用于加熱地下地層的循環傳熱流體系統的制作方法

專利名稱：用于加熱地下地層的循環傳熱流體系統的制作方法
技術領域：
本發明總體涉及用于從各種地下地層(例如含烴地層)生產烴、氫和/或其它產品的方法和系統。特別地，某些實施例涉及用于在就地轉化過程期間加熱地層的一部分的閉環循環系統。
背景技術：
從地下地層中所獲得的烴通常用作能量源、原料以及消費品。對可用烴資源衰竭的關注和對產出烴的總體質量下降的關注，導致開發出了用于更有效地回收、處理和/或使用可用烴資源的方法。就地處理可用于從地下地層移出烴材料。可能需要改變地下地層中的烴材料的化學和/或物理性能，以使烴材料更容易從地下地層移出。化學和物理變化可包括地層中烴材料的生成可移出流體的就地反應、成分變化、溶解度變化、密度變化、相變和/或粘度變化。流體可以是，但是不限于，氣體、液體、乳狀液、漿液和/或具有與液體流類似的流動特性的固體顆粒流。
許多不同類型的井或井眼可用于使用就地熱處理方法來處理含烴地層。在一些實施例中，豎直和/或基本上豎直的井用于處理地層。在一些實施例中，水平或基本水平的井 (諸如J形井和/或L形井)和/或u形井用于處理地層。在一些實施例中，水平井、豎直井和/或其它組合的組合用于處理地層。在某些實施例中，井延伸穿過地層的上覆巖層到達地層的含烴層。在一些情況下，井中的熱損失到上覆巖層中。在一些情況下，用于支承水平井眼或u形井眼中的加熱器和/或生產設備的地面和上覆巖層的基礎結構尺寸和/或數量很大。
Sandberg等人的美國專利7，575，052描述了一種就地熱處理方法，該方法采用循環系統加熱一個或多個處理區。循環系統可使用經過地層中的管道的已加熱的液態傳熱流體以將熱傳遞至地層。
Vinegar等人的美國專利申請公開2008-01352M描述了一種用于就地熱處理過程的系統和方法，該就地熱處理過程采用循環系統來加熱一個或多個處理區。循環系統使用經過地層中的管道的已加熱的液態傳熱流體以將熱傳遞至地層。在一些實施例中，管道布置在至少兩個井眼中。
Nguyen等人的美國專利申請公開2009-00卯476描述了一種用于地下地層的加熱系統，該加熱系統包括位于地下地層中的開口內的導管。絕緣導體位于導管中。材料在導管中、在絕緣導體的一部分與導管的一部分之間。該材料可以是鹽。該材料在加熱系統的工作溫度下是流體。熱從絕緣導體傳遞至流體，從流體傳熱遞至導管，以及從導管傳遞至地下地層。
對于提出用于從含烴地層中經濟地產出烴、氫和/或其它產品的方法和系統已經付出了巨大的努力。但是，目前仍然存在許多不能從其中經濟地產出烴、氫和/或其它產品的含烴地層。因而，仍需要改進的方法和系統，以相對于采用地面基設備回收烴的方法而言，減少用于處理地層的能量消耗、減少來自處理過程的排出物、便于加熱系統的安裝和/或減少損失到上覆巖層的熱損失。

發明內容
在此描述的實施例總體涉及用于處理地下地層的系統和方法。
在一些實施例中，本發明提供了一種用于加熱地下地層的方法，包括從多個加熱器向地層供給熱；使加熱器中的一個或多個的一部分移出配備有滑動密封件的井口，以調節加熱器的熱膨脹。
在一些實施例中，本發明提供了一種用于加熱地下地層的方法，包括從多個加熱器向地層供給熱；和使用一個或多個滑配接頭使所述加熱器中的一個或多個的一部分移出井口。
在一些實施例中，本發明提供了一種用于調節地層中加熱器的熱膨脹的方法，包括加熱地層中的加熱器；將加熱器的一部分提升離開地層以調節加熱器的熱膨脹。
在一些實施例中，本發明提供了一種用于加熱地下地層的系統，包括多個定位于地層中的加熱器，所述加熱器構造用于向地層提供熱；和與加熱器的一部分聯接的至少一個提升器，所述提升器構造用于將加熱器的部分提升離開地層以調節加熱器的熱膨脹。
在另外的實施例中，特定實施例的特征可與其它實施例的特征組合。例如，一個實施例的特征可與任一其它實施例中的特征組合。在另外的實施例中，使用在此所述的方法和系統中的任一個來實現處理地下地層。在另外的實施例中，附加特征可添加到在此所述的特定實施例中。


