Способ термической обработки in situ с использованием нагревательной системы с замкнутым контуром
Группа изобретений относится к способам и системам для добычи углеводородов, водорода и/или других продуктов из различных подземных пластов, в частности к использованию систем циркуляции с замкнутым контуром. Система для тепловой обработки in situ для добычи углеводородов из подземного пласта содержит множество стволов скважин в пласте; трубопроводы, размещенные, по меньшей мере, в двух стволах скважин. Кроме того содержит систему циркуляции текучей среды, соединенную с указанными трубопроводами; источник теплоты, сконфигурированный для нагревания жидкого теплоносителя, циркулирующего с помощью системы циркуляции через трубопроводы с нагреванием пласта до температур, которые позволяют добывать углеводороды из пласта. А также содержит один или более электрических нагревателей, присоединенных к трубопроводам, сконфигурированных для первоначального нагревания трубопроводов до температуры, превышающей температуру отвердевания жидкого теплоносителя. Причем указанные электрические нагреватели содержат один или более проводников, присоединенных к трубопроводам. При этом указанные проводники сконфигурированы так, чтобы обеспечивать подвод электричества к трубопроводам для резистивного нагрева трубопроводов. Способ нагревания подземного пласта включает нагревание жидкого теплоносителя посредством теплообмена с источником теплоты. При этом нагревают трубопроводы до температуры, достаточной для предотвращения отвердевания жидкого теплоносителя в трубопроводах. Осуществляют добычу углеводородов из пласта. Техническим результатом является повышение эффективности добычи углеводородов. 3 н. и 16 з.п. ф-лы, 10 ил., 1 табл.
Область техники, к которой относится изобретение
Настоящее изобретение относится к способам и системам для добычи углеводородов, водорода и/или других продуктов из различных подземных пластов, например углеводородсодержащих пластов. В частности, определенные воплощения относятся к использованию систем циркуляции с замкнутым контуром, предназначенным для нагревания части пласта при проведении процесса конверсии in situ.
Уровень техники
Углеводороды, добываемые из подземных пластов, часто используют в качестве источников энергии, в качестве исходного сырья и как потребительские товары. Проблемы истощения располагаемых источников углеводородов и проблемы ухудшения качества добываемых углеводородов привели к разработке способов, направленных на более эффективное извлечение, переработку и/или использование располагаемых источников углеводородов. Для извлечения углеводородных материалов из подземных пластов могут быть использованы технологические процессы, проводимые in situ. При этом для облегчения извлечения углеводородных материалов из подземного пласта может быть необходимым изменение химических и/или физических свойств углеводородных материалов, находящихся в подземном пласте. Изменения химических и физических свойств могут включать проводимые in situ реакции, которые вызывают образование извлекаемых флюидов, изменение состава, изменение растворимости, изменение плотности, фазовые изменения и/или изменение вязкости углеводородных материалов в пласте. Флюидом может быть (не в качестве ограничения) газ, жидкость, эмульсия, суспензия и/или поток твердых частиц, который имеет характеристики течения, подобные течению жидкости.
В патентном документе WO/2006/116096 (Fowler et al.) описаны способы и система для термической обработки участков (зон) пласта с использованием передачи теплоты от газа, циркулирующего в системе, и/или от трубопроводов, через которые протекает циркулирующий газ, за счет их резистивного нагрева. Трубопроводы могут быть выполнены из ферромагнитного материала.
Циркуляция газа через систему трубопроводов для нагревания участка пласта может потребовать использование трубопроводов большого диаметра для вмещения определенного объема, необходимого для нагревания указанного обрабатываемого участка пласта. Поэтому существует необходимость в совершенствовании систем циркуляции для нагревания обрабатываемых участков пласта.
Сущность изобретения
Описанные здесь воплощения относятся, в общем, к системам и/или способам добычи углеводородов, водорода и/или других продуктов из различных подземных пластов, например углеводородсодержащих пластов с использованием жидкого теплоносителя, протекающего по трубопроводам и нагревающего один или большее количество обрабатываемых участков пласта.
В одном воплощении система для тепловой обработки in situ, предназначенная для добычи углеводородов из подземного пласта, включает большое количество размещенных в пласте скважин, трубопроводы, размещенные, по меньшей мере, в двух скважинах, систему циркуляции текучей среды, подключенную к указанному трубопроводу, и источник теплоты, приспособленный для нагревания жидкого теплоносителя, циркулирующего с помощью системы циркуляции через трубопровод для повышения температуры пласта до температуры, которая позволяет добывать углеводороды из этого пласта.
В некоторых воплощениях способ нагревания подземного пласта включает нагревание жидкого теплоносителя посредством теплообмена с источником теплоты, циркуляцию жидкого теплоносителя по размещенным в пласте трубопроводам с нагреванием части пласта, чтобы обеспечить возможность извлечения углеводородов из пласта, и добычу углеводородов из пласта.
В некоторых воплощениях способ нагревания подземного пласта включает протекание жидкого теплоносителя из емкости в теплообменник, нагревание жидкого теплоносителя до первой температуры, протекание жидкого теплоносителя через часть нагревателя к приемному резервуару, при этом теплота передается от указанной части нагревателя обрабатываемому участку пласта, подъем с помощью газлифта жидкого теплоносителя к поверхности из указанного приемного резервуара, и возвращение, по меньшей мере, части жидкого теплоносителя в емкость.
В других воплощениях к конкретным раскрытым здесь воплощениям могут быть добавлены дополнительные признаки.
