Термообработка углеводородсодержащего пласта по месту залегания посредством обратной добычи через обогреваемую скважину
Изобретение относится к способу добычи углеводородов через обогреваемый ствол скважины, размещенной в углеводородсодержащем пласте. Обеспечивает повышение эффективности способа. Сущность изобретения: способ включает подвод тепла от одного или более нагревателей, по меньшей мере, в одну часть пласта, осуществление теплопередачи от одного или более нагревателей в часть пласта таким образом, чтобы обеспечить пиролиз, по меньшей мере, некоторых углеводородов в указанной части пласта. Подводят меньшее количество тепла в область, расположенную вблизи выбранной части обогреваемого ствола скважины, чем в другие части обогреваемого ствола скважины в рассматриваемой части пласта для ограничения температуры и замедления образования кокса в выбранной части ствола скважины или вблизи нее. Осуществляют добычу, по меньшей мере, некоторых углеводородов через выбранную часть обогреваемого ствола скважины. 11 з.п. ф-лы, 4 ил.
Область техники, к которой относится изобретение
Настоящее изобретение, главным образом, относится к способам и системам для добычи углеводородов, водорода и/или других продуктов из различных углеводородсодержащих пластов. Некоторые варианты воплощения изобретения относятся к обратной продукции через обогреваемую скважину. Части обогреваемой скважины могут иметь различные температуры.
Уровень техники
Углеводороды, добываемые из подземных (например, осадочных) пластов часто используются в качестве источников энергии, сырья и потребительских продуктов. Соображения, связанные с истощением доступных источников углеводородов и снижением качества полученных углеводородов, привели к разработке способов более эффективной регенерации, обработки и/или использования доступных углеводородных ресурсов. Внутрипластовые процессы могут использоваться для извлечения углеводородных материалов из подземных пластов. Для более легкого извлечения углеводородного материала из подземного пласта может потребоваться изменение химических и/или физических свойств углеводородного материала внутри подземного пласта. Такие химические и физические изменения могут включать реакции по месту залегания, в результате которых образуются способные к извлечению текучие среды, происходят изменения состава, растворимости, плотности, фазового состава и/или вязкости углеводородного материала внутри пласта. Текучая среда без конкретных ограничений может представлять собой газ, жидкость, эмульсию, суспензию и/или поток твердых частиц, реологические свойства которого подобны свойствам потока жидкости.
Как отмечено выше, были предприняты значительные усилия в области разработки способов и систем для экономически выгодной добычи углеводородов, водорода и/или других продуктов из углеводородсодержащих пластов. Для добычи углеводородов, водорода и/или других продуктов из углеводородсодержащих пластов может потребоваться использование большого числа эксплуатационных скважин. Существуют ситуации, когда необходимо уменьшить количество эксплуатационных скважин, используемых в углеводородсодержащем пласте. Так, например, использование буровых скважин с тепловыми источниками может обеспечить раннюю добычу текучих пластовых сред.
Раскрытие изобретения
В соответствии с одним из воплощений изобретения углеводороды внутри углеводородсодержащего пласта (например, пласта, содержащего уголь, нефтяные сланцы, тяжелые углеводороды или их комбинации) могут быть превращены внутри пласта в смесь углеводородных продуктов относительно высокого качества, водорода и/или других продуктов. Один или более нагревателей могут использоваться для нагрева части углеводородсодержащего пласта до температуры, обеспечивающей пиролиз углеводородов. Углеводороды, водород и другие текучие пластовые среды могут извлекаться из пласта через одну или более эксплуатационных скважин. Согласно некоторым воплощениям текучие пластовые среды могут извлекаться в виде паровых фаз. В других воплощениях текучие пластовые среды могут извлекаться в жидких или парообразных фазах, а также в их комбинациях. В ходе пиролиза можно регулировать температуру и давление, по меньшей мере, в части пласта с получением продуктов улучшенного качества.
В соответствии с одним из воплощений способ обработки углеводородсодержащего пласта по месту залегания может предусматривать обеспечение теплом, по меньшей мере, части пласта с помощью одного или более нагревателей. Такой способ может обеспечивать передачу тепла от одного или более нагревателей в часть пласта. Тепло, переданное в часть пласта, может обеспечивать пиролиз, по меньшей мере, некоторых углеводородов внутри части пласта. Такой способ может предусматривать селективное ограничение температуры вблизи выбранной части обогреваемой буровой скважины. Селективное ограничение температуры может замедлить образование кокса на выбранном участке или вблизи него. Такой способ также включает добычу, по меньшей мере, некоторых углеводородов через выбранную часть обогреваемого ствола скважины. В некоторых воплощениях рассматриваемый способ может включать добычу смеси из части пласта через эксплуатационную скважину.
Согласно еще одному варианту воплощения избирательное ограничение температуры предусматривает подачу меньшего количества тепла в выбранную часть обогреваемого ствола скважины, чем в другие части скважины в выбранной области. В соответствии с другими воплощениями избирательное ограничение температуры может предусматривать поддержание температуры вблизи выбранной части скважины ниже температуры пиролиза.
В некоторых вариантах воплощений обогреваемый ствол скважины может располагаться практически горизонтально внутри выбранного разреза. Каждый из нагревателей способен обеспечивать отдачу тепла менее 1650 Вт/м. Соотношение между энергоемкостью добытой смеси и вводом энергии в пласт должно составлять, по меньшей мере, около 5. Тепло, вырабатываемое, по меньшей мере, одним нагревателем, может переноситься, по меньшей мере, в часть пласта, в основном, за счет теплопроводности. Каждый из одного или более нагревателей может включать, по меньшей мере, два нагревательных устройства, и тепло, вырабатываемое, по меньшей мере, двумя такими нагревателями, обеспечивает пиролиз, по меньшей мере, некоторых углеводородов внутри части пласта. Рассматриваемый способ может предусматривать подвод, по меньшей мере, части тепла в обогреваемый ствол скважины на участке покрывающих пород с целью поддержания добытых углеводородов в парообразном состоянии.
