專利名稱：用蒸汽和二氧化碳采出粘性烴的方法
技術領域：
本發明一般性地涉及采出高粘性烴的方法，具體涉及將部分飽和的蒸汽泵送到井底燃燒器以使所述蒸汽過熱并將蒸汽和二氧化碳注入水平或垂直的破裂帶(fracturedzone)。
背景技術：
全世界存在大量的粘性烴儲礦(reservoir)。這些儲礦包含極粘的烴，通常稱為“焦油”、“重油”或“超重油”，其在100° F下測量的粘度通常為3000-1000000厘泊。高粘度使得烴的回收困難且昂貴。對于淺層焦油沙采用露天開采。對于更深的儲礦，已經采用原位加熱重油來降低粘度。在一種技術中，部分飽和的蒸汽從表面處的蒸汽發生器注入礦井。通過在蒸汽注入后使儲礦浸透選定的時間然后對其進行開采，可以從注入蒸汽的該礦井采出重油。當產量降低時，操作者重復上述過程。可能需要井下泵將被加熱的重油泵送到表面。在此情況下，需要每次在注入蒸汽之前將泵從礦井中取出，然后在注入之后再置入使其重新工作。也可以通過與注入器礦井隔開的第二礦井來采出重油。另一種技術使用兩個水平的礦井，其中一個礦井位于另一個礦井上方數英尺的位置并與其平行。每個礦井都具有割縫襯管。蒸汽被連續注入上方井孔以加熱重油并使其流入下方井孔。其它建議包括將蒸汽連續注入被垂直采出井包圍的垂直注入井。美國專利6016867公開了使用一個或更多個注入和采出井孔。還原氣體、氧化氣體和蒸汽的混合物被供給到位于注入井孔中的井下燃燒裝置。還原氣體、氧化氣體混合物進行燃燒生成過熱蒸汽和熱氣體，用于注入地層以使重質原油或浙青轉化和升級為輕質烴。過熱蒸汽的溫度足以引起熱解和/或加氫減粘(如果存在氫)，這在原位增大了烴的API重力并且降低了粘度。’ 867專利聲稱，替代性的還原氣體可以主要由氫以及少量的一氧化碳、二氧化碳和烴氣組成。’ 867專利還公開了在注入蒸汽之前使地層破裂。’ 867專利同時公開了注入和采出發生在同一礦井中的循環工藝和包括通過井下燃燒器將蒸汽泵送到包圍采出井的礦井中的連續驅動工藝。在連續驅動工藝中，’ 867專利教導了將破裂帶延伸至相鄰的礦井。
發明內容
井下燃燒器被固定在礦井中。操作者將燃料(例如氫)泵送到燃燒器中，并通過獨立于燃料的管道將氧泵送到燃燒器中。操作者使燃料在燃燒器中燃燒并在燃燒器中生成過熱蒸汽，這優選通過將部分飽和的蒸汽泵送至燃燒器來實現。部分飽和的蒸汽將燃燒器冷卻而變得過熱。操作者還將二氧化碳泵送到燃燒器的燃燒室中或其周圍，并將二氧化碳和過熱蒸汽注入地層以加熱其中的烴。優選地，操作者首先使礦井破裂以形成水平或垂直的直徑有限的破裂帶。破裂帶優選不與相鄰礦井的任何排水區或破裂帶交叉。破裂帶周圍的未破裂地層防止了氣態產品在浸泡期間從破裂帶滲漏。在浸泡期間，操作者可以將燃料和蒸汽間歇地泵送至燃燒器，從而在破裂帶中保持期望的壓力值。在浸泡期間過后，操作者開啟井頭處的閥門以使烴流入井孔并沿礦井向上流動。在此過程中經受了熱解和/或加氫減粘的粘性烴流至表面用于進一步處理。優選地，破裂帶中由蒸汽、二氧化碳和殘余氫氣生成的溶解氣體導致了流動發生。也可以使用井下泵。二氧化碳提高了產量，這是因為二氧化碳比蒸汽或氫或其混合物更易溶于重質烴。這種溶解使烴的粘度下降，并且二氧化碳增加了更多溶解氣體以驅動采出。優選地，將返回到表面的二氧化碳、氫氣和熱水部分與回收的烴分離并循環。在某些儲礦中，蒸汽與碳酸鹽在巖層中反應并釋放二氧化碳，但是釋放量僅為進入重油儲礦的二氧化碳的所需量的一小部分。當產量降至足夠低時，操作者可以重復將來自燃燒器的蒸汽、二氧化碳和燃燒產物注入破裂帶的過程。操作者也可以再次破裂地層從而擴大破裂帶。