Краткое описание чертежей
Преимущества настоящего изобретения могут стать понятными для специалистов в данной области техники из полезной информации, содержащейся в нижеследующем подробном описании со ссылками на сопровождающие чертежи:
фиг.1 - иллюстрация стадий нагревания углеводородсодержащего пласта;
фиг.2 - схема воплощения части системы для осуществления конверсии in situ, предназначенной для обработки углеводородсодержащего пласта;
фиг.3 - схематическое представление системы с замкнутым контуром циркуляции для нагревания части пласта;
фиг.4 - входы скважин и выходы скважин из нагреваемого участка пласта с использованием системы с замкнутым контуром циркуляции, вид сверху;
фиг.5 - поперечное сечение трубопровода системы циркуляции с изолированным резистивным нагревателем, размещенным в указанном трубопроводе;
фиг.6 - воплощение системы нагревания пласта, в которой может быть использована система с замкнутым контуром циркуляции и/или электрическим нагревом, вид сбоку;
фиг.7 - схематичное изображение воплощения системы нагревания пласта с использованием газлифта для возвращения теплоносителя к поверхности;
фиг.8 - схематичное изображение воплощения системы тепловой обработки in situ, в которой используют ядерный реактор;
фиг.9 - система тепловой обработки in situ, использующая реакторы с засыпкой из шаровых тепловыделяющих элементов, вид в вертикальном разрезе;
фиг.10 - схематическое изображение воплощения скважинной группы окислительных элементов.
Несмотря на то, что настоящее изобретение допускает различные модификации и альтернативные формы воплощения, на чертежах в качестве примера показаны конкретные его воплощения, которые могут быть описаны здесь подробно. При этом чертежи могут быть представлены не в масштабе. Следует, однако, понимать, что чертежи и подробное описание не имеют своей целью ограничить изобретение определенной раскрытой формой воплощения; напротив, изобретение предполагает включение всех модификаций, эквивалентов и альтернатив, находящихся в пределах сущности и объема настоящего изобретения, ограничиваемых приложенными пунктами формулы изобретения.
Подробное описание
Нижеследующее описание, в общем, относится к системам и способам для обработки углеводородов, находящихся в пластах. Такие пласты могут быть обработаны для получения углеводородных продуктов, водорода и других продуктов.
Термин «переменный ток (АС)» относится к изменяющемуся по времени току, который меняет направление по существу синусоидально. АС производит в ферромагнитном проводнике электрический ток со скин-эффектом.
“Температура Кюри” представляет собой такую температуру, выше которой ферромагнитный материал теряет все свои ферромагнитные свойства. В дополнение к потере всех ферромагнитных свойств при температуре выше температуры Кюри ферромагнитный материал начинает терять свои ферромагнитные свойства в случае пропускании через него повышенного электрического тока.
“Пласт” включает в себя один или большее количество слоев, содержащих углеводороды, а также покрывающий слой и/или подстилающий слой. Покрывающий слой и/или подстилающий слой включают в себя один или большее количество видов непроницаемых материалов. Например, покрывающий слой и/или подстилающий слой могут включать породу, глинистый сланец, агриллит или влажный/плотный карбонат. В некоторых воплощениях процессов конверсии in situ покрывающий слой и/или подстилающий слой могут включать слой, содержащий углеводороды, или слои, содержащие углеводороды, которые являются относительно непроницаемыми и не подвержены воздействию температур при проведении процесса конверсии in situ, что приводит к значительным изменениям свойств слоев, содержащих углеводороды, в покрывающей породе и/или подстилающей породе. Например, подстилающий слой может содержать глинистый сланец или агриллит, но подстилающий слой не допускается нагревать до температур пиролиза во время проведения процесса конверсии in situ. В ряде случаев покрывающий слой и/или подстилающий слой могут быть, в некоторой степени, проницаемыми.
Термин «пластовые флюиды» относится к текучим средам, находящимся в пласте, и может включать флюид, полученный в результате процесса пиролиза, синтез-газ, подвижный углеводород, воду (водяной пар). Термин «подвижный углеводород» относится к текучим флюидам в пласте, содержащем углеводороды, которые способны к протеканию в результате термической обработки пласта. Термин «добываемые флюиды» относится к пластовым флюидам, извлекаемым из пласта.
«Источник теплоты» представляет собой систему для обеспечения подвода теплоты, по меньшей мере, к части пласта по существу за счет передачи теплоты теплопроводностью и излучением. Например, источник теплоты может включать электрические нагреватели, такие как изолированный проводник, протяженный элемент и/или проводник, размещенный внутри трубопровода. Источник теплоты может также включать системы, которые генерируют теплоту за счет сжигания топлива, внешние по отношению к пласту или находящиеся в пласте. Эти системы могут представлять собой горелки, расположенные на поверхности, скважинные газовые горелки, беспламенные распределенные топочные агрегаты и/или распределенные топочные агрегаты, работающие на природном топливе. В некоторых воплощениях теплота, подводимая к или генерируемая в одном или более источников теплоты, может быть подведена с помощью других источников энергии. Другие источники энергии могут нагревать пласт непосредственно или же энергия может быть подведена к передающей текучей среде, которая нагревает пласт непосредственно или косвенно. Следует понимать, что один или большее количество источников теплоты, которые подводят теплоту к пласту, могут использовать различные источники энергии. Так, например, для определенного пласта некоторые источники теплоты могут подводить теплоту от резистивных нагревателей, некоторые источники теплоты могут подводить теплоту за счет сжигания, и некоторые источники теплоты могут обеспечивать теплоту от одного или более других источников энергии (например, за счет химических реакций, солнечной энергии, ветровой энергии, биомассы, или других возобновляемых источников энергии). Химическая реакция может включать экзотермическую реакцию (например, реакцию окисления). Источник теплоты может также включать нагреватель, который обеспечивает подвод теплоты в зону, ближайшую и/или окружающую место нагрева, например, в нагревательную скважину.
