местоположения.
10. Способ по п.1, который дополнительно включает в себя формирование скважины путем бурения от первого местоположения в направлении второго местоположения или путем бурения от второго местоположения в направлении первого местоположения.
11. Способ по любому из пп.1-10, который дополнительно включает в себя регулирование давления и температуры, по меньшей мере, в пределах основной части формации, причем давление регулируют как функцию температуры, и/или температуру регулируют как функцию давления.
12. Способ по любому из пп.1-10, который дополнительно включает в себя добычу смеси из формации, в котором полученная смесь содержит конденсирующиеся углеводороды, имеющие значение удельного веса, по меньшей мере, около 25° API - около 0,9042 г/см3.
13. Способ по любому из пп.1-10, который дополнительно включает в себя регулирование давления, по меньшей мере, в основной части формации, причем регулируемое давление составляет, по меньшей мере, около 2 абс. бар - 0,2 МПа.
14. Способ по любому из пп.1-10, который дополнительно включает в себя регулирование условий в формации так, чтобы в полученной смеси парциальное давление водорода составляло больше чем приблизительно 0,5 бар - 0,05 МПа.
15. Способ по любому из пп.1-10, который дополнительно включает в себя изменение давления внутри формации, для того чтобы ингибировать добычу из формации углеводородов, имеющих число атомов углерода приблизительно больше, чем 25.
16. Способ по любому из пп.1-10, в котором, по меньшей мере, часть формации нагревают до минимальной температуры пиролиза приблизительно 270°С.
17. Устройство для нагревания углеводородсодержащей формации, включающее один или несколько нагревателей с конфигурацией, обеспечивающей передачу тепла из скважины в углеводородсодержащую формацию для пиролиза части, по меньшей мере, этой формации и регулирования в ней давления для управления свойствами текучих сред, регулирования в них доли конденсирующейся среды и предотвращения оседания формации.
18. Устройство по п.17, в котором нагреватели имеют конфигурацию для передачи тепла в скважину в формации для подачи тепла, нагретых материалов и/или продуктов окисления в скважину.
19. Устройство по п.17, которое дополнительно включает в себя обсадные трубы, расположенные, по меньшей мере, в части скважины.
20. Устройство по п.17, в котором, по меньшей мере, один нагреватель представляет собой устройство окисления, расположенное в скважине или спаренное со скважиной.
21. Устройство по п.17, в котором нагреватели включают в себя, по меньшей мере, первое устройство окисления и второе устройство окисления.
22. Устройство по любому из пп.17-21, которое обеспечивает формирование тепла, нагретых материалов и/или продуктов окисления из первого устройства окисления в поток, проходящий сквозь скважину из первого края в направлении второго края, и тепла, нагретых материалов и/или продуктов окисления из второго устройства окисления в поток, проходящий сквозь скважину из второго края в направлении первого края.
23. Устройство по п.17, которое дополнительно включает в себя трубопровод, который расположен, по меньшей мере, в части скважины.
24. Устройство по п.23, в котором нагреватели имеют конфигурацию для передачи тепла в скважину в формации для предоставления тепла, нагретых материалов и/или продуктов окисления в трубопровод.
25. Устройство по п.23, в котором нагреватели включают в себя, по меньшей мере, первое устройство окисления и второе устройство окисления.
26. Устройство по п.25, в котором второе устройство окисления расположено в трубопроводе или спарено с ним, причем второе устройство окисления имеет конфигурацию, обеспечивающую тепло, по меньшей мере, для части формации.
27. Устройство по любому из пп.17-26, в котором, по меньшей мере, один нагреватель включает в себя устройство окисления, которое имеет конфигурацию для окисления топлива с выделением тепла, причем устройство дополнительно включает в себя рециркуляционный контур, который имеет конфигурацию для рециркуляции, по меньшей мере, части топлива, входящего с продуктами окисления из устройства окисления, по меньшей мере, в одно дополнительное устройство окисления.
28. Устройство по любому из пп.23-26, которое дополнительно включает в себя кольцевой зазор, образовавшийся между стенкой трубопровода и стенкой скважины.
29. Устройство по любому из пп.23-26, в котором нагреватели имеют конфигурацию для передачи тепла в скважину в формации путем предоставления тепла, нагретых материалов и/или продуктов окисления в кольцевой зазор.