根據下述詳細描述并參照附圖，本發明的優點對本領域的技術人員來說可變得顯而易見，附圖中 圖1顯示了用于處理含烴地層的就地熱處理系統的一部分的一個實施例的示意圖。
圖2示出了用于加熱地層的一部分的傳熱流體循環系統的一個實施例的示意圖。
圖3示出了 L形加熱器的一個實施例的示意圖，該L形加熱器與傳熱流體循環系統一起使用以加熱地層的一部分。
圖4示出了豎直加熱器的一個實施例的示意圖，該豎直加熱器與傳熱流體循環系統一起使用以加熱地層的一部分，其中，加熱器的熱膨脹在地面下方進行調節。
圖5示出了豎直加熱器的另一個實施例的示意圖，該豎直加熱器與傳熱流體循環系統一起使用以加熱地層的一部分，其中，加熱器的熱膨脹在地面上方和下方進行調節。
圖6示出了利用絕緣水泥的上覆巖層隔熱的一個實施例的剖視圖。
圖7示出了利用隔熱套的上覆巖層隔熱的一個實施例的剖視圖。
圖8示出了利用隔熱套和真空的上覆巖層隔熱的一個實施例的剖視圖。
圖9示出了用于調節熱膨脹的波紋管一個實施例的視圖。
圖IOA示出了具有用于調節熱膨脹的膨脹環圈的管道的一個實施例的視圖。
圖IOB示出了具有用于調節熱膨脹的盤繞或卷繞管道的管道的一個實施例的視圖。
圖IOC示出了具有封裝在隔熱容箱中的用于調節熱膨脹的盤繞或卷繞管道的管道的一個實施例的視圖。
圖11示出了在上覆巖層中的大直徑套管內的隔熱管道的一個實施例的視圖。
圖12示出了在上覆巖層中的大直徑套管內的隔熱管道用于調節熱膨脹的一個實施例的視圖。
圖13示出了具有滑動密封件、填料箱或允許加熱器的一部分相對于井口運動的其它壓力控制設備的井口的一個實施例的視圖。
圖14示出了具有與井口上方的固定導管相互作用的滑配接頭的井口的一個實施例的視圖。
圖15示出了具有與井口聯接的固定導管相互作用的滑配接頭的井口的一個實施例的視圖。
圖16示出了具有密封件的傳熱流體循環系統的一個實施例的示意圖。
圖17示出了具有密封件的傳熱流體循環系統的另一個實施例的示意圖。
圖18示出了具有鎖定機構和密封件的傳熱流體循環系統的一個實施例的示意圖。
圖19示出了具有定位于井眼中的熱傳熱流體循環系統的U形井眼的一個實施例的視圖。
圖20示出了用于鄰近處理區的傳熱流體循環系統的導管中導管加熱器的一個實施例的端視圖。
圖21示出了用于加熱加熱器的各部分以重新開始加熱器中傳熱流體的流動的一個實施例的視圖。
圖22示出了定位于地層中的傳熱流體循環系統的導管中導管加熱器的一個實施例的示意圖。
圖23示出了鄰近上覆巖層的導管中導管加熱器的一個實施例的剖視圖。
圖M示出了用于液態傳熱流體的循環系統的一個實施例的示意圖。
雖然本發明易于具有多種修改和替代形式，但是其具體實施例在附圖中以實例方式進行顯示，并且可在此進行詳細描述。附圖可不按比例繪制。但是，應該理解的是，附圖和詳細描述不旨在將本發明限制為所公開的特別形式，而是相反地，旨在覆蓋落入由所附權利要求所限定的本發明的精神和范圍內的所有修改、等同物和替代形式。
具體實施例方式下述描述總體涉及用于處理地層中的烴的系統和方法。這些地層可被處理以生產烴產品、氫和其它產品。
"API重力指標”表示在15. 50C (60° F)時的API重力指標。API重力指標由美國材料試驗協會方法(ASTM Method)D6822或ASTM Method D1298確定。
“流體壓力”是由地層中的流體產生的壓力。“靜巖壓力”(有時稱為“靜巖應力”) 是地層中與上覆巖層塊的單位面積的重量相等的壓力。“流體靜壓”是由水柱施加在地層中的壓力。
“地層”包括一個或多個含烴層、一個或多個非烴層、上覆巖層和/或下伏巖層。“烴層”指地層中的含烴層。烴層可包含非烴材料和烴材料。“上覆巖層”和/或“下伏巖層” 包括一種或多種不同類型的不可滲透材料。例如，上覆巖層和/或下伏巖層可包括巖石、頁巖、泥巖或潤濕/致密的碳酸鹽巖。在一些就地熱處理過程的實施例中，上覆巖層和/或下伏巖層可包括一層或多層含烴層，所述含烴層在就地熱處理過程中是相對不可滲透的并且不受溫度影響，所述就地熱處理導致上覆巖層和/或下伏巖層的含烴層的性能發生顯著變化。例如，下伏巖層可含有頁巖或泥巖，但是不允許下伏巖層在就地熱處理過程期間加熱到熱解溫度。在一些情形中，上覆巖層和/或下伏巖層可以是稍微可滲透的。