В соответствии с другими вариантами воплощений давление в части пласта может поддерживаться на уровне ниже 150 абсолютных бар. Согласно некоторым воплощениям давление может регулироваться в интервале 2,0-70,0 абсолютных бар. Добыча углеводородов может осуществляться при парциальном давлении водорода в пласте, составляющем, по меньшей мере, около 0,5 абсолютных бар.
Краткое описание чертежей
Преимущества настоящего изобретения станут более понятными для специалиста в данной области из следующего подробного описания предпочтительных вариантов воплощений и сопровождающих чертежей, на которых:
фиг.1 иллюстрирует стадии нагревания углеводородсодержащего пласта;
фиг.2 изображает схему конструкции части конверсионной системы по месту залегания, предназначенной для обработки углеводородсодержащего пласта;
фиг.3 - конструкция обогреваемого ствола скважины, находящаяся в углеводородсодержащем пласте;
фиг.4 - конструкция обогреваемого ствола скважины с избирательным нагревом.
Хотя настоящее изобретение предусматривает различные модификации и альтернативные решения, специальные воплощения изобретения представлены на чертежах в качестве примера и могут быть рассмотрены подробно. Чертежи не могут масштабироваться. Однако следует иметь в виду, что чертежи и их подробное описание не должны рассматриваться как ограничение изобретения конкретной формой, напротив, настоящее изобретение охватывает все модификации, эквивалентные и альтернативные решения, не нарушающие сущность и область настоящего изобретения, которые определены в прилагаемой формуле изобретения.
Осуществление изобретения
Следующее описание, главным образом, относится к системам и способам для обработки углеводородсодержащего пласта (например, пласта, содержащего уголь, (включая лигнит, сапропелевый уголь и т.п.), нефтяной сланец, угольный сланец, шунгиты, кероген, битум, нефть, кероген и нефть в низкопроницаемой породе, тяжелые углеводороды, асфальтиты, природные минеральные воски, пластов, в которых кероген блокирует добычу других углеводородов и т.п.). Такие пласты могут быть подвергнуты обработке с образованием относительно высококачественных углеводородных продуктов, водорода и других продуктов.
Термин "углеводороды" обычно обозначает молекулы, состоящие из атомов углерода и водорода. Углеводороды также могут содержать другие элементы, к которым без конкретных ограничений относятся галогены, металлические элементы, азот, кислород и/или сера.
Термин "пласт" охватывает один или более углеводородсодержащих слоев, один или более неуглеводородных слоев, покрывающие породы и/или подстилающие породы. Термины "покрывающие породы" и/или "подстилающие породы" охватывает один или более непроницаемых материалов различных типов. Так, например, покрывающая порода и/или подстилающая порода могут представлять собой горную породу, сланец, аргиллит, влажный/плотный карбонат (т.е. непроницаемый карбонат без углеводородов). В некоторых воплощениях процесса конверсии по месту залегания покрывающая порода и/или подстилающая порода могут представлять собой углеводородсодержащий слой или углеводородсодержащие слои, являющиеся относительно непроницаемыми, и на которые не оказывают температурного воздействия в ходе конверсионной обработки, приводящей к значительным изменением характеристик углеводородсодержащих слоев покрывающей и/или подстилающей породы. Так, например, нижняя порода может содержать сланец или аргиллит. В некоторых случаях покрывающая и/или подстилающая порода могут быть в некоторой степени проницаемыми.
Термин "тепловой источник" относится к любой системе, снабжающей теплом, по меньшей мере, часть пласта, в основном, за счет проводящей и/или излучательной теплопередачи. Так, например, тепловой источник может включать такие электронагреватели, как изолированный проводник, удлиненный элемент и/или проводник внутри трубопровода. Тепловой источник также может представлять собой источники тепла, генерирующие тепло в результате сгорания топлива за пределами или внутри пласта, например, поверхностные горелки, глубинные газовые горелки, беспламенные распределительные камеры сгорания и природные распределительные камеры сгорания. Кроме этого, предусматривается, что в некоторых технических решениях тепло, обеспечиваемое или генерируемое в одном или более тепловом источнике, может подаваться от других источников энергии. Такие другие источники энергии могут непосредственно нагревать пласт или энергия может сообщаться передающей среде, которая непосредственно или косвенно нагревает пласт. Следует иметь в виду, что один или более тепловых источников, подводящих тепло в пласт, могут использовать различные виды энергии. Так, например, некоторые источники могут подводить в пласт тепло, вырабатываемое электронагревателями, другие тепловые источники могут подводить тепло, образующееся в результате сгорания топлива, а некоторые источники тепла могут обеспечивать тепло от одного или более других энергетических источников (например, тепло химических реакций, солнечное тепло, энергию ветра, биомассу или другие источники возобновляемой энергии). Химическая реакция может представлять собой экзотермическую реакцию (например, реакцию окисления). Тепловой источник может включать нагреватель, подводящий тепло в зону, находящуюся вблизи и/или вокруг места нагрева, например, обогреваемой скважины.
"Нагреватель" представляет собой любую систему, предназначенную для генерации тепла в скважине или вблизи ствола скважины. Без конкретных ограничений нагреватели могут представлять собой электронагреватели, горелки, камеры сгорания, в которых происходит взаимодействие с материалом пласта или материалом, добытым из пласта (например, естественно распределенные камеры сгорания), и/или их комбинации. Термин "блок тепловых источников" относится к ряду тепловых источников, образующих повторяющийся шаблон, создающий группу тепловых источников внутри пласта.
Углеводороды в пласте могут быть подвергнуты различным обработкам с целью получения большого числа различных продуктов. В некоторых воплощениях такие пласты могут обрабатываться по стадиям. Фиг.1 иллюстрирует несколько стадий нагревания углеводородсодержащего пласта. На фиг.1 также представлена зависимость выхода (в баррелях нефтяного эквивалента на тонну) (ось у) текучих пластовых сред из углеводородсодержащего пласта от температуры (°С) (ось х) пласта.