圖1為根據本發明采出重油的礦井和工藝的示意圖；圖2示出了與相鄰礦井緊鄰的圖1的礦井，該相鄰礦井也可以根據本發明進行采出；圖3為本發明的工藝中采用的燃燒裝置的示意圖。
具體實施例方式參見圖1，礦井11基本上垂直延伸穿過數個地層，其中至少一個包括重油或焦油地層15。覆蓋地層13位于油地層15上方。重油地層15位于下伏地層17上方。重油地層15通常為包含極粘烴的焦油沙，極粘烴的粘度例如為3000-1000000cp。覆蓋地層13可以是各種地質層，例如密封重油地層15并使其具有相對高的破裂壓力的厚且致密的石灰石。下伏地層17也可以是厚且致密的石灰石或者某些其它類型的地層。如圖1所示,礦井具有套管,套管在重油地層15的至少部分中具有穿孔或槽縫19。而且，礦井優選被破裂以形成破裂帶21。在破裂過程中，操作者通過穿孔19泵送流體并對重油地層15施加大于其裂層壓力的壓力。該壓力使地層15內部產生通常從礦井11徑向延伸的裂縫，從而使流體可以流入破裂帶21。用于造成破裂的注入流體可以是常規流體，通常包含水、各種添加劑以及支撐劑材料(例如沙粒或陶瓷小球)，或者在某些情況下可以使用蒸汽本身。在本發明的一種實施方式中，操作者控制破裂流體的注入速率和破裂過程的持續時間，從而限制包圍礦井11的破裂帶21的擴展范圍或尺寸。破裂帶21具有相對小的初始直徑或周界21a。限制破裂帶21的周界21a，以使其不會與延伸到同一重油地層15中的相鄰礦井23的任何現有的或計劃的破裂帶或排水區25(圖2)相交叉。此外，在優選方法中，操作者會在隨后增大礦井11周圍的破裂帶21，因此在不與相鄰礦井23的排水區25交叉的條件下，初始周界21a應為后來的破裂帶21擴大而留有余地。相鄰的礦井23先前可以任選地進行一個或更多個與礦井11相同的破裂過程，或者操作者可以計劃今后以與礦井11相同的方式進行破裂。因此，破裂帶周界21a不與破裂帶25交叉。優選地，破裂帶周界21a延伸至小于礦井11與23之間的距離的一半。破裂帶21被重油地層15在周界21a外側以及破裂帶21上方和下方的未破裂部分包圍。形成破裂帶21的破裂過程可以在安裝下面討論的井下燃燒器29之前或之后進行。如果在安裝井下燃燒器29之后進行，則破裂流體將通過燃燒器29被泵送。在圖1中，采出樹(production tree)或井頭(wellhead) 27位于礦井11的表面。采出樹27與一條或多條管道相連，用于將燃料37、蒸汽38、氧39和二氧化碳40向下經礦井11引至燃燒器29。燃料37可以是氫、甲烷、合成氣或某些其它燃料。燃料37可以是氣體或液體。優選地，蒸汽38是部分飽和的蒸汽，其水蒸氣含量高達約50%。水蒸氣含量可以更高，甚至可將水而非蒸汽泵下礦井11 (盡管這樣做會使效率較低)。井頭27還與用于將氧向下輸送到礦井11的管道(如標號39表示)連接。燃料37和蒸汽38可以混合并沿同一管道相下輸送，但輸送燃料37的管道應當獨立于輸送氧39的管道。由于二氧化碳40在與蒸汽混合時具有腐蝕性，因此其優選通過獨立于蒸汽38的管道的管道向下流動。如果燃料通過獨立于蒸汽38的管道輸送，則二氧化碳40可以與燃料37混合。與燃料37混合的二氧化碳40的百分比不應過高從而阻礙燃料燃燒。