“地層流體”是指存在于地層中的流體，并且可包括熱解流體、合成氣、流動的烴和水(蒸汽)。地層流體可包括烴流體以及非烴流體。術語“流動的流體”是指含烴地層中的由于地層的熱處理而能夠流動的流體。“產出流體”是指從地層移出的流體。
“熱源”是用于基本上通過傳導和/或輻射傳熱向地層的至少一部分提供熱的任何系統。例如，熱源可包括導電材料和/或包括電加熱器，諸如絕緣導體、細長部件和/或布置在導管中的導體。熱源還可包括通過燃燒地層外部或地層中的燃料來產生熱的系統。所述系統可以是地表燃燒器、井下氣體燃燒器、無焰分布式燃燒器和自然分布式燃燒器。在一些實施例中，一個或多個熱源所提供或產生的熱可由其它能量源提供。所述其它能量源可直接加熱地層，或者所述能量可施加到直接或間接地加熱地層的傳遞介質。應該理解的是， 將熱施加到地層的一個或多個熱源可使用不同的能量源。因而，例如，對于給定地層，一些熱源可由導電材料(電阻加熱器)提供熱，一些熱源可通過燃燒提供熱，一些熱源可由一個或多個其它能量源(例如，化學反應、太陽能、風能、生物質或其它可再生能量源)提供熱。 化學反應可包括放熱反應(例如氧化反應)。熱源還可包括向加熱位置(諸如加熱器井) 附近或周圍的區域提供熱的導電材料和/或加熱器。
“加熱器”是用于在井中或井眼區域附近產生熱的任何系統或熱源。加熱器可以是，但不限于，電加熱器、燃燒爐、與地層中的材料或從地層產出的材料發生反應的燃燒器、 和/或它們的組合。
“重烴”是粘性烴流體。重烴可以包括高粘性烴流體，諸如重油、焦油和/或浙青。 重烴可以包括碳和氫，以及較低濃度的硫、氧和氮。其它元素也可以微量存在于重烴中。重烴可通過API重力指標分類。重烴通常具有低于約20°的API重力指標。例如，重油通常具有約10-20°的API重力指標，而焦油通常具有低于約10°的API重力指標。重烴的粘性在15°時通常大于約100厘泊。重烴可包括芳烴或其它復雜的環烴。
重烴可在相對可滲透的地層中找到。相對可滲透的地層可包括例如夾雜于砂或碳酸鹽巖中的重烴。相對于地層或地層的一部分，“相對可滲透的”被定義為10毫達西或以上 (例如10或100毫達西)的平均滲透性。相對于地層或地層的一部分，“相對低滲透性”被定義為小于約10毫達西的平均滲透性。1達西等于約0.99平方微米。不可滲層通常具有小于約0.1毫達西的滲透性。
包含重烴的某些類型地層還可包括，但并不限于，天然礦物蠟或天然浙青巖。“天然礦物蠟”典型地存在于大致管狀的礦脈中，這些礦脈可具有數米寬、數千米長和數百米深。“天然浙青巖”包括具有芳族成分的固體烴，并典型地存在于大礦脈中。從諸如天然礦物蠟和天然浙青巖的地層中就地回收烴可包括熔融以形成液態烴和/或從地層中對烴進行溶解采礦。
“烴”通常定義為主要由碳和氫原子形成的分子。烴還可包括其它元素，例如，但不限于，鹵素、金屬元素、氮、氧和/或硫。烴可以是，但不限于，油母、浙青、焦浙青、油類、天然礦物蠟和浙青巖。烴可位于大地中的礦物基體中或與礦物基體相鄰。基體可包括，但不限于，沉積巖、砂、沉積石英巖、碳酸鹽巖、硅藻土和其它多孔介質。“烴流體”是包括烴的流體。 烴流體可包括夾帶非烴流體或被夾帶在非烴流體中的流體，所述非烴流體諸如為氫、氮、一氧化碳、二氧化碳、硫化氫、水和氨。
“就地轉化過程”是指通過熱源加熱含烴地層以將地層的至少一部分的溫度升高到熱解溫度以上以使得在地層中產生熱解流體的過程。
“就地熱處理過程”是指使用熱源加熱含烴地層以將地層的至少一部分的溫度升高到導致含烴材料地層的流體流動、降粘和/或熱解的溫度以上以使得在地層中產生流動的流體、降粘的流體和/或熱解流體的過程。