На стадии 1 нагревания осуществляется десорбция метана и испарение воды. Нагревание пласта в ходе стадии 1 может осуществляться очень быстро. Так, например, при начальном нагреве углеводородсодержащего пласта углеводороды в пласте могут десорбировать абсорбированный метан. Десорбированный метан может выводиться из пласта. При дальнейшем нагревании углеводородсодержащего пласта может происходить испарение содержащейся в нем воды. В некоторых углеводородсодержащих пластах вода может занимать приблизительно 10-50% объема пор пласта. В других пластах вода может занимать большую или меньшую часть объема пор. Испарение воды в пласте обычно происходит в температурном интервале приблизительно 160-285°С при давлении приблизительно 6-70 абсолютных бар. В некоторых вариантах воплощений изобретения пластовое давление в ходе процесса переработки по месту залегания может поддерживаться в интервале приблизительно 2-70 абсолютных бар. В других вариантах воплощений испарение воды может приводить к изменению смачиваемой способности пласта и/или повышать давление внутри пласта. Изменение смачивающей способности и/или повышение давления могут оказывать влияние на реакцию пиролиза и другие реакции, происходящие в пласте. В некоторых вариантах воплощений испаренная вода может извлекаться из пласта. В других вариантах воплощений испаренная вода может использоваться для паровой экстракции и/или дистилляции внутри пласта или за его пределами. Удаление воды и увеличение объема пор пласта может повышать свободное пространство для углеводородов внутри объема пор.
После стадии нагревания 1 нагревание пласта может продолжаться, в результате чего температура внутри пласта достигает (по меньшей мере) начальной температуры пиролиза (например, нижнего значения температурного интервала, показанного как стадия 2). На стадии 2 пластовые углеводороды могут подвергаться пиролизу. Температура пиролиза может изменяться в зависимости от типа пластовых углеводородов. Температурный интервал пиролиза может составлять приблизительно 250-900°С. Интервал температур пиролиза для добычи желаемых продуктов может составлять лишь часть общего температурного интервала пиролиза. В некоторых воплощениях интервал температур пиролиза для получения желаемых продуктов может включать температуры в интервале приблизительно 250-400°С. Если температура пластовых углеводородов медленно повышается в интервале приблизительно от 250 до 400°С, то добыча продуктов пиролиза может быть практически полной при достижении температуры 400°С. При нагревании углеводородсодержащего пласта с помощью большого числа тепловых источников могут устанавливаться такие тепловые градиенты вокруг тепловых источников, которые обеспечивают медленное повышение температуры пластовых углеводородов в интервале температур пиролиза.
В некоторых вариантах воплощений переработки внутри пласта медленное повышение температуры подлежащих пиролизу углеводородов в интервале приблизительно 250-400°С может не проводиться. Пластовые углеводороды могут нагреваться до желаемой температуры (например, до 325°С). Желательная температура может иметь и другие значения. Подвод энергии в пласт от тепловых источников может регулироваться таким образом, чтобы поддерживать желаемую температуру пласта. Желаемая температура углеводородов может поддерживаться до такого уменьшения степени пиролиза, когда добыча из пласта желаемых пластовых сред становится экономически невыгодной.
В процессе переработки по месту залегания скорость нагревания может регулироваться таким образом, чтобы минимизировать расходы, связанные с обогревом выбранного участка пласта. Такие расходы могут включать стоимость подводимой энергии и капитальные затраты. В некоторых вариантах воплощений расходы, связанные с нагревом выбранного участка, могут минимизироваться в результате снижения скорости нагревания в случае относительно высокой стоимости нагрева и увеличения скорости нагревания при относительно низкой стоимости нагрева. Так, например, может использоваться скорость нагревания около 330 Вт/м, если эта стоимость высока, тогда как при относительно низкой стоимости скорость нагревания может составлять около 1640 Вт/м. В некоторых вариантах воплощений скорости нагревания могут изменяться в интервале примерно 300-800 Вт/м при относительно высокой стоимости и в интервале 1000-1800 Вт/м при относительно низких расходах, связанных с нагреванием. Стоимость нагревания может быть относительно высокой при использовании энергии в критическое время, например, в дневное время. Так, например, потребление энергии может быть высоким в условиях теплого климата в летнее дневное время, что связано с расходом энергии на кондиционирование. Мало энергии может использоваться, например, ночью или во время выходных, когда наблюдается тенденция к снижению энергопотребления. Согласно одному из вариантов воплощений скорость нагревания может изменяться от высоких значений во время низкого энергопотребления, например, в течение ночи, до низких значений во время высокого потребления энергии, например, в дневное время.
Как показано на фиг.2, на участке углеводородсодержащего пласта помимо тепловых источников 100 обычно расположена одна или более эксплуатационных скважин 102. Текучие пластовые среды могут добываться через эксплуатационные скважины 102. В некоторых вариантах воплощений эксплуатационные скважины могут включать тепловые источники. С помощью таких тепловых источников может осуществляться нагрев участков пласта на месте расположения эксплуатационной скважины или вблизи нее и обеспечиваться удаление флюидов в парообразной фазе из текучих пластовых сред. В этом случае может уменьшаться или исключаться потребность в высокотемпературном откачивании жидкостей из эксплуатационной скважины. Исключение или ограничение высокотемпературного откачивания жидкостей может существенно уменьшить производственные расходы. В результате применения нагрева на месте расположения эксплуатационной скважины или внутри нее может обеспечиваться: (1) замедление конденсации и/или дефлегмации добытой жидкой среды при ее движении по эксплуатационной скважине вблизи покрывающей породы, (2) повышенный подвод тепла в пласт и/или (3) увеличение проницаемости пласта вблизи эксплуатационной скважины. Согласно некоторым вариантам воплощений переработки по месту залегания количество тепла, подводимого в эксплуатационные скважины, значительно меньше количества тепла, сообщаемого тепловым источникам для нагрева пласта.