“Нагреватель” представляет собой какую-либо систему или источник теплоты, предназначенный для выделения теплоты в скважине или вблизи зоны нахождения ствола скважины. Нагревателями могут служить (не в качестве ограничения изобретения) электрические нагреватели, горелки, камеры сгорания, и/или их комбинации, которые взаимодействуют с материалом, содержащимся в пласте или извлеченном из пласта.
“Углеводороды” обычно определяют как молекулы, образованные, главным образом, атомами углерода и водорода. Кроме того, углеводороды могут включать и другие химические элементы, такие как галогены, металлы, азот, кислород и/или сера (указанными элементами перечень не ограничен). Углеводородами могут быть (не в качестве ограничения) кероген, битум, пиробитум, нефти, природные минеральные парафины и асфальтиты. Углеводороды могут располагаться в земле в минеральных материнских породах или вблизи них. Материнские породы могут содержать (не в качестве ограничения) осадочные горные породы, песок, силициты, карбонаты, диатомиты и другие пористые вещества. “Углеводородные пластовые флюиды” - пластовые флюиды, содержащие углеводороды. Углеводородные пластовые флюиды могут переносить сами или могут переноситься в неуглеводородных пластовых флюидах, и включать в себя, например, водород, азот, окись углерода, двуокись углерода, сульфид водорода, вода и аммиак.
Понятие “процесс конверсии in situ” относится к процессу нагревания пласта, содержащего углеводороды, с помощью источников теплоты с целью повышения температуры, по меньшей мере, части пласта выше температуры пиролиза, в результате чего в пласте получают пиролизованный пластовый флюид.
Понятие “процесс тепловой обработки in situ” относится к процессу нагревания пласта, содержащего углеводороды, с помощью источников теплоты для повышения температуры, по меньшей мере, части пласта выше температуры, которая приводит к образованию подвижных флюидов, легкому крекингу (висбрекингу) и/или пиролизу материала, включающего углеводороды так, что в пласте образуются подвижные флюиды, флюиды висбрекинга и/или флюиды процесса пиролиза.
Понятие “изолированный проводник” относится к любому протяженному материалу, который способен проводить электрический ток, и покрыт сверху, целиком или частично, электроизоляционным материалом.
«Модулированный постоянный ток (DC)» относится к любому по существу не синусоидальному переменному по времени току, который производит в ферромагнитном проводнике электрический ток со скин-эффектом.
«Пиролиз» представляет собой разрыв химических связей вследствие применения нагрева. Например, пиролиз может включать превращение некоторого химического соединения в одно или большее количество других веществ только с помощью нагревания. Теплота может быть подведена к части пласта и может вызывать пиролиз. В некоторых пластах части этого пласта и/или другие материалы в пласте могут способствовать пиролизу посредством каталитической активности.
«Флюиды процесса пиролиза» или «продукты пиролиза» относятся к флюиду, произведенному, главным образом, при проведении пиролиза углеводородов. Флюид, произведенный посредством реакций пиролиза, может перемешиваться с другими флюидами, находящимися в пласте. Эта смесь может рассматриваться как флюид процесса пиролиза или продукт пиролиза. Используемый здесь термин «зона пиролиза» относится к объему пласта (например, относительно проницаемый пласт, например, пласт битуминозных песков), который подвергают реакции или который реагирует с образованием флюида процесса пиролиза.
«Суперпозиция теплоты» относится к подводу теплоты к выбранному участку пласта от двух или большего количества источников теплоты так, что температура пласта, по меньшей мере, в одном месте между источниками теплоты определяется воздействием этих источников теплоты.
«Синтез-газ» представляет собой смесь, содержащую водород и монооксид углерода. Дополнительные компоненты синтез-газа могут включать воду, двуокись углерода, азот, метан и другие газы. Синтетез-газ может быть генерирован с помощью ряда технологических процессов и видов исходного сырья. Синтез-газ может быть использован для синтеза широкого диапазона соединений.
Понятие “нагреватель с ограниченной температурой”, как правило, относится к нагревателю, который регулирует тепловую мощность (например, уменьшает величину тепловой мощности) при температурах, превышающих характерную заданную, без использования внешнего регулирования, осуществляемого, например, с помощью регуляторов температуры, регуляторов мощности, выпрямителей или других устройств. Нагревателями с ограниченной температурой могут служить резистивные электрические нагреватели, которые питаются энергией переменного тока (АС) или модулированного (например, прерывистого) постоянного тока (DC).
«Теплопроводность» представляет собой свойство материала, которое определяет скорость переноса теплоты в установившемся режиме между двумя поверхностями материала при определенной разности температур, созданной между этими двумя поверхностями.
Понятие «теплопроводный флюид» включает в себя флюид, который имеет более высокую теплопроводность, чем воздух, при стандартных значениях температуры и давления (STP) (0°C и 101,325 кПа).
Понятие “изменяющийся во времени ток” относится к электрическом току, который создает в ферромагнитном проводнике электрический скин-эффект и имеет переменную по времени величину. Изменяющийся во времени ток включает в себя как переменный ток (АС), так и модулированный постоянный ток (DC).
Термин “ствол скважины” относится к выработке в пласте, образованной путем бурения или внедрения в пласт трубы. Ствол скважины может иметь по существу круговое поперечное сечение или поперечное сечение другой формы. Используемые здесь термины “скважина” и “отверстие”, когда они относятся к образованному в пласте отверстию, могут быть использованы взаимозаменяемым образом с термином “ствол скважины”. «Ствол скважины u-образной формы» относится к стволу скважины, который проходит от первого отверстия в пласте через, по меньшей мере, часть пласта и выходит через второе отверстие в пласте. В этом контексте ствол скважины может только приближенно иметь форму буквы «v» или «u». При этом следует понимать, что для того чтобы ствол скважины считался «u-образным», нет необходимости в том, чтобы «ножки», образующие букву «u», были параллельными друг другу или перпендикулярными нижнему основанию буквы.