“絕緣導體”是指任何能夠導電的并且全部或部分地由電絕緣材料覆蓋的細長物體。
“熱解”是由于施加熱而導致化學鍵的斷裂。例如，熱解可包括僅通過熱將化合物轉變為一種或多種其它物質。熱可被傳遞到地層的一部段以引起熱解。
“熱解流體”或“熱解產品，，是指基本上在烴的熱解期間產生的流體。通過熱解反應產生的流體可與地層中的其它流體混合。混合物被認為是熱解流體或熱解產品。如在此所使用的，“熱解區”是指被反應或進行反應以形成熱解流體的地層體(例如，相對可滲透的地層，諸如浙青砂地層)。
“熱的疊加”是指從兩個或更多個熱源向地層的選定部段提供熱，以使得在熱源之間的至少一個位置處的地層溫度受熱源影響。
“浙青砂地層”是烴主要以夾帶在礦物顆粒結構或其它主巖巖性(例如砂或碳酸鹽巖)中的重烴和/或焦油形式存在的地層。浙青砂地層的實例包括例如阿薩巴斯卡 (Athabasca)地層，格羅斯蒙特(Grosmont)地層以及和平河(Peace River)地層，這三個地層均在加拿大的艾伯塔省，以及包括位于委內瑞拉的奧斯諾科河帶的i^aja地層。
“限溫加熱器”通常是指將熱輸出調節(例如，減少熱輸出)到規定溫度以上而無需使用外部控制器的加熱器，所述外部控制器諸如為溫度控制器、功率調節器、整流器或其它裝置。限溫加熱器可以是AC(交流電流)或調制(例如“斬波”)DC(直流)供電的電阻加熱器。
層的“厚度”指的是層橫截面的厚度，其中橫截面與層的表面垂直。
“U形井眼”是指從地層中的第一開口延伸穿過地層的至少一部分并且從地層中的第二開口穿出的井眼。在本文中，井眼可以僅大體上呈“V”形或“U”形，對于視為“U”形的井眼，“U”形的“腿”應該理解成不需要彼此平行或垂直于“U”的底部。
“改質”是指提高烴的質量。例如，改質重烴可導致提高重烴的API重力指標。
“降粘”是指在熱處理期間解開分子和/或在熱處理期間將大分子破壞成小分子， 這導致了流體粘性的下降。
除非另作說明，“粘度”是指在40°C時的動態粘度。粘度通過ASTM Method D445確定。
術語“井眼”是指通過鉆井或將導管插入地層中而在地層中形成的孔。井眼可具有基本上圓形的橫截面或其它橫截面形狀。如在此所使用的，術語“井”和“開口，，在指地層中的開口時可與術語“井眼”互換使用。
可以各種方式處理地層，以生產出許多不同的產品。不同的階段或過程可用于在就地熱處理過程期間處理地層。在一些實施例中，地層的一個或多個部段進行溶解采礦，以從這些部段中移出可溶礦物。可在就地熱處理過程之前、期間和/或之后對礦物進行溶解采礦。在一些實施例中，進行溶解采礦的一個或多個部段的平均溫度可被保持在約120°C以下。
在一些實施例中，一個或多個地層部分被加熱，以便從這些部段移出水和/或從這些部段中移出甲烷和其它揮發性烴。在一些實施例中，在移出水和揮發性烴的過程中，平均溫度可從環境溫度上升到約220°C以下的溫度。
在一些實施例中，地層的一個或多個部段被加熱到允許地層中的烴運動和/或降粘的溫度。在一些實施例中，地層的一個或多個部段的平均溫度可被升高到這些部段中的烴流動的溫度(例如，從100°C到250°C范圍內的溫度、從120°C到240°C范圍內的溫度或者從150°C到230°C范圍內的溫度)。
在一些實施例中，一個或多個部段被加熱到允許在地層中進行熱解反應的溫度。 在一些實施例中，地層的一個或多個部段的平均溫度可被升高到烴在這些部段中的熱解溫度(例如從230°C到900°C范圍內的溫度、從240°C到400°C范圍內的溫度或者從250°C到 350°C范圍內的溫度)。
利用多個熱源加熱含烴地層可在熱源周圍形成熱梯度，所述熱源將地層中烴的溫度以期望的加熱速度升高到期望的溫度。溫度升高經過用于期望產品的流動溫度范圍和/ 或熱解溫度范圍的速率可影響從含烴地層產生的地層流體的質量和數量。將地層溫度緩慢升高經過流動溫度范圍和/或熱解溫度范圍可允許從地層中生產出高質量、高API重力指標的烴。將地層溫度緩慢升高經過流動溫度范圍和/或熱解溫度范圍可允許移出存在于地層中的大量烴以作為烴產品。