Поскольку нагретый пласт обладает повышенной проницаемостью и/или пористостью, образующиеся пары могут проходить через пласт на значительных расстояниях при относительно низком перепаде давления. Увеличение проницаемости может быть результатом уменьшения массы нагреваемого участка за счет испарения воды, удаления углеводородов и/или образования трещин. Облегчается течение текучих сред через нагретый участок. В некоторых вариантах воплощений эксплуатационные скважины могут быть расположены в верхних участках углеводородных слоев.
Фиг.3 иллюстрирует один из вариантов углеводородсодержащего слоя 104, расположенного под небольшим углом относительно поверхности почвы 106. Однако угол расположения такого углеводородсодержащего слоя может изменяться. Например, углеводородсодержащий слой 104 может опускаться вниз или располагаться под большим наклоном. Как показано на фиг.3, эксплуатационные скважины 102 могут входить в углеводородсодержащий пласт вблизи верхней части участка 108, обогреваемого с помощью скважины с обогревом 110. В этом случае отпадает необходимость удлинять эксплуатационные скважины в нагретый углеводородный слой.
Жидкая среда, образующаяся в углеводородсодержащем пласте, может передвигаться на значительные расстояния в виде пара. Такое расстояние может составлять до 1000 м в зависимости от различных факторов (например, проницаемости пласта, свойств жидкой среды, температуры пласта и градиента давления, обеспечивающего движение жидкости). В связи с повышенной проницаемостью пластов, подвергнутых переработке по месту залегания и удалению пластовой жидкости, эксплуатационные скважины могут предусматриваться лишь в некоторых секциях тепловых источников или в каждой третьей, четвертой, пятой или шестой секции тепловых источников.
В ходе проведения процесса по месту залегания может использоваться такой режим работы эксплуатационных скважин, при котором они находятся при более низком давлении, чем другие участки пласта. В некоторых вариантах воплощений может осуществляться вакуумирование эксплуатационных скважин. Низкое давление в эксплуатационных скважинах может замедлять перетекание жидких сред за пределы участка внутрипластовой обработки.
Некоторые варианты воплощения могут предусматривать регулирование тепла, подводимого, по меньшей мере, в часть пласта, в результате чего может быть существенно замедлена добыча менее желательных продуктов на этом участке. Регулирование подвода тепла, по меньшей мере, в часть пласта также может повысить однородность проницаемости внутри пласта. Так, например, регулирование нагрева пласта с целью замедления добычи менее желательных продуктов в некоторых случаях может предусматривать регулирование скорости нагрева до величины меньше выбранного значения (например, 10°С, 5°С, 3°С, 1°С, 0,5°С или 0,1°С) в день.
В ходе нагрева пластов по всей их протяженности создаются температурные профили, причем в контексте настоящего патента термин "практически равномерное" нагревание обозначает такое нагревание, когда изменение температуры в большей части объема не превышает 100°С, исходя из оценки средней температуры в большей части выбранного объема, подвергаемого обработке.
Практически равномерное нагревание углеводородсодержащего пласта может приводить к практически равномерному увеличению проницаемости. Так, например, равномерный нагрев может генерировать серии практически однородных трещин внутри нагретого участка за счет теплонапряженности в пласте. Практически равномерный нагрев может обеспечивать практически однородное образование пиролизованных жидких сред на данном участке. Удаление воды за счет испарения и добычи может приводить к увеличению проницаемости нагретого участка. Помимо образования трещин за счет термического напряжения такие трещины могут также образовываться в связи с повышением давления жидких сред. По мере образования жидких сред внутри нагретого участка их давление также может возрастать. В том случае, когда давление текучей среды достигает литостатического давления нагретого участка, может происходить образование трещин. Практически равномерный нагрев и однородное образование текучих сред может вызывать образование практически однородных трещин в нагретом участке. В соответствии с некоторыми вариантами воплощений проницаемость нагретого участка углеводородсодержащего пласта может меняться не более чем в 10 раз.
Текучие пластовые среды, включающие пиролизованные жидкие среды, могут добываться из пласта. Без конкретных ограничений пиролизные текучие среды могут включать углеводороды, водород, диоксид углерода, оксид углерода, сероводород, аммиак, азот, воду и их смеси. По мере повышения температуры пласта наблюдается тенденция к уменьшению количества конденсируемых углеводородов в добытой пластовой жидкости. При высоких температурах из пласта могут добываться, главным образом, метан и/или водород. Если углеводородсодержащий пласт нагревают по всему температурному интервалу пиролиза, то в области верхней границы температурного интервала пиролиза пласт способен производить лишь небольшие количества водорода. После извлечения всего доступного количества водорода пласт обычно отдает минимальное количество жидких сред.
Некоторые варианты воплощений, касающиеся обработки тяжелых углеводородов в пласте с относительно низкой проницаемостью, могут включать подвод тепла от одного или более тепловых источников с целью пиролиза некоторых тяжелых углеводородов и последующего испарения части тяжелых углеводородов. С помощью тепловых источников может осуществляться пиролиз, по меньшей мере, некоторых тяжелых углеводородов в выбранном разрезе пласта и может создаваться давление, по меньшей мере, в части выбранного разреза. В ходе нагревания может происходить значительный рост давления внутри пласта. Пластовое давление можно регулировать таким образом, что в пласте будет поддерживаться давление, при котором добывают жидкую среду желаемого состава. Пиролизная жидкость может удаляться из пласта в виде пара через одну или более обогреваемых скважин с использованием обратного давления, создаваемого в результате нагревания пласта.
После пиролиза углеводородов в пласте может присутствовать большое количество углерода и некоторое количество водорода. Значительная часть остаточного углерода может добываться из пласта в виде синтез-газа. Образование синтеза-газа может происходить в ходе нагрева на стадии 3, изображенной на фиг.1. Стадия 3 может включать нагрев углеводородсодержащего пласта до температуры, достаточной для образования синтез-газа. Так, например, синтез-газ может образовываться в температурном интервале 400-1200°С.