Углеводороды, находящиеся в пластах, могут быть обработаны различными способами с получением многих различных продуктов. В определенных воплощениях углеводороды в пластах обрабатывают постадийно. На фиг.1 отображены стадии нагревания пласта, содержащего углеводороды. Фиг.1 иллюстрирует также пример добычи (“Y”) из пласта эквивалента нефти в баррелях на тонну (ось y) пластовых флюидов в зависимости от температуры (“Т”) нагретого пласта в градусах Цельсия (ось x).
На стадии 1 нагревания происходит десорбция метана и испарение воды. Нагревание пласта на стадии 1 может осуществляться по возможности очень быстро. При начальном нагревании пласта, содержащего углеводороды, эти углеводороды пласта десорбируют адсорбированный метан. Десорбированный метан может добываться из пласта. При дальнейшем нагревании пласта происходит испарение воды, содержащейся в углеводородсодержащем пласте. В некоторых пластах, содержащих углеводороды, на долю воды может приходиться от 10% до 50% объема пор, имеющихся в пласте. В других пластах вода занимает большие или меньшие части пористого объема. Обычно находящаяся в пласте вода испаряется при температуре от 160°C до 285°C и абсолютном давлении в интервале от 600 кПа до 7000 кПа. В некоторых воплощениях испаренная вода способствует изменению смачиваемости в пласте и/или повышению пластового давления. Эти изменения смачиваемости и/или повышенное давление могут инициировать в пласте реакции пиролиза или другие реакции. В определенных воплощениях из пласта добывают испаренную воду. В других воплощениях испаренную воду используют для проведения паровой экстракции и/или паровой дистилляции в самом пласте или вне пласта. Удаление воды из объема пор и увеличение этого объема в пласте приводит к увеличению пространства для содержания углеводородов в пористом объеме.
В определенных воплощениях после стадии 1 нагревания производят дальнейший прогрев пласта так, что пластовая температура достигает (по меньшей мере) температуры начала пиролиза (температуры в нижнем конце температурного интервала, показанного как характеризующего стадию 2). Углеводороды, находящиеся в пласте, могут быть пиролизованы при продолжении стадии 2. Интервал температур процесса пиролиза изменяется в зависимости от видов углеводородов, содержащихся в пласте. При этом интервал температур пиролиза может включать температуры от 250°C до 900°C. Для производства желательных продуктов интервал температур пиролиза может включать только некоторую часть всего интервала температур пиролиза. В некоторых воплощениях интервал температур пиролиза для получения желательных продуктов может включать температуры от 250°C до 400°C или температуры от 270°C до 350°C. Если температуру углеводородов в пласте медленно повышают в пределах интервала температур от 250°C до 400°C, производство продуктов пиролиза может быть по существу завершено при достижении температуры 400°С. Для получения желательных продуктов среднюю температуру углеводородов в интервале температур пиролиза можно повышать со скоростью менее 5°С в день, менее чем 2°C в день, менее 1°C в день или менее 0,5°C в день. В результате прогрева пласта, содержащего углеводороды, с помощью большого количества источников теплоты вокруг этих источников теплоты могут создаваться температурные градиенты, за счет которых температура углеводородов в пласте медленно повышается, находясь в пределах интервала температур пиролиза.
Скорость повышения температуры в интервале температур пиролиза для желательных продуктов может оказывать влияние на качество и количество пластовых флюидов, получаемых из углеводородсодержащего пласта. За счет медленного подъема температуры в пределах интервала температур пиролиза желательных продуктов можно сдерживать подвижность в пласте молекул с большими цепями. Медленно повышая температуру в пределах интервала температур пиролиза желательных продуктов, можно ограничивать реакции между подвижными углеводородами с получением нежелательных продуктов. Медленный подъем температуры в пределах интервала температур пиролиза желательных продуктов позволяет добывать из пласта продукты высокого качества, с высокой плотностью в градусах Американского нефтяного института. Кроме того, медленный подъем температуры пласта в пределах интервала температур пиролиза желательных продуктов позволяет извлекать в качестве углеводородного продукта большое количество находящихся в пласте углеводородов.
В некоторых воплощениях конверсии in situ часть пласта прогревают до желательной температуры вместо медленного повышения температуры в некотором интервале температур. В некоторых воплощениях желательная температура составляет 300°C, 325°C или 350°C. В качестве желательных могут быть выбраны и другие температуры. Суперпозиция теплоты, получаемой пластом от тепловых источников, позволяет относительно быстро и эффективно установить желательную пластовую температуру. Для поддержания пластовой температуры в основном на уровне желательной температуры можно регулировать подвод энергии в пласт от источников теплоты. Нагретую часть пласта поддерживают по существу при желательной температуре до тех пор, пока интенсивность процесса пиролиза не уменьшится до такой степени, что добыча желательных пластовых флюидов из пласта станет экономически невыгодной. Участки пласта, которые подвергаются пиролизу, могут включать в себя зоны, нагретые до температур, находящихся в пределах интервала температур пиролиза, за счет передачи теплоты только от одного теплового источника.
В определенных воплощениях из пласта добывают пластовые флюиды, включающие в себя пластовые флюиды процесса пиролиза. По мере увеличения температуры пласта количество конденсируемых углеводородов, содержащихся в добываемых пластовых флюидах, может уменьшаться. При высоких температурах пласт может производить, главным образом, метан и/или водород. Если углеводородсодержащий пласт прогревают с прохождением всего интервала температур пиролиза, при приближении к верхнему пределу интервала температур пиролиза пласт может выделять лишь небольшое количество водорода. В конце концов, количество доступного водорода уменьшается, при этом, как правило, количество получаемых из пласта флюидов будет минимальным.