如果燃料是合成氣、甲烷或另一種烴，則燃燒器29中的燃燒過程產生二氧化碳。在某些情況下，燃燒過程所產生的二氧化碳的量可能足夠，從而不需要將二氧化碳泵至井下。燃料37、蒸汽38、氧39和二氧化碳40的管道可以包括盤管或采出管件的螺紋接頭。二氧化碳40的管道可包括礦井11的套管中的環隙。燃燒裝置或燃燒器29被固定在礦井11中，用于接收燃料37、蒸汽38、氧39和二氧化碳40的流。選擇燃燒器29的直徑，以使其可被安裝在常規礦井套管內，該直徑通常為約7-9英寸，但可以更大。如圖3所示，封隔器和錨定裝置31位于燃燒器29上方，以使礦井11在封隔器31上方的套管與封隔器31下方的套管間形成密封。燃料37、蒸汽38、氧39和二氧化碳40的管道密封性地延伸穿過封隔器31。因此，封隔器31使燃燒器29周圍的壓力與礦井11中封隔器31上方的任何壓力隔離。燃燒器29具有由夾套35包圍的燃燒室33，夾套35可被認為是燃燒器29的一部分。燃料37和氧39進入燃燒室33以使燃料燃燒。蒸汽38也可流入燃燒室33以冷卻燃燒器29。優選地，二氧化碳40流過夾套35，這有助于冷卻燃燒室33，或者，由于二氧化碳不燃燒，可使其流過燃燒室33，這也會冷卻室33。如果燃料37是氫，一部分氫可以轉向流過夾套35。蒸汽38可流過夾套35，但因為腐蝕效應而優選不用二氧化碳40混合。燃燒器29點火并燃燒至少部分燃料37，這在燃燒器29中產生高溫。在不存在冷卻劑的條件下，該溫度對于燃燒器29來說很可能過高，從而無法長時間耐受。流入燃燒室33的蒸汽38降低了該溫度。而且優選地，有少量過量的燃料37流入燃燒室33。過量的燃料不燃燒，而燃料37只在燃燒時釋放熱量，因此燃燒室33中的溫度降低。過量的燃料在不燃燒的狀態下通過燃燒室33而變得較熱，這從燃燒室33中轉移了一部分熱量。此外，流過夾套35的二氧化碳40以及可能流過夾套35的所有氫氣使燃燒室33冷卻。美國專利5163511中示出了一種用于燃燒燃料并將蒸汽和燃燒產物注入地層的井下燃燒器。蒸汽38、燃料37的過量部分以及二氧化碳40使燃燒室33內的溫度降至例如約1600° F，而將流過燃燒器29的部分飽和的蒸汽的溫度升至過熱水平。過熱蒸汽的溫度高于其露點，因此不含水蒸氣。包含過熱蒸汽、過量燃料、二氧化碳和其它燃燒產物的氣態產物43優選以約550-700° F內溫度離開燃燒器29。由于在表面處施加至燃料37、蒸汽38、氧39和二氧化碳40的壓力，熱的氣態產物43被注入破裂帶21。破裂帶21中的裂縫增大了這些流體的接觸表面積，從而加熱地層并溶解到重油中以使油的粘度降低并生成溶解氣，以有利于驅動油在采出循環過程中返回礦井。地層15的未破裂周圍部分基本上是不能被氣態產物43滲透的，這是因為未加熱的重油或焦油不具有足以被置換的流動性。因此，未加熱的重油地層15的周圍部分可以在破裂帶21周圍形成一個容器，從而長時間地阻止熱氣體產物43滲漏，足以使破裂帶21內的重油發生重要的改質反應。如果燃料37包含氫，則被注入的未燃燒部分會有利地抑制在破裂帶21中形成焦炭。被注入的氫可全部來自供給至燃燒室33的未燃燒的過量氫，或者其可以是轉向流過夾套35的氫。然而，氫不像二氧化碳那樣溶解在油中。另一方面，二氧化碳極易溶于油，因而溶解在重油中，從而降低烴的粘度并增加溶解氣。在二氧化碳40通過燃燒器29時升高其溫度，將熱量輸送至地層，這降低了與熱量接觸的烴的粘度。而且，注入的二氧化碳40使儲礦內的溶解氣增多。保持熱氣態產物43的高注入溫度(優選約700° F)，可強化熱解和加氫減粘(如果存在氫)，這導致重油的API重力在原位增大。模擬表明，將二氧化碳和氫注入已破裂的重油儲礦是有益的。在三個模擬中，對比了二氧化碳相對于被注入的蒸汽和氫為1%、10%和25% (摩爾比)的情況。對比采用兩年的循環操作，每個循環浸泡21天。結果如下