Возвращаясь к фиг.2, следует отметить, что тепловые источники 100 могут включать, например, такие электронагреватели, как изолированные проводники, нагреватели типа проводник в трубе, поверхностные горелки, беспламенные распределительные камеры сгорания и/или природные распределительные камеры сгорания. Тепловые источники 100 также могут представлять собой нагреватели других типов. Тепловые источники 100 могут подводить тепло, по меньшей мере, в часть углеводородсодержащего пласта. Энергия может подводиться к тепловым источникам 100 по линиям 112. Подающие линии могут зависеть от типа теплового источника или источников, используемых для нагрева пласта. Линии подачи в тепловые источники могут подводить электричество для электрообогревателей, могут транспортировать топливо для камер сгорания или транспортировать теплообменную жидкость, которая циркулирует внутри пласта.
Эксплуатационные скважины 102 могут использоваться для удаления из пласта пластовой жидкости. Пластовая жидкость, добытая через эксплуатационные скважины 102, может транспортироваться по коллекторному трубопроводу 114 в обрабатывающее оборудование 116. Пластовые жидкости также могут быть добыты из тепловых источников 100. Так, например, жидкая среда может быть получена через тепловые источники 100 с целью контроля давления внутри пласта вблизи тепловых источников. Жидкость, добытая из тепловых источников 100, может транспортироваться по трубопроводу или по насосно-компрессорным трубам в коллекторный трубопровод 114 или непосредственно в установку для обработки 116. Установка для обработки 116 может включать блоки разделения, реакционные блоки, блоки обогащения, топливные элементы, турбины, емкости для хранения и другие системы и блоки для обработки текучих пластовых сред.
Система переработки по месту залегания, предназначенная для обработки углеводородов, может включать запирающие скважины 118. В некоторых вариантах воплощений такие барьеры могут использоваться для замедления миграции текучих сред (например, произведенных жидкостей и/или грунтовых вод) в часть пласта, подвергающегося процессу переработки по месту залегания, или за его пределы. Рассматриваемые барьеры могут включать, но не ограничиваться ими, участки природного происхождения (например, покрывающие и/или нижние породы), замораживающие скважины, замороженные барьерные зоны, низкотемпературные барьерные зоны, цементные стены, сернистые скважины, водопонижающие скважины, нагнетательные скважины, барьер из геля, образовавшегося в пласте, барьер, образовавшийся в результате осаждения солей в пласте, барьер, образовавшийся за счет протекания в пласте реакции полимеризации, залежи, занесенные в пласт, или их комбинации.
Состав продуктов, получаемых из углеводородсодержащего пласта, может изменяться в результате регулирования условий в зоне обработки и/или в одном или более из блоков обработки, расположенных на поверхности. Условия в зоне обработки и/или в одном или более блоков обработки на поверхности, которые могут влиять на состав продукта, без конкретных ограничений, включают среднюю температуру, давление жидкости, парциальное давление Н2, температурные градиенты, состав материала пласта, скорости нагрева и состав текучих сред, поступающих в зону обработки и/или в блок обработки на поверхности.
Регулирование пластовых условий с целью контроля давления водорода в добытой жидкости может улучшать качество добытых жидких сред. В некоторых вариантах воплощений желательно регулировать пластовые условия таким образом, чтобы парциальное давление водорода в добытой жидкости было выше 0,5 абсолютных бар в соответствии с измерением в эксплуатационной скважине.
Согласно одному из вариантов воплощений способ обработки углеводородсодержащего пласта по месту залегания может предусматривать ввод водорода в выбранный участок после того, как его температура достигнет, по меньшей мере, 270°С. Другие технические решения могут включать регулирование температуры пласта путем селективного ввода водорода.
В соответствии с одним из вариантов воплощений может осуществляться нагрев части углеводородсодержащего пласта с целью повышения парциального давления Н2. Согласно некоторым вариантам воплощений изобретения повышенное парциальное давление Н2 может включать давление в интервале приблизительно 0,5-7 бар или в некоторых вариантах приблизительно 5-7 бар. Так, например, большая часть жидких углеводородных сред может быть добыта при парциальном давлении Н2 в интервале приблизительно 5-7 бар. Интервал парциальных давлений Н2, используемых в ходе пиролиза, может изменяться, например, в зависимости от температуры и давления нагретого участка пласта.
В результате процесса переработки по месту залегания внутри пласта может образовываться значительное количество Н2 и жидких углеводородных сред. Образование водорода внутри пласта и пластовое давление, достаточное для нагнетания водорода в жидкую фазу внутри пласта, могут создавать восстановительную среду внутри пласта без обязательного введения восстанавливающей жидкой среды (например, Н2 и/или неконденсируемых насыщенных углеводородов) в пласт. Водородный компонент пластовой жидкости, добытой из пласта, может быть выделен и использован в нужных целях. Желательные цели без конкретных ограничений могут включать топливо для топливных элементов, топливо для камер сгорания и/или поток сырья для установок гидрирования на поверхности.
В соответствии с одним из вариантов воплощений способ обработки углеводородсодержащего пласта по месту залегания может включать введение водорода в выбранную часть пласта, когда такая часть находится при определенных условиях или подвергается их воздействию. Так, например, водород может вводиться через обогреваемую скважину или эксплуатационную скважину в выбранном участке или вблизи него. Поскольку подача водорода в некоторых случаях может быть кратковременной (или относительно дорогостоящей операцией), водород может добавляться в том случае, когда пластовые условия оптимальны для использования добавленного водорода. Так, например, водород, полученный в элементе пласта, в котором получают синтез-газ, может вводиться в элемент пласта, подвергаемый пиролизу. Водород, добавленный в пиролизную секцию пласта, способен стимулировать образование алифатических соединений и замедлять образование олефиновых соединений, ухудшающих качество жидких углеводородных сред, добытых из пласта.
В некоторых вариантах воплощений водород может добавляться в выбранный элемент после того, как средняя температура пласта достигнет температуры пиролиза (например, когда температура выбранного элемента составляет, по меньшей мере, 270°С). Согласно некоторым вариантам воплощений водород может вводиться в выбранный элемент пласта после достижения средней температуры, по меньшей мере, 290°С, 320°С, 375°С или 400°С. Водород может добавляться в выбранный элемент пласта перед тем, как его температура достигнет 400°С. Согласно другим вариантам воплощений водород может добавляться в выбранный элемент пласта до достижения средней температуры 300-325°С.