30. Устройство по п.28, в котором нагреватели включают в себя одно или несколько устройств окисления, расположенных в кольцевом зазоре и спаренных с трубопроводом, и в котором топливо имеет конфигурацию потока через трубопровод в устройства окисления.
31. Устройство по п.28, в котором, по меньшей мере, одно устройство окисления расположено в кольцевом зазоре или спарено с ним, и в котором по меньшей мере, одно устройство окисления имеет конфигурацию, обеспечивающую тепло, по меньшей мере, для части формации.
32. Устройство по п.31, которое дополнительно включает в себя первое устройство окисления, которое расположено в кольцевом зазоре или спарено с ним и второе устройство окисления, которое расположено в трубопроводе или спарено с ним.
33. Устройство по п.32, в котором тепло, нагретые материалы и/или продукты окисления из первого устройства окисления имеют конфигурацию потока через кольцевой зазор и противотока к теплу, нагретым материалам и/или продуктам окисления, которые имеют конфигурацию потока в трубопровод из второго устройства окисления.
34. Устройство по любому из пп.32-33, которое дополнительно включает в себя
первый рециркуляционный контур, который имеет конфигурацию для рециркуляции, по меньшей мере, части топлива в кольцевом зазоре во второе устройство окисления; и
второй рециркуляционный контур, который имеет конфигурацию для рециркуляции, по меньшей мере, части топлива в трубопроводе в первое устройство окисления.
35. Устройство по п.23, которое дополнительно включает в себя второй трубопровод, который расположен в скважине, и один или несколько нагревателей, которые имеют конфигурацию, обеспечивающую передачу тепла по второму трубопроводу, по меньшей мере, в часть формации.
36. Устройство по п.35, в котором нагреватели включают в себя, по меньшей мере, первое устройство окисления, которое имеет конфигурацию, обеспечивающую передачу тепла, по меньшей мере, в часть формации путем предоставления тепла нагретых материалов и/или продуктов окисления в трубопровод, и второе устройство окисления, которое имеют конфигурацию, обеспечивающую передачу тепла, по меньшей мере, в часть формации путем предоставления тепла нагретых материалов и/или продуктов окисления во второй трубопровод.
37. Устройство по п.36, в котором первое устройство окисления расположено в трубопроводе и второе устройство окисления расположено во втором трубопроводе.
38. Устройство по любому из пп.36-37, в котором продукты окисления из первого устройства окисления имеют конфигурацию потока в направлении, противоположном потоку продуктов окисления из второго устройства окисления.
39. Устройство по п.17, в котором, по меньшей мере, один нагреватель включает в себя устройство окисления, и дополнительно содержит изоляцию, расположенную вблизи устройства окисления.
40. Устройство по п.17, в котором, по меньшей мере, один нагреватель включает в себя устройство окисления, и в котором, по меньшей мере, одно устройство окисления содержит кольцевую горелку или встроенную горелку.
41. Устройство по п.17, в котором, по меньшей мере, один нагреватель представляет собой модуль на поверхности, который имеет конфигурацию, обеспечивающую передачу тепла в скважину.
42. Устройство по п.17, в котором нагреватели включают в себя первый модуль на поверхности, который имеет конфигурацию, обеспечивающую передачу тепла нагретых материалов и/или продуктов окисления в скважину или трубопровод в первом местоположении, и второй модуль на поверхности, который имеет конфигурацию, обеспечивающую передачу тепла нагретых материалов и/или продуктов окисления в скважину или трубопровод во втором местоположении.
43. Устройство по п.17, в котором устройство имеет конфигурацию, обеспечивающую передачу тепла в выбранное сечение формации, чтобы пиролизовать, по меньшей мере, часть углеводородов в выбранном сечении.
44. Устройство по п.17, в котором устройство имеет конфигурацию, обеспечивающую передачу тепла из скважины, по меньшей мере, в часть формации, чтобы пиролизовать, по меньшей мере, часть углеводородов в формации.
45. Способ по любому из пп.1-10, в котором первый край скважины и/или второй край скважины имеют входные углы в формацию приблизительно между 5 и 20°.