По окончании процесса пиролиза углеводородов в пласте еще может находиться большое количество углерода и некоторое количество водорода. Значительная часть углерода, остающегося в пласте, может быть добыта из пласта в виде синтез-газа. Образование синтез-газа может происходить на стадии 3 нагревания, отображенной на фиг.1. Стадия 3 может включать нагревание пласта, содержащего углеводороды, до температуры достаточной для образования синтез-газа. Например, синтез-газ может быть получен в интервалах температур от 400°C до 1200°C, от 500°C до 1100°C или от 550°C до 1000°C. При этом состав синтез-газа, произведенного в пласте, определяется температурой нагреваемой части пласта при вводе в пласт текучей среды, необходимой для образования синтез-газа. Образовавшийся синтез-газ может быть извлечен из пласта через эксплуатационную скважину или эксплуатационные скважины.
Общее энергосодержание флюидов, добываемых из углеводородсодержащего пласта, может оставаться относительно постоянным в течение всего процесса пиролиза и генерирования синтез-газа. В процессе пиролиза при относительно низких температурах пласта значительная часть полученных флюидов может представлять собой конденсируемые углеводороды, которые имеют высокое энергосодержание. Однако при более высоких температурах пиролиза меньшая часть пластового флюида может содержать конденсируемые углеводороды. Из пласта может быть извлечено больше неконденсируемых пластовых флюидов. При этом во время образования преобладающе неконденсируемых пластовых флюидов энергосодержание на единицу объема полученных флюидов может слегка уменьшиться. В процессе генерирования синтез-газа энергосодержание полученного синтез-газа на единицу объема значительно снижается по сравнению с энергосодержанием флюида, образованного в процессе пиролиза. Однако объем произведенного синтез-газа во многих случаях будет значительно увеличиваться, что тем самым компенсирует уменьшение энергосодержания.
На фиг.2 схематически представлено воплощение части системы для проведения тепловой обработки in situ пласта, содержащего углеводороды. Указанная система для проведения тепловой обработки in situ включает в себя барьерные скважины 200. Эти барьерные скважины 200 используют для образования барьера вокруг зоны обработки. Барьер препятствует прохождению потока флюидов в зону и/или из зоны обработки. Барьерные скважины включают в себя (но не в качестве ограничения) водопонижающие скважины, скважины для вакуумирования, скважины для улавливания, нагнетательные скважины, скважины для цементирования, скважины для замораживания или их комбинации. В некоторых воплощениях барьерные скважины 200 представляют собой водопонижающие скважины. Водопонижающие скважины могут обеспечивать удаление жидкой фазы воды и/или предотвращение поступления жидкой фазы воды в некоторую часть нагреваемого пласта или к нагреваемому пласту.
Скважины для замораживания могут быть использованы для установления зоны низкой температуры по всему обрабатываемому участку пласта или в некоторой его части. Хладагент циркулирует через скважины для замораживания с образованием зон низкой температуры вокруг каждой скважины для замораживания. Скважины для замораживания размещают в пласте так, чтобы зоны с низкой температурой перекрывались и формировали зону с низкой температурой вокруг обрабатываемого участка пласта. Низкотемпературную зону, которая формируется с помощью скважин для замораживания, поддерживают ниже температуры замерзания флюида на водной основе в пласте. Флюид на водной основе, поступающий в зону с низкой температурой, замерзает и образует замороженный барьер.
В воплощении, представленном на фиг.2, барьерные скважины 200 показаны проходящими только с одной стороны от тепловых источников 202, но обычно барьерные скважины окружают все используемые тепловые источники 202 или те, которые предполагается использовать для прогрева обрабатываемого участка пласта.
Тепловые источники 202 размещают, по меньшей мере, в части пласта. Эти тепловые источники 202 могут включать в себя нагреватели, например электроизолированные нагреватели, нагреватели типа “проводник в трубе”, поверхностные камеры сгорания, беспламенные распределенные топочные агрегаты и/или распределенные топочные агрегаты, работающие на природном топливе. Тепловыми источниками 202 могут быть и другие типы нагревателей. Тепловые источники 202 обеспечивают подвод теплоты, по меньшей мере, к части пласта для нагревания содержащихся в пласте углеводородов. Энергию к тепловым источникам 202 можно подводить с помощью подводящих трубопроводных линий 204. Подводящие трубопроводные линии 204 могут конструктивно отличаться друг от друга в зависимости от типа теплового источника или тепловых источников, используемых для нагревания пласта. Подводящие трубопроводные линии 204 для тепловых источников могут передавать электрическую энергию электрическим нагревателям, могут транспортировать топливо для камер сгорания или могут транспортировать теплоноситель, который циркулирует с прохождением через пласт. В некоторых воплощениях электрическая энергия для процесса тепловой обработки in situ может быть обеспечена с помощью ядерной энергетической установки или ядерных энергетических установок. Использование ядерной энергии может уменьшить или исключить выбросы двуокиси углерода, образующиеся в результате проведения процесса тепловой обработки in situ.
Для извлечения пластовых флюидов из пласта используют эксплуатационные скважины 206. В некоторых воплощениях эксплуатационные скважины 206 могут быть снабжены тепловым источником. Тепловой источник, размещенный в эксплуатационной скважине, может нагревать один или более, чем один, участок пласта вблизи эксплуатационной скважины или может осуществлять нагревание в самой эксплуатационной скважине. В некоторых воплощениях процесса обработки in situ количество теплоты, подводимой к пласту из эксплуатационной скважины на метр длины эксплуатационной скважины, меньше, чем количество теплоты, подводимой к пласту от источника теплоты, который нагревает пласт, на метр длины источника теплоты. Теплота, подводимая к пласту от эксплуатационной скважины, может увеличить проницаемость пласта вблизи эксплуатационной скважины за счет испарения и удаления жидкой фазы флюида вблизи эксплуатационной скважины и/или за счет повышения проницаемости пласта вблизи эксплуатационной скважины за счет формирования макро- и/или микротрещин. Тепловой источник, размещенный в эксплуатационной скважине, может предотвращать конденсацию и отток пластового флюида, подлежащего извлечению из пласта.