Средняя температура пласта может регулироваться путем избирательного добавления водорода в выбранный элемент пласта. Водород, добавленный в пласт, может вступать в экзотермические реакции. Экзотермические реакции могут нагревать пласт и уменьшать количество энергии, которое требуется подводить из теплового источника в пласт. Согласно некоторым вариантам воплощений в выбранный элемент пласта может добавляться такое количество водорода, которое препятствует повышению средней температуры пласта выше 400°С.
Для поддержания, изменения и/или регулирования давления внутри нагретой части углеводородсодержащего пласта может использоваться клапан. Так, например, к клапану могут быть присоединены тепловые источники, расположенные внутри углеводородсодержащего пласта. С помощью клапана жидкая текучая среда может выделяться из пласта через тепловые источники. Кроме этого, нагнетательный клапан может соединяться с эксплуатационной скважиной внутри углеводородсодержащего пласта. В некоторых вариантах воплощений выпущенные с помощью клапана жидкие среды могут собираться и транспортироваться в установку на поверхности для дополнительной переработки и/или обработки.
Процесс переработки по месту залегания углеводородов может предусматривать подвод тепла в часть углеводородсодержащего пласта и регулирование температуры, скорости повышения температуры и/или давления внутри нагретой части. Температура и/или скорость повышения температуры в нагреваемой части могут регулироваться изменением количества энергии, подводимой к тепловым источникам пласта.
Углеводороды, подвергаемые переработке по месту залегания, могут располагаться на большой площади. Система для переработки по месту залегания может использоваться для обработки небольших участков пласта, причем другие участки пласта могут обрабатываться позже. Согласно одному из вариантов воплощений системы для обработки пласта (например, нефтяного сланцевого пласта) 24-летняя схема разработки нефтяных месторождений может быть разделена на 24 отдельных участка в соответствии с отдельными годами бурения. Каждый такой участок может включать 120 элементарных участков (повторяясь в виде матрицы) и состоит из 6 рядов с 20 колонками элементарных участков. Каждый элементарный участок может включать 1 эксплуатационную скважину и 12 или 18 обогреваемых скважин. Обогреваемые скважины могут располагаться по углам равностороннего треугольника с расстоянием между скважинами в 12 метров.
Точное расположение обогреваемых скважин, эксплуатационных скважин и т.п. зависит от переменных характеристик пласта (например, толщины или состава слоя), экономики проекта и т.д. Согласно некоторым вариантам воплощений обогреваемые скважины могут располагаться практически горизонтально, тогда как эксплуатационные скважины могут быть вертикальными или наоборот. В других вариантах воплощений скважины могут выравниваться по высоте погружения или вдоль пласта или ориентироваться под углом к уровню погружения и залеганию пласта.
Расстояние между тепловыми источниками может зависеть от ряда факторов. Такие факторы без конкретных ограничений могут включать тип углеводородсодержащего пласта, выбранную скорость нагрева и/или выбранную среднюю температуру, которая должна поддерживаться в нагретом участке. В некоторых схемах расположения скважин расстояние между тепловыми источниками может составлять приблизительно 5-25 м. Согласно другим схемам расстояние между тепловыми источниками может составлять 8-15 м. Тепловые источники могут быть размещены внутри пласта таким образом, что расстояния между ними варьируются менее чем на 10%, 20% или 30%. Кроме этого, тепловые источники могут располагаться на равных расстояниях друг от друга.
При замедлении добычи углеводородов из пласта наблюдается тенденция к росту давления в пласте с увеличением температуры пласта, что связано с тепловым расширением и/или фазовыми изменениями тяжелых углеводородах и других текучих сред (например, воды) в пласте. Давление в пласте должно поддерживаться ниже выбранного значения с целью замедления нежелательной добычи, растрескивания покрывающих или нижних пород и/или коксования углеводородов в пласте. В качестве выбранного давления может использоваться литостатическое или гидростатическое давление пласта. Так, например, выбранное давление может составлять около 150 абсолютных бар или в некоторых воплощениях около 35 абсолютных бар. Давление в пласте может контролироваться регулированием скорости добычи из эксплуатационных скважин в пласте. Согласно другим техническим решениям давление в пласте регулируют его сбросом через одну или более скважин для снижения давления, расположенных в пласте. Скважины для сброса давления могут представлять собой тепловые источники или отдельные скважины, пробуренные в пласте. Текучие пластовые среды, извлекаемые из пласта через разгрузочные скважины, могут направляться в оборудование, расположенное на поверхности. Добыча, по меньшей мере, некоторых углеводородов из пласта может предотвращать рост пластового давления выше выбранного значения.
Согласно некоторым вариантам воплощений текучие пластовые среды могут быть получены методом обратной добычи через ствол скважины теплового источника. Так, например, некоторые пластовые жидкости могут быть получены методом обратной добычи через ствол скважины теплового источника в начальные периоды нагрева углеводородсодержащего пласта. Согласно другому варианту воплощений некоторые пластовые жидкости могут быть добыты через часть ствола скважины теплового источника. Подвод тепла по всей длине ствола скважины может регулироваться таким образом, чтобы не происходило перегрева жидких сред, добытых через ствол скважины. Жидкие среды могут добываться через участки ствола скважины теплового источника, имеющие более низкие температуры, чем другие части буровой скважины.
Добыча, по меньшей мере, части пластовой жидкости через ствол шахты теплового источника может уменьшить или исключить необходимость использования дополнительных эксплуатационных скважин. Кроме этого, пластовое давление может быть понижено за счет добычи жидких сред через стволы шахты теплового источника (особенно на участке, окружающем ствол шахты теплового источника). Понижение пластового давления может привести к изменению соотношения между добытыми жидкостями и добытыми парами. Согласно некоторым вариантам воплощений добыча жидких сред через ствол шахты теплового источника может привести к более ранней продукции жидких сред из пласта. Участки пласта, находящиеся вблизи ствола шахты теплового источника, быстрее приходят в состояние подвижности и/или достигают температуры пиролиза, чем участки пласта вблизи эксплуатационной скважины.