在一些就地熱處理的實施例中，代替將溫度緩慢地加熱經過溫度范圍的是將地層的一部分加熱到期望的溫度。在一些實施例中，期望的溫度是300°C、325°C或350°C。可選擇其它溫度作為期望的溫度。
疊加來自熱源的熱允許在地層中相對快速有效地建立期望溫度。從熱源輸入地層中的能量可被調節以使地層中的溫度基本上保持在期望溫度。
流動和/或熱解產品可通過生產井從地層生產出。在一些實施例中，一個或多個部段的平均溫度升高到流動溫度，并且烴從生產井生產出。在生產之后，由于流動降低到選定值以下，一個或多個部段的平均溫度可被升高到熱解溫度。在一些實施例中，在達到熱解溫度之前不進行大量生產的情況下，一個或多個部段的平均溫度可被升高到熱解溫度。包含熱解產品的地層流體可通過生產井生產出。
在一些實施例中，一個或多個部段的平均溫度可被升高到足夠高的溫度，以便允許在流動和/或熱解之后進行合成氣體生產。在一些實施例中，烴可被升高至足夠高溫度， 以便在達到足以允許進行合成氣生產的溫度之前不進行大量生產情況下允許進行合成氣生產。例如，合成氣體可在從約400°C到約1200°C、從約500°C到約1100°C或者從約550°C 到約1000°C的溫度范圍內產生。合成氣產生流體(例如蒸汽和/或水)被引入到這些部段中以產生合成氣。合成氣可從生產井中生產出。
溶解采礦、揮發性烴和水的移出、使烴流動、熱解烴、產生合成氣和/或其它過程可在就地熱處理過程中進行。在一些實施例中，一些過程可在就地熱處理之后進行。這些過程可包括，但不限于，從已處理的部段回收熱、將流體(例如，水和/或烴)存儲在先前已處理的部段中和/或將二氧化碳隔絕在先前已處理的部段中。
圖1描繪了用于處理含烴地層的就地熱處理系統的一部分的一個實施例的示意圖。該就地處理系統可包括障壁井100。障壁井用于在處理區周圍形成障壁。所述障壁抑制流體流入和/或流出處理區。障壁井包括，但是不限于，脫水井、真空井、俘獲井、注入井、 灌漿井、冷凍井或它們的組合。在一些實施例中，障壁井100是脫水井。脫水井可去除液態水和/或阻止液態水進入待加熱的地層部分或正在被加熱的地層。在圖1所示的實施例中， 障壁井100顯示為僅沿熱源102的一側延伸，但是障壁井通常環繞所使用的或將要使用的所有熱源102，以加熱地層的處理區。
熱源102設置在地層的至少一部分中。熱源102可包括導電材料。在一些實施例中，加熱器例如為絕緣導體、導體在導管中的加熱器、地表燃燒器、無焰分布式燃燒器和/ 或自然分布式燃燒器。熱源102還可包括其它類型的加熱器。熱源102向地層的至少一部分提供熱，以加熱地層中的烴。能量可通過供給管線104供應給熱源102。供給管線104可根據一種或多種用于加熱地層的熱源而在結構上有所不同。用于熱源的供給管線104可傳輸用于導電材料或電加熱器的電，可傳輸用于燃燒器的燃料，或者可傳輸在地層中循環的熱交換流體。在一些實施例中，用于就地熱處理過程的電可由一個或多個核電站提供。使用核動力可使得降低或消除從就地熱處理過程釋放的二氧化碳。
加熱地層可引起地層的滲透性和/或孔隙率增大。滲透性和/或孔隙率的增大可通過由于水的汽化和移出、烴的移出和/或斷裂的形成而使地層中的礦體減小而產生。由于地層的增大的滲透性和/或孔隙率，流體可更容易地在地層受熱部分中流動。由于增大的滲透性和/或孔隙率，地層受熱部分中的流體可運動通過地層相當長的距離。相當長的距離根據各種因素可以是IOOOm以上，該各種因素諸如是地層的滲透性、流體的性質、地層的溫度和允許流體運動的壓力梯度。流體在地層中行進相當長距離的能力允許生產井106 在地層中相對遠地間隔開。
生產井106用于從地層移出地層流體。在一些實施例中，生產井106包括熱源。 生產井中的熱源可在生產井處或生產井附近加熱地層的一個或多個部分。在一些就地熱處理過程的實施例中，由每米生產井從生產井提供給地層的熱量小于由加熱地層的每米熱源提供給地層的熱量。從生產井提供給地層的熱可通過汽化和移出生產井附近的液相流體和 /或通過由形成大量和/或極微小的斷裂而增大生產井附近的地層的滲透性來增大生產井附近的地層滲透性。