В некоторых воплощениях источник теплоты, размещенный в эксплуатационной скважине 206, обеспечивает удаление паровой фазы из извлекаемых из пласта пластовых флюидов. Обеспечение нагревания в эксплуатационной скважине или через эксплуатационную скважину может: (1) предотвратить конденсацию или обратное стекание добываемого флюида при его протекании в эксплуатационной скважине вблизи покрывающей породы, (2) увеличение подвода теплоты в пласт, (3) увеличение нефтеотдачи эксплуатационной скважины по сравнению со случаем отсутствия источника теплоты, (4) предотвращение конденсации соединений с высоким углеродным числом (С6 и выше) в эксплуатационной скважине, и/или (5) увеличение проницаемости пласта в месте расположения эксплуатационной скважины или вблизи нее.
Подземное пластовое давление может соответствовать давлению флюидов, создаваемому в этом пласте. По мере повышения температуры на нагреваемом участке пласта давление на нагреваемом участке может увеличиваться в результате увеличенной добычи флюидов и испарения воды. Интенсивность регулирования извлечения флюидов из пласта может обеспечить регулирование пластового давления. Пластовое давление может быть определено в ряде различных точек, например вблизи эксплуатационной скважины или в самой скважине, вблизи источников теплоты или в самом источнике теплоты, или в контрольных скважинах.
В некоторых пластах, содержащих углеводороды, добычу углеводородов из пласта сдерживают до тех пор, пока, по меньшей мере, некоторая часть углеводородов в пласте не будет пиролизована. Пластовый флюид может быть добыт из пласта, когда этот пластовый флюид имеет предварительно выбранное качество. В некоторых воплощениях выбранное качество включает плотность в градусах Американского нефтяного института (API), равную, по меньшей мере, 20°, 30° или 40°. Сдерживание добычи до тех пор, пока, по меньшей мере, некоторые углеводороды не будут пиролизованы, может увеличить конверсию тяжелых углеводородов в легкие углеводороды. Сдерживание начальной добычи может минимизировать добычу тяжелых углеводородов из пласта. Добыча существенных количеств тяжелых углеводородов может потребовать использование дорогостоящего оборудования и/или уменьшить срок службы эксплуатационного оборудования.
После того как температуры достигают температур пиролиза, и добыча из пласта становится возможной, пластовое давление можно регулировать с целью изменения и/или регулирования состава добываемых пластовых флюидов с тем, чтобы контролировать процентное содержание конденсируемого флюида по отношению к неконденсируемому флюиду в пластовом флюиде и/или контролировать плотность в градусах API добываемого пластового флюида. Например, снижение давления может привести к получению большего количества конденсируемой компоненты флюидов. Указанная конденсируемая компонента флюидов может характеризоваться большим процентным содержанием олефинов.
В некоторых воплощениях способа тепловой обработки in situ пластовое давление может поддерживаться достаточно высоким, чтобы способствовать добыче пластового флюида с плотностью в градусах API более 20°. Поддерживание повышенного давления в пласте может предотвратить оседание породы при проведении тепловой обработки пласта in situ. Поддерживание повышенного давления может облегчить образование паровой фазы флюидов, извлекаемых из пласта. Образование паровой фазы может обеспечить уменьшение размера коллекторных трубопроводов, используемых для транспортирования добываемых производимых флюидов из пласта. Поддерживание повышенного давления может уменьшить или исключить необходимость сжатия пластовых флюидов на поверхности для транспортирования флюидов в коллекторных трубопроводах в направлении технологического оборудования для обработки флюидов.
Поддерживание повышенного давления на нагреваемом участке пласта, как ни удивительно, может обеспечить добычу больших количеств углеводородов с повышенным качеством и относительно низким молекулярным весом. Давление может поддерживаться таким образом, чтобы добываемый пластовый флюид имел минимальное содержание соединений с углеродным числом, превышающим предварительно заданное. Предварительно заданное углеродное число может быть равным не более 25, не более 20, не более 12 или не более 8. Некоторые соединения с высоким углеродным числом могут уноситься в виде пара и могут быть извлечены из пласта вместе с паром. Поддерживание повышенного давления в пласте может предотвратить унос соединений с высоким углеродным числом и/или полициклических углеводородных соединений, находящихся в паровой фазе. Указанные соединения с высоким углеродным числом и/или полициклические углеводородные соединения могут оставаться в жидкой фазе в пласте в течение продолжительных периодов времени. Такие продолжительные периоды времени могут быть достаточными для осуществления процесса пиролиза указанных соединения с образованием соединений с низким углеродным числом.
Добытый пластовый флюид из эксплуатационных скважин 206 может быть транспортирован через коллекторный трубопровод 208 к технологическому оборудованию 210 для обработки. Пластовые флюиды могут быть также добыты из источников 202 теплоты. Например, флюид может быть извлечен из источников 202 теплоты с целью контроля пластового давления вблизи этих источников теплоты. Флюид, добытый из источников 202 теплоты, может быть транспортирован через систему трубопроводов или трубопровод к коллекторному трубопроводу 208, или же флюид, добытый из источников 202 теплоты, может быть транспортирован через систему трубопроводов или трубопровод к оборудованию 210 для дальнейшей обработки. Оборудование 210 для обработки может включать аппараты для разделения, аппараты для проведения реакций, аппараты для повышения качества, топливные элементы, турбины, резервуары для хранения и/или другие системы и аппараты для переработки добытых пластовых флюидов. С помощью оборудования для обработки может производиться жидкое транспортное топливо, по меньшей мере, из части углеводородов, извлеченных из пласта. В некоторых воплощениях таким жидким транспортным топливом может быть авиационный керосин, например JP-8.