Фиг.4 изображает воплощение обогреваемой скважины, предназначенной для избирательного нагрева пласта. Тепловой источник 100 может размещаться в отверстии 120 в углеводородсодержащем слое 104. Согласно некоторым вариантам воплощений отверстие 120 может представлять собой практически горизонтальное отверстие внутри углеводородсодержащего слоя 104. В отверстии 120 может располагаться перфорированная обсадная труба 122. Перфорированная обсадная труба 122 может препятствовать разрушению отверстия 120 под воздействием углеводородов и/или других материалов углеводородного слоя 104. Перфорации в обсадной трубе 122 обеспечивают поток жидкой среды из углеводородного слоя 104 в отверстие 120. Тепловой источник 100 может иметь горячую часть 124. Горячая часть 124 представляет собой часть теплового источника 100, работающую при более высокой отдаче тепла от теплового источника. Так, например, теплоотдача горячей части 124 может составлять около 650-1650 Вт/м. Горячая часть 124 может простираться от "пятки" теплового источника до его конца (т.е. "носка" теплового источника). Пятка теплового источника представляет собой его часть, расположенную в непосредственной близости от точки вхождения теплового источника в углеводородный слой. Носок теплового источника представляет собой его конец, максимально удаленный от места вхождения теплового источника в углеводородный слой.
Согласно одному из вариантов воплощений тепловой источник 100 может включать теплую часть 126. Теплая часть 126 может представлять собой элемент теплового источника 100, действующий при более низких значениях отдачи тепла, чем горячая часть 124. Так, например, теплоотдача теплой части 126 может составлять 150-650 Вт/м. В соответствии с некоторыми вариантами воплощений теплая часть 126 может иметь температуру ниже температуры пиролиза. Теплая часть 126 может находиться вблизи пятки теплового источника 100. В некоторых вариантах воплощений теплая часть 126 может представлять собой переходный участок (т.е. переходный проводник) между горячей частью 124 и участком покрывающих пород 128. Участок покрывающих пород 128 может находиться внутри покрывающей породы 130. Участок покрывающих пород 128 может обеспечивать более низкую теплоотдачу, чем теплая часть 126. Так, например, теплоотдача покрывающей части может составлять 30-90 Вт/м. В некоторых вариантах воплощений покрывающая часть 128 подводит минимально возможное количество тепла (0 ватт на метр) к покрывающей породе 130. Однако часть тепла может использоваться для поддержания парообразного состояния жидких сред, добытых через отверстие 120, внутри покрывающей породы 130.
Согласно другим вариантам воплощений часть 124 теплового источника 100 может нагревать углеводороды до достаточно высокой температуры, приводящей к образованию кокса 132 в углеводородном слое 104. Кокс 132 может встречаться на площади, окружающей отверстие 120. Теплая часть 126 может функционировать при более низкой теплоотдаче, вследствие чего в теплой части теплового источника 100 или вблизи нее не наблюдается образования кокса. Распространение кокса 132 из отверстия 120 может происходить в радиальном направлении по мере переноса тепла от теплового источника 100 из отверстия во внешнюю среду. Однако на некотором расстоянии образование кокса 132 прекращается, поскольку температура в углеводородном слое 104 на указанном расстоянии не достигает значения температур коксования. Расстояние, на котором прекращается образование кокса, может быть функцией теплоотдачи (в ваттах на метр от теплового источника 100) природы пласта, содержания углеводородов в пласте и/или других пластовых условий.
Образование кокса 132 может замедлять поток жидкой среды в отверстие 120. Однако пластовые жидкости могут добываться через отверстие 120 около пятки теплового источника 100 (т.е. в теплом участке 126 теплового источника), где не происходит образование кокса. Пониженные температуры в области пятки теплового источника 100 уменьшают возможность значительного крекинга жидких пластовых сред, добываемых через пятку. Течение жидких сред через пласт в горизонтальном направлении осуществляется легче, чем течение в вертикальном направлении. Обычно горизонтальная проницаемость относительно проницаемого пласта (например, смолисто-песчаного пласта) в 5-10 раз выше вертикальной проницаемости. Таким образом, жидкие среды могут течь по длине теплового источника 100 практически в горизонтальном направлении. Добыча пластовых жидкостей через отверстие 120 возможна в более ранние периоды, чем добыча жидких сред через эксплуатационные скважины в углеводородном слое 104. Ранняя добыча пластовых жидкостей может использоваться для поддержания пониженного давления в углеводородном слое 104 в ходе запуска обогрева пласта (т.е. до начала добычи через эксплуатационные скважины). Пониженное давление в пласте может увеличивать добычу пластовой жидкости. Кроме этого, добыча жидких пластовых сред через отверстие 120 может уменьшить количество требующихся эксплуатационных скважин для данного пласта.
Согласно некоторым вариантам воплощений части нагревателя могут передвигаться или удаляться, в результате чего уменьшается размер обогреваемой области. Так, например, в горизонтальной скважине зона нагрева вначале может достигать "носка". В ходе добычи пластовых продуктов нагреватель может передвигаться таким образом, что он будет находиться за "носком". Тепло может подводиться в другой участок пласта.