在一些實施例中，生產井106中的熱源允許從地層中移出地層流體的汽相。在生產井處或通過生產井提供熱可用于(1)在該生產流體鄰近上覆巖層在生產井中運動時抑制該生產流體的冷凝和/或逆流；(2)增加輸入到地層中的熱；(3)與沒有熱源的生產井相比提高生產井的產率；⑷抑制生產井中高碳數(C6及以上)化合物的冷凝；和/或(5)增大生產井處或生產井附近的地層的滲透性。
地層中的地下壓力可對應于在地層中產生的流體壓力。隨著地層的受熱部分中的溫度升高，受熱部分中的壓力可由于就地流體的熱膨脹、增加的流體生成和水的汽化而增大。控制從地層移出流體的速率可允許控制地層中的壓力。地層中的壓力可在很多不同的位置處確定，諸如在生產井附近或在生產井處、在熱源附近或在熱源處、或在監控井處。
在一些含烴地層中，從地層生產烴受到抑制，直到已經使地層中的至少一些烴流動和/或熱解。當地層流體具有選定質量時，地層流體可從地層產出。在一些實施例中，選定質量包括至少約20°、30°或40°的API重力指標。直到使至少一些烴流動和/或熱解， 抑制生產才可加快重烴向輕烴的轉化。抑制初期產量可使從地層產出的重烴的量最小。生產大量重烴可能需要昂貴的設備和/或縮短生產設備的壽命。
在一些實施例中，可允許增加由在地層中產生的流動流體、熱解流體或其它流體的膨脹所產生的壓力，盡管通向生產井106的開放路徑或任何其它壓力降可能仍然不存在于地層中。可允許流體壓力朝向巖石靜壓力增加。含烴地層中的斷裂可在流體接近巖石靜壓力時形成。例如，可在地層的受熱部分中從熱源102至生產井106形成斷裂。受熱部分中斷裂的產生可釋放該部分中的一些壓力。地層中的壓力可能不得不保持低于選定壓力以便抑制不想要的生產、上覆巖層或下伏巖層的斷裂和/或烴在地層中的焦化。
在達到流動和/或熱解溫度且允許從地層進行生產之后，地層中的壓力可發生變化，用于改變和/或控制產出的地層流體的成分、用于控制地層流體中可冷凝流體相對于不可冷凝流體的百分比、和/或用于控制正在產出的地層流體的API重力指標。例如，降低壓力可導致產出較大的可冷凝流體組分。可冷凝流體組分可含有較大百分比的烯烴。
在一些就地熱處理過程的實施例中，地層中的壓力可保持足夠高以促使產出API 重力指標大于20°的地層流體。在地層中保持增大的壓力可在就地熱處理期間抑制地層塌陷。保持增大的壓力可減少或消除對在地表處壓縮地層流體以將收集管道中的流體輸送到處理設備的需要。
令人驚訝的是，在地層的受熱部分中保持增加的壓力可允許產生質量提高且相對低分子量的大量烴。壓力可保持成使得產出的地層流體具有極小量的所選碳數以上的化合物。所選碳數可以是至多25、至多20、至多12或至多8。一些高碳數化合物可夾帶在地層中的蒸氣中并且可與蒸氣一起從地層移出。在地層中保持增大的壓力可抑制在蒸氣中夾帶高碳數化合物和/或多環烴化合物。高碳數化合物和/或多環烴化合物可在地層中在相當長時間保持為液相。相當長時間可為化合物提供足夠長的時間進行熱解以形成低碳數化合物。
從生產井106產出的地層流體可通過收集管道108輸送到處理設備110。地層流體還可從熱源102產出。例如，流體可從熱源102產出以控制鄰近熱源的地層中的壓力。從熱源102產出的流體可通過生產管或管道輸送到收集管道108，或者產出流體可通過生產管或管道直接輸送到處理設備110。處理設備110可包括分離單元、反應單元、改質單元、 燃料室、渦輪、存儲容器和/或其它用于處理產出的地層流體的系統和單元。處理設備可將從地層產出的烴的至少一部分形成運輸燃料。在一些實施例中，運輸燃料可以是航空燃料 (jet fuel)，諸如 JP-8。