В некоторых воплощениях способа тепловой обработки на месте для нагревания пласта используют систему с циркуляцией теплоносителя. Эта циркуляционная система может представлять собой систему с замкнутым контуром циркуляции. На фиг.3 представлена принципиальная схема для нагревания пласта с использованием циркуляционной системы. Такая система может быть использована для нагревания углеводородов, которые находятся глубоко под землей и в пластах с относительно большой протяженностью. В некоторых воплощениях углеводороды могут находиться ниже поверхности земли на глубине 100 м, 200 м, 300 м или более. Система циркуляции может оказаться экономически целесообразной в таких пластах, где длина пласта, содержащего подлежащие обработке углеводороды, заметно превышает толщину покрывающей породы. Отношение протяженности углеводородного пласта, нагреваемого с помощью нагревателей, к толщине покрывающей породы, может составлять, по меньшей мере, 3, по меньшей мере, 5 или, по меньшей мере, 10. Нагреватели циркуляционной системы могут быть размещены относительно соседних нагревателей таким образом, чтобы суперпозиция теплоты между нагревателями циркуляционной системы позволяла повышать температуру пласта, по меньшей мере, выше точки кипения находящегося в пласте водонасыщенного пластового флюида.
В некоторых воплощениях нагреватели 212 могут быть сформированы в пласте путем бурения первой скважины и затем второй скважины, которая соединена с первой скважиной. В сформированной U-образной скважине может быть размещен трубопровод с образованием U-образного нагревателя 212. Нагреватели 212 соединены с системой 214 циркуляции теплоносителя с помощью трубопровода. В указанном замкнутом контуре циркуляции в качестве теплоносителя может быть использован газ под высоким давлением. В некоторых воплощениях теплоносителем служит двуокись углерода. Двуокись углерода является химически устойчивым газом при требуемых температурах и давлениях и имеет относительно большой молекулярный вес, который обуславливает высокую объемную теплоемкость. Кроме того, могут быть использованы и другие текучие среды, такие как водяной пар, воздух, гелий и/или азот. Давление теплоносителя, поступающего в пласт, может составлять 3000 кПа или более. Использование теплоносителя под высоким давлением позволяет теплоносителю иметь более высокую плотность и, следовательно, большую способность к теплообмену. Кроме того, перепад давления в нагревателе меньше для такой системы, в которой теплоноситель входит в теплообменники при первом давлении для заданного массового расхода, чем в случае системы, в которой теплоноситель поступает в нагреватели при втором давлении с таким же массовым расходом, если первое давление больше, чем второе давление.
В некоторых воплощениях в качестве теплопередающей среды используют жидкий теплоноситель. Жидким теплоносителем может быть природное или синтетическое масло, жидкий металл, солевой расплав или другой тип высокотемпературного теплоносителя. Жидкий теплоноситель позволяет использовать трубопровод меньшего диаметра и уменьшить затраты на нагнетание/сжатие теплоносителя. В некоторых воплощениях трубопровод изготавливают из материала, стойкого к коррозии, происходящей под действием жидкого теплоносителя. В некоторых воплощениях трубопровод облицован внутри материалом, стойким к коррозии, происходящей под действием жидкого теплоносителя. Например, если теплоноситель представляет собой расплавленный фторид, трубопровод может включать никелевую внутреннюю облицовку толщиной 10 миллиметров. Трубопровод может быть образован посредством соединения прокаткой никелевой полосы, наложенной на полосу из материала трубопровода (например, из нержавеющей стали), сворачивания полученной полоски из композиционного материала, и продольной сварки свернутой полоски из композита с образованием трубопровода. Может быть использована и другая технология. Коррозия никеля под воздействием расплавленного фторида может составлять менее чем 1 миллиметр в год при температуре приблизительно равной 840°C.
Система 214 циркуляции теплоносителя может включать источник 216 подвода теплоты, первый теплообменник 218, второй теплообменник 220 и компрессор 222. Источником 216 подвода теплоты может быть камера сгорания, солнечный коллектор, химический реактор, ядерный реактор, отводимое тепло от топливного элемента или другой высокотемпературный источник, способный подводить теплоту к теплоносителю. В воплощении, представленном на фиг.3, источник 216 подвода теплоты представляет собой камеру сгорания, которая нагревает теплоноситель до температуры в интервале от приблизительно 700°C до приблизительно 920°C, от приблизительно 770°C до приблизительно 870°C, или от приблизительно 800°C до приблизительно 850°C. В одном воплощении источник 216 теплоты нагревает теплоноситель до температуры приблизительно 820°C. Теплоноситель протекает от источника 216 теплоты к нагревателям 212. Теплота передается от нагревателей 212 к пласту 224 вблизи нагревателей. Температура теплоносителя, поступающего в пласт 224 (по трубопроводам), может находиться в интервале от 350°C до 580°C, от 400°C до 530°C или от 450°C до 500°C. В одном воплощении температура теплоносителя, входящего в пласт 224, составляет 480°C. Металлургический материал трубопроводов, образующих систему 214 циркуляции теплоносителя, может быть изменен с целью значительного снижения стоимости этих трубопроводов. Для трубопроводов, проходящих от источника 216 теплоты до точки, в которой температура значительно более низкая, может быть использована высокотемпературная сталь, а от этой точки до первого теплообменника 218 может быть использована менее дорогостоящая сталь. Для изготовления трубопроводов системы 214 циркуляции теплоносителя могут быть использованы различные марки стали.