模擬％co2累積采出的油蒸汽/油比率
1，未破裂0303014.3
2，破裂I956113.2
3 破裂10208938.99
4，破裂25220115.65上述結果表明，對于產量和蒸汽/油比，25%的二氧化碳優于10%的二氧化碳。優選地，注入儲礦的二氧化碳百分比為10% -25%或更大但至少為5%，所述百分比為相對于被注入的蒸汽和氫的摩爾比。在優選方法中，燃料37、蒸汽38、氧39和二氧化碳40到燃燒器的輸送以及熱氣態產物43到破裂帶21的注入同時發生，持續一段選定的時間，例如七天。當氣態產物43被注入破裂帶21時，破裂帶21的溫度和壓力升高。在注入期結束時，容許破裂帶21被浸泡一段選定的時間，例如21天。在浸泡期間，操作者可將燃料37、蒸汽38、氧39和二氧化碳40泵至燃燒器29，在其中燃燒，然后將熱燃燒氣體43注入地層15，以在破裂帶21中保持期望的壓力水平并且將熱量損失轉 移給周圍的地層。在浸泡期間不再注入熱氣態流體43。然后，操作者開始采出油，這由儲礦壓力以及優選額外的溶解氣壓力驅動。油優選沿采出管線向上采出出來，采出管線也可以是泵送燃料37、蒸汽38或二氧化碳40的管道之一。優選地，燃燒器29保持在適當位置，而油流過燃燒器29的部件。或者，礦井11可在數英尺外(優選不超過約50英尺)包括第二個井孔，油沿此獨立的井孔而非包含燃燒器29的井孔向上流動。第二井孔可以完全獨立于第一井孔并與其平行，或者第二井孔可以是與主井孔相交并從主井孔延伸的側鉆井孔。只要操作者認為可行，即可繼續油采出，可達35天或更久。當產量降至足夠低時，操作者可以任選地重復注入和采出循環而無論是否另外破裂。在隨后的注入和采出循環中擴展破裂以增大破裂帶21的周界21a，然后重復上述注入和采出循環，這可能是可行的。優選地，這種額外的破裂操作可以在不移除燃燒器29的條件下進行，但是可以根據需要移除燃燒器29。只要破裂帶21不與相鄰礦井23的破裂帶或排水區25 (圖2)相交叉，即可重復上述工藝。通過將破裂帶21的直徑從相對小的周界逐漸增至與相鄰礦井23 (圖2)間距的一半，操作者可以有效地開采粘性烴地層15。對于每次新的破裂操作，先前破裂的部分會為熱氣態產物43到礦井的注入以及烴到礦井的流動提供流道。而且，先前破裂的部分保留來自熱燃燒氣體43先前注入的熱量。圖1和2中的標號21b表示破裂帶21在第二破裂過程之后的周界。如果需要，在對礦井11進行的同時，操作者可以對礦井23進行類似的破裂、注入、浸泡和采出循環。只要是可行的，可以在進行或不進行額外破裂的條件下重復注入和采出的循環。在破裂帶21達到最大限制(將比周界21b更大)之前或之后，操作者可能希望將礦井11轉化為連續驅動系統。這種轉化可在礦井11已被破裂數次之后發生，每次破裂均增大周界的尺寸。在連續驅動系統中，礦井11或者是連續采出器或者是連續注入器。