Согласно некоторым вариантам воплощений соотношение между количеством отдаваемой энергии пласта и количеством энергии, подводимым в пласт может повышаться в результате добычи из пласта большего процентного количества тяжелых углеводородов относительно количества легких углеводородов. Энергоемкость тяжелых углеводородов обычно выше энергоемкости легких углеводородов. Добыча большего количества тяжелых углеводородов может повышать соотношение между количеством выделенной и подводимой энергии. Кроме этого, стоимость добычи (например, подвода тепла) тяжелых углеводородов из относительно проницаемого пласта может быть меньше стоимости добычи легких углеводородов. В соответствии с другими конкретными вариантами воплощений количество выделенной и подведенной энергии отличается, по меньшей мере, в 5 раз. При других решениях отношение между количеством выделенной и подведенной энергии составляет, по меньшей мере, 6 или, по меньшей мере, 7. В общем случае соотношение между количеством выделенной и подводимой энергии в случае добычи по месту залегания из относительно проницаемого пласта может быть выше, чем при обычных способах добычи. Так, например, в случае добычи тяжелых углеводородов с использованием пара указанное отношение энергий составляет 2,7-3,3. При добыче с использованием пара из пласта может извлекаться 28-40% начальных запасов углеводородов. При добыче по месту залегания из относительно проницаемого пласта, согласно некоторым вариантам воплощений, может извлекаться более 50% начальных запасов углеводородов.
Согласно одному из вариантов воплощений, касающегося обработки относительно проницаемого пласта, из него могут быть добыты подвижные жидкие среды при их ограниченном пиролизе или без него и/или их обогащении. Добытые жидкие среды могут быть подвергнуты дополнительной обработке в оборудовании, находящемся на поверхности вблизи от пласта или на удалении от него. Произведенные жидкие продукты могут быть подвергнуты обработке, которая обеспечивает возможность их транспортировки (например, по трубопроводам, морским путем и т.д.). Согласно такому варианту воплощения тепловые источники могут находиться на больших расстояниях друг от друга, чем расстояния, необходимые для добычи пиролизованных пластовых жидкостей. Так, например, расстояние между тепловыми источниками может составлять примерно 15 м, 30 м или даже 40 м при добыче практически не подвергнутых пиролизу жидких сред из относительно проницаемого пласта. Средняя температура пласта может иметь значение в интервале примерно 50-225°С или в некоторых случаях около 150-200°С или около 100-150°С. Так, например, если расстояние между скважинами около 30 м, то средняя температура пласта порядка 150°С может быть достигнута за период около 10 лет, предполагая при этом постоянную теплоотдачу от тепловых источников. Для повышения температуры в пласте могут использоваться меньшие расстояния между тепловыми источниками. Так, например, при расстоянии между скважинами около 15 м средняя температура пласта около 150°С может быть достигнута менее чем за год. Увеличение расстояния между скважинами может уменьшить расходы, связанные, но не ограничиваясь этим, с формированием стволов скважин, приобретением и установкой нагревательного оборудования и обеспечением энергии для нагрева пласта.
Из приведенного описания специалисту в данной области могут стать очевидными другие модификации и альтернативные воплощения различных аспектов изобретения. В соответствии с этим данное описание следует рассматривать лишь как иллюстративное, для демонстрации специалистам в данной области техники общего принципа реализации изобретения. Следует иметь в виду, что показанные и описанные в настоящем документе формы настоящего изобретения являются в настоящее время предпочтительными воплощениями. После извлечения полезной информации из описания настоящего изобретения специалисту в данной области должно быть понятно, что может быть произведена замена описанных и проиллюстрированных в описании элементов и материалов, части и способы могут быть поменяны местами, а некоторые отличительные признаки изобретения могут использоваться независимо. Могут быть произведены изменения в описанных элементах, не нарушающие сущность и область изобретения, в том виде, как они изложены в следующей формуле изобретения. Кроме этого, следует отметить, что отличительные признаки, описанные в документе, как независимые друг от друга, в некоторых воплощениях могут быть объединены.
1. Способ обработки углеводородсодержащего пласта по месту залегания, включающий стадии подвода тепла от одного или более нагревателей, по меньшей мере, в одну часть пласта; осуществления теплопередачи от одного или более нагревателей в часть пласта таким образом, чтобы обеспечить пиролиз, по меньшей мере, некоторых углеводородов в указанной части пласта; подвода меньшего количества тепла в область, расположенную вблизи выбранной части обогреваемого ствола скважины, чем в другие части обогреваемого ствола скважины в рассматриваемой части пласта, с целью ограничения температуры и замедления образования кокса в выбранной части ствола скважины или вблизи нее; добычи, по меньшей мере, некоторых углеводородов через выбранную часть обогреваемого ствола скважины.
2. Способ по п.1, дополнительно включающий производство или подвод воды в выбранную часть обогреваемого ствола скважины или вблизи нее с целью замедления образования кокса в выбранной части обогреваемого ствола скважины или вблизи нее.
3. Способ по одному из пп.1 и 2, в котором обогреваемый ствол скважины размещается практически горизонтально внутри части пласта.
4. Способ по п.1, в котором ограничение температуры заключается в поддержании температуры вблизи выбранной части обогреваемого ствола скважины на уровне ниже температур пиролиза.
5. Способ по п.1, дополнительно включающий добычу смеси из части пласта через эксплуатационную скважину.
6. Способ по п.1, дополнительно включающий подвод, по меньшей мере, некоторого количества тепла в покрывающие пласты через эксплуатационную скважину для поддержания добычи углеводородов в парообразной фазе.
7. Способ по п.1, дополнительно включающий поддержание давления в части пласта на уровне ниже 150 абсолютных бар.
8. Способ по п.1, дополнительно включающий добычу углеводородов, когда парциальное давление водорода в пласте составляет, по меньшей мере, приблизительно 0,5 абсолютных бар.
9. Способ по п.1, в котором тепло, подводимое, по меньшей мере, от одного нагревателя переносится, по меньшей мере, в часть пласта за счет теплопроводности.
10. Способ по п.1, в котором отношение между энергоемкостью добытой смеси и количеством энергии, подводимой в пласт, равно, по меньшей мере, 5.
11. Способ по п.1, в котором каждый нагреватель обеспечивает теплоотдачу, приблизительно, менее 1650 Вт на метр.
12. Способ по п.1, заключающийся в регулировании давления внутри, по меньшей мере, части пласта, в котором давление поддерживают в интервале, приблизительно, от 2,0 до 70,0 абсолютных бар.