在某些實施例中，熱源、熱源動力源、生產設備、供給管線和/或其它熱源或生產支承設備布置在隧道(tunnels)中，以使得較小尺寸的熱源和/或較小尺寸的設備能夠用于處理地層。將這些設備和/或結構布置在隧道中同樣可減少用于處理地層的能量源成本，減少來自處理過程的排出物，便于加熱系統的安裝，和/或與采用地面基設備進行烴回收過程相比減少損失到上覆巖層的熱損失。例如這些隧道可以為基本上水平隧道和/或傾斜隧道。
在一些就地處理過程的實施例中，使用循環系統來加熱地層。使用用于含烴地層的就地熱處理的循環系統可減少用于處理地層的能量成本，減少來自該處理過程的排出物，和/或便于加熱系統的安裝。在某些實施例中，該循環系統是閉環循環系統。圖2示出了使用循環系統加熱地層的系統的示意圖。該系統可用于加熱烴，所述烴位于土地中較深處并且位于相對較大范圍的地層中。在一些實施例中，烴可位于地面以下100m、200m、300m 或更深。該循環系統還可用于加熱并沒有深入地中的烴。烴可存在于縱長延伸高達1000m、 3000m、5000m或更多米的地層中。該循環系統的加熱器可相對于相鄰的加熱器布置，以使得循環系統的加熱器之間的熱疊加允許地層的溫度至少升高到地層中的含水地層流體的沸點以上。
在一些實施例中，加熱器200通過鉆出第一井眼然后鉆出與第一個井眼相連的第二井眼而形成于地層中。管道可布置在u形井眼中，以形成u形加熱器200。加熱器200通過管道連接到傳熱流體循環系統202。在一些實施例中，加熱器以三角形圖案布置。在一些實施例中，使用了其它規則的或不規則的圖案。生產井和/或注入井也可位于地層中。生產井和/或注入井可具有與加熱器200的加熱部分類似、長的基本水平部段，或者生產井和 /或注入井可其它方式定向(例如，這些井可以是豎直定向的井、或者包括一個或多個傾斜部分的井)。
如圖2所示，傳熱流體循環系統202可包括供熱裝置204、第一熱交換器206、第二熱交換器208和流體推進器210。供熱裝置204將傳熱流體加熱到高溫。供熱裝置204可以是爐子、太陽能收集器、化學反應器、核反應堆、燃料室和/或其它能夠向傳熱流體供給熱的高溫源。如果傳熱流體是氣體，則流體推進器210可以是壓縮機。如果傳熱流體是液體，流體推進器210可以是泵。
在離開地層212之后，傳熱流體經過第一熱交換器206和第二熱交換器208到達流體推進器210。第一熱交換器206在離開地層212的傳熱流體與離開流體推進器210的傳熱流體之間的傳熱，以升高進入供熱裝置204的傳熱流體的溫度，以及降低離開地層212 的流體的溫度。第二熱交換器208進一步降低了傳熱流體的溫度。在一些實施例中，第二傳熱流體208包括用于傳熱流體的儲存罐或者是用于傳熱流體的儲存罐。
傳熱流體從第二熱交換器208流到流體推進器210。流體推進器210可位于供熱裝置204之前，以使得流體推進器不必在高溫下工作。
在一個例中，傳熱流體是二氧化碳。供熱裝置204是將傳熱流體加熱到從約700°C 到約920°C、從約770°C到約870°C、或者從約800°C到約850°C范圍內的溫度的爐子。在一個實施例中，供熱裝置204將傳熱流體加熱到約820°C的溫度。傳熱流體從供熱裝置204流到加熱器200。熱從加熱器200傳熱到鄰近加熱器的地層212。離開地層212的傳熱流體的溫度可處于從約350°C到約580°C范圍內的溫度、從約400°C到約530°C范圍內的溫度、或者從約450°C到約500°C范圍內的溫度。在一個實施例中，離開地層212的傳熱流體的溫度是約480°C。用于形成傳熱流體循環系統202的管道的冶金性可被改變，以顯著地降低管道的成本。可從供熱裝置204到溫度足夠低的位置處使用高溫鋼，以使得可從該溫度足夠低的位置到第一熱交換器206使用較為廉價的鋼。若干不同等級的鋼可用于形成傳熱流體循環系統202的管道。