如果礦井11是連續注入器，則井下燃燒器29會被連續地供給燃料37、蒸汽38、氧39和二氧化碳40，這使燃料燃燒并將熱氣態產物43注入破裂帶21。熱氣態產物43例如以反五點或反七點井網模式迫使油流至周圍的采出井。每個周圍的采出井具有與注射井的破裂帶21交叉的破裂帶。如果礦井11是連續采出器，則燃料37、蒸汽38、氧39和二氧化碳40會例如以正五點或正七點模式被泵至周圍注入井中的井下燃燒器29。周圍注入井中的井下燃燒器29會燃燒燃料并將熱氣態產物43注入破裂帶，其中每個破裂帶與采出井的破裂帶連接，從而迫使油流至采出井。本發明具有顯著的優點。二氧化碳以及蒸汽和未燃燒的燃料到地層中的注入增加了得到的重油產量。在二氧化碳通過燃燒器時將其加熱提高了破裂的重油地層的溫度。二氧化碳還增加了地層中的溶解氣。破裂帶周圍的未破裂的重油地層長時間地阻止了過量的燃料、蒸汽和其它燃燒產物滲漏到相鄰地層中或者滲漏至表面，足以使地層中的重油發生重要的改質反應。該容器使過量燃料和流入破裂帶的其它熱氣體的作用最大化。通過減少從破裂帶的滲漏，降低了燃料、氧和蒸汽的費用。而且，包含過量的燃料提高了礦井處理的安全性。至少部分燃料、二氧化碳以及采出流體中包含的熱量可以被循環，盡管僅僅展示了本發明的一種形式，但對本領域技術人員來說顯而易見的是，本發明并非如此局限，而是在不脫離本發明的范圍的前提下容易作出各種改變。例如，裂縫可以是垂直的而非水平的。此外，雖然圖1所示礦井為垂直井，但它也可以是水平井或斜井。在那些情形下，破裂帶可以是一個或更多個垂直或水平裂縫。燃燒器可以位于垂直或水平部分內部。系統可以包括水平注入井和獨立的水平采出井，該水平采出井具有位于注入井的水平部分下方數英尺并與其平行的割縫襯管。在某些地層中，可能需要破裂。
權利要求
1.一種用于從儲礦采出粘性烴的方法，包括 將燃燒器置于第一礦井中，其中所述燃燒器包括燃燒室； 將燃料、氧化劑，以及水或蒸汽中的一種從表面供應到所述第一礦井中的所述燃燒器； 將降低粘度用氣體在獨立于所述燃料的管道中從所述表面供應到所述儲礦； 在所述燃燒室中點燃所述燃料和所述氧化劑，以在所述燃燒器中生成熱量和蒸汽； 將所述降低粘度用氣體和蒸汽注入所述儲礦，以降低所述儲礦內的烴的粘度并加熱所述儲礦內的所述烴；以及從所述儲礦回收所述烴。
2.如權利要求1的方法，其中通過所述第一礦井，或通過與所述第一礦井間隔開的或交叉的第二礦井從所述儲礦回收所述烴。
3.如權利要求1的方法，其中用于供應所述降低粘度用氣體的所述管道包括所述第一礦井的環隙。
4.如權利要求1的方法，其中所述降低粘度用氣體和蒸汽被同時或交替地注入所述儲礦。
5.如權利要求1的方法，其中所述降低粘度用氣體和蒸汽形成包含二氧化碳的氣態產物。
6.如權利要求5的方法，其中所述氣態產物包含至少5%的二氧化碳。
7.如權利要求5的方法，其中所述氣態產物包含10%或更多的二氧化碳。
8.如權利要求5的方法，其中所述氣態產物包含25%或更多的二氧化碳。
9.如權利要求5的方法，還包括提高所述氣態產物中的二氧化碳的百分比，降低回收的所述烴的蒸汽/油比率。
10.如權利要求5的方法，還包括提高所述氣態產物中的二氧化碳的百分比，將回收的所述烴的蒸汽/油比率降低到低于14. 3。
11.如權利要求5的方法，還包括提高所述氣態產物中的二氧化碳的百分比，將回收的所述烴的蒸汽/油比率降低到低于5. 65。
12.如權利要求5的方法，還包括提高所述氣態產物中的二氧化碳的百分比，提高回收的所述烴的累積油產量。
13.如權利要求1的方法，其中所述降低粘度用氣體與所述氧化劑或所述水或蒸汽一起流到所述燃燒器。
14.如權利要求1的方法，還包括如下中的至少一種利用由所述燃燒器生成的熱量提高所述降低粘度用氣體的溫度，以將熱量傳送到所述儲礦；以及利用所述降低粘度用氣體來升高所述儲礦中的地層壓力。
15.如權利要求1的方法，其中所述降低粘度用氣體包括二氧化碳。
16.如權利要求2的方法，其中所述第一礦井和所述第二礦井中的至少一個包括至少一個垂直、水平和斜井部分。
17.一種用于從儲礦采出粘性烴的方法，包括 將燃燒器置于第一礦井中，其中所述燃燒器包括燃燒室； 將燃料、氧化劑，以及水或蒸汽中的一種從表面供應到所述第一礦井中的所述燃燒器； 將降低粘度用氣體在獨立于所述燃料的管道中從所述表面供應到所述儲礦； 在所述燃燒室中點燃所述燃料和所述氧化劑，以在所述燃燒器中生成熱量和蒸汽； 將所述降低粘度用氣體和蒸汽注入所述儲礦，以降低所述儲礦內的烴的粘度并加熱所述儲礦內的所述烴；以及 通過第二礦井從所述儲礦回收烴，所述第二礦井與所述第一礦井是間隔開的或交叉的。
18.如權利要求17的方法，其中用于供應所述降低粘度用氣體的所述管道包括所述第一礦井的環隙。
19.如權利要求17的方法，其中所述降低粘度用氣體和蒸汽被同時或交替地注入所述儲礦。
20.如權利要求17的方法，其中所述降低粘度用氣體和蒸汽形成包含二氧化碳的氣態產物。
21.如權利要求20的方法，其中所述氣態產物包含至少5%的二氧化碳。
22.如權利要求20的方法，其中所述氣態產物包含10%或更多的二氧化碳。
23.如權利要求20的方法，其中所述氣態產物包含25%或更多的二氧化碳。
24.如權利要求20的方法，還包括提高所述氣態產物中的二氧化碳的百分比，降低回收的所述烴的蒸汽/油比率。
25.如權利要求20的方法，還包括提高所述氣態產物中的二氧化碳的百分比，將回收的所述烴的蒸汽/油比率降低到低于14. 3。
26.如權利要求20的方法，還包括提高所述氣態產物中的二氧化碳的百分比，將回收的所述烴的蒸汽/油比率降低到低于5. 65。
27.如權利要求20的方法，還包括提高所述氣態產物中的二氧化碳的百分比，提高回收的所述烴的累積油產量。
28.如權利要求17的方法，還包括如下中的至少一種利用由所述燃燒器產生的熱提高所述降低粘度用氣體的溫度，以將熱量傳送到所述儲礦；以及利用所述降低粘度用氣體來升高所述儲礦中的地層壓力。
29.如權利要求17的方法，其中所述降低粘度用氣體包括二氧化碳。
30.如權利要求17的方法，其中所述降低粘度用氣體與所述氧化劑或所述水或蒸汽一起流到所述燃燒器。
31.如權利要求17的方法，其中所述第一礦井和所述第二礦井中的至少一個包括至少一個垂直、水平和斜井部分。
全文摘要
本發明涉及用蒸汽和二氧化碳采出粘性烴的方法。使用井下燃燒器來開采重油地層。通過獨立的管道將氫、氧和蒸汽泵至燃燒器，在其中燃燒至少部分氫并使燃燒產物進入地層。蒸汽將燃燒器冷卻并成為過熱蒸汽，與燃燒產物一起被注入地層。二氧化碳也被泵到井下并注入地層。
文檔編號E21B43/16GK103061731SQ201210484350
公開日2013年4月24日 申請日期2007年2月19日 優先權日2006年2月21日
發明者查爾斯·H·威爾, 麥倫·I·庫爾曼 申請人:世界能源系統有限公司