在一些實施例中，曬鹽(例如包含60wt% (重量百分比)的NaNO3和40wt%KN03) 用作循環流體系統中的傳熱流體。曬鹽可具有約230°C的熔點和約565°C的工作溫度上限。 在一些實施例中，LiNO3(例如，在約10%重量百分比與約30%重量百分比之間的LiNO3)可添加到曬鹽中，以生產具有較寬工作溫度范圍和較低熔點的第三系鹽混合物，只是第三系鹽混合物與曬鹽相比最大工作溫度稍微下降。第三系鹽混合物的較低熔點可降低預熱要求并且允許使用加壓水和/或加壓鹽水作為用于預熱循環系統的管道的傳熱流體。由在 550°C時第三系鹽混合物所引起的加熱器的金屬腐蝕率與由在565°C時曬鹽所引起的加熱器的金屬腐蝕率相當。表1示出了曬鹽和第三系鹽混合物的熔點和工作溫度上限。第三系鹽混合物的含水溶液可在移出水時在沒有凝固的情況下轉變成熔鹽，從而允許提供熔鹽和 /或將熔鹽以水溶液形式進行存儲。
表 1
權利要求
1.一種用于加熱地下地層的方法，包括從多個加熱器向地層供給熱；和使加熱器中的一個或多個的一部分移出配備有滑動密封件的井口，以調節加熱器的熱膨脹。
2.如權利要求1所述的方法，其中從多個加熱器供給熱包括使傳熱流體流經一個或多個加熱器。
3.如權利要求1所述的方法，其中加熱器的移出井口的部分是隔熱的。
4.如權利要求1所述的方法，還包括在由于熱膨脹所引起的加熱器長度發生顯著變化停止之后固定加熱器相對于加熱器所經過的井口的位置。
5.一種用于加熱地下地層的方法，包括從多個加熱器向地層供給熱；和使用一個或多個滑配接頭使所述加熱器中的一個或多個的一部分移出井口。
6.如權利要求5所述的方法，其中至少一個滑配接頭的至少一部分包括至少一個滑動密封件，其中所述滑動密封件在空間上隔熱。
7.如權利要求5所述的方法，其中從多個加熱器供給熱包括使傳熱流體流經一個或多個加熱器。
8.如權利要求5所述的方法，其中加熱器的移出井口的部分是絕緣的。
9.如權利要求5所述的方法，還包括在由于熱膨脹所引起的加熱器長度發生顯著變化停止之后固定加熱器相對于加熱器所經過的井口的位置。
10.一種用于調節地層中加熱器的熱膨脹的方法，包括加熱地層中的加熱器；和將加熱器的一部分提升離開地層以調節加熱器的熱膨脹。
11.如權利要求10所述的方法，其中至少一個滑配接頭的至少一部分包括至少一個滑動密封件，其中所述滑動密封件在空間上隔熱。
12.如權利要求10所述的方法，其中從多個加熱器供給熱包括使傳熱流體流經一個或多個加熱器。
13.如權利要求10所述的方法，其中加熱器的移出井口的部分是隔熱的。
14.如權利要求10所述的方法，還包括在由于熱膨脹所引起的加熱器長度發生顯著變化停止之后固定加熱器相對于加熱器所經過的井口的位置。
15.一種用于加熱地下地層的系統，包括多個定位于地層中的加熱器，所述加熱器構造用于向地層提供熱；和與加熱器的一部分聯接的至少一個提升器，所述提升器構造用于將加熱器的部分提升離開地層以調節加熱器的熱膨脹。
16.如權利要求15所述的系統，其中從多個加熱器供給熱包括使傳熱流體流經一個或多個加熱器。
17.如權利要求15所述的系統，其中至少一個提升器包括液壓提升器。
18.如權利要求15所述的系統，還包括在至少一個提升器附近測量加熱器的應變，以及基于所測量的應變控制由提升器施加給加熱器的提升量。
19.如權利要求15所述的系統，還包括在加熱加熱器之前測量與加熱器聯接的提升器的第一液壓壓力，在開始加熱之后控制提升器的液壓壓力以將提升器的液壓壓力保持為至少接近第一液壓壓力。
20.如權利要求15所述的系統，還包括在由于熱膨脹所引起的加熱器長度發生顯著變化停止之后固定加熱器相對于加熱器所經過的井口的位置。
全文摘要
本發明描述了用于處理地下地層的系統和方法。一種用于加熱地下地層的方法可包括從多個加熱器向地層供給熱；和使加熱器中的一個或多個的一部分移出配備有滑動密封件的井口，以調節加熱器的熱膨脹。
文檔編號E21B43/24GK102187055SQ200980140451
公開日2011年9月14日 申請日期2009年10月9日 優先權日2008年10月13日
發明者R·M·巴斯, A·M·G·L·克魯斯, E·R·F·奧坎波斯, D·拉古, J·S·松, J·J·文迪托 申請人:國際殼牌研究有限公司