Теплоноситель от источника 216 системы 214 циркуляции теплоносителя проходит через покрывающий слой 226 пласта 224 к углеводородному слою 228. Участки нагревателей 212, проходящие через покрывающую породу 226 пласта 224, могут быть теплоизолированы. В некоторых воплощениях тепловая изоляция или часть этой изоляции выполнена из полиимидного изолирующего материала. Входные участки нагревателей 212 в углеводородном слое 228 могут иметь изоляцию со ступенчатым изменением толщины для снижения перегрева углеводородного слоя вблизи входа нагревателя в углеводородный слой.
В некоторых воплощениях диаметр трубопровода, находящегося в покрывающей породе 226, может быть меньше диаметра трубопровода, проходящего через углеводородный слой 228. Меньший диаметр трубопровода, проходящего через покрывающую породу 226, позволяет уменьшить передачу теплоты к покрывающей породе. Уменьшение передачи теплоты к покрывающей породе 226 уменьшает степень охлаждения теплоносителя, поступающего в трубопровод вблизи углеводородного слоя 228. Повышенная теплопередача в трубопроводе меньшего диаметра благодаря повышению скорости течения теплоносителя в трубопроводе меньшего диаметра компенсируется меньшей величиной площади поверхности трубопровода с меньшим диаметром и уменьшением времени нахождения теплоносителя в указанном трубопроводе меньшего диаметра.
После выхода из пласта 224 теплоноситель протекает через первый теплообменник 218 и второй теплообменник 220 и направляется в компрессор 222. В первом теплообменнике 218 происходит теплообмен между теплоносителем, выходящим из пласта 224, и теплоносителем, выходящим из компрессора 222, с повышением температуры теплоносителя, который поступает в источник 216 теплоты и снижает температуру флюида, выходящего из пласта 224. Второй теплообменник 220 дополнительно снижает температуру теплоносителя перед поступлением теплоносителя в компрессор 222.
В некоторых воплощениях вместо газообразного теплоносителя может быть использован жидкий теплоноситель. Ряд компрессоров, представленный на фиг.3 компрессором 222, может быть заменен насосами или другими устройствами для нагнетания жидкости.
На фиг.4 показан вид сверху воплощения отверстия ствола скважины в пласте, который подлежит нагреванию с использованием системы циркуляции. Входы 230 для теплоносителя в пласте 234 чередуются с выходами 232 для теплоносителя. Чередование входов 230 для теплоносителя с выходами 232 для теплоносителя может обеспечить более равномерный нагрев находящихся в пласте 234 углеводородов.
В некоторых воплощениях трубопроводы системы циркуляции могут обеспечивать изменение направления течения теплоносителя через пласт. Изменение направления течения теплоносителя через пласт приводит к тому, что в каждый конец u-образного ствола скважины первоначально теплоноситель поступает при самой высокой температуре в течение некоторого периода времени, что может привести к более равномерному нагреванию пласта. Направление движения теплоносителя может быть изменено в желательные интервалы времени. Желательный интервал времени может составлять приблизительно год, приблизительно шесть месяцев, приблизительно три месяца, приблизительно два месяца или какой-либо другой желательный интервал времени.
В некоторых воплощениях система циркуляции может быть использована совместно с электрическим нагревом. В некоторых воплощениях, по меньшей мере, часть трубопровода, размещенного в U-образных стволах скважин, вблизи участков пласта, подлежащих нагреванию, выполнена из ферромагнитного материала. Например, трубопровод вблизи слоя или слоев нагреваемого пласта изготовлен из хромистой стали с содержанием хрома от 9% до 13%, например из нержавеющей стали марки 410. Трубопроводом может быть нагреватель с ограниченной температурой, когда к трубопроводу подведен переменный по времени электрический ток. Переменный по времени электрический ток может нагревать трубопровод посредством резистивного нагревания, при этом нагреваются пласт и материал трубопровода. В некоторых воплощениях может быть использован постоянный электрический ток для резистивного нагревания трубопровода, за счет чего нагревается пласт. В некоторых воплощениях материал, используемый для изготовления трубопровода, размещенного в U-образном стволе скважины, не включает ферромагнитный материал. Постоянный ток или переменный по времени ток может быть использован для резистивного нагрева трубопровода, который нагревает пласт.
В некоторых воплощениях в трубопроводе размещают один или большее количество изолированных проводников. Электрический ток может быть подведен к изолированным проводникам для резистивного нагрева, по меньшей мере, части изолированных проводников. Нагреваемые изолированные проводники могут обеспечивать нагревание содержимого трубопровода и сам трубопровод. Трубопровод, нагреваемый посредством изолированного проводника, может нагревать близлежащий пласт. На фиг.5 показан изолированный проводник 233, размещенный в нагревателе 212. Нагреватель 212 представляет собой трубопровод системы циркуляции теплоносителя, размещенный в пласте. В некоторых воплощениях к указанному трубопроводу может быть прикреплен один или большее количество изолированных проводников.
В некоторых воплощениях систему циркуляции используют для нагревания пласта до первой температуры, и электрическую энергию используют для поддерживания такой температуры пласта и/или для нагревания пласта до более высокой температуры. Первая температура может быть достаточной для испарения находящегося в пласте водосодержащего флюида. При этом первая температура может составлять самое большее 200°C, самое большее 350°C или самое большее 400°C. Использование системы циркуляции для нагревания пласта до первой температуры позволяет осушать пласт, если для нагревания пласта используют электрическую энергию. Нагревание осушенного пласта может минимизировать утечки электрического тока в пласт.
В некоторых воплощениях для нагревания пласта до первой температуры могут быть использованы система циркуляции и электрическая энергия. Пласт может поддерживаться при первой температуре, или же температура пласта может быть увеличена по отношению к первой температуре, используя систему циркуляции и/или электрический нагрев. В некоторых воплощениях температура пласта может быть повышена от первой температуры с помощью электрического нагрева, и температура может поддерживаться и/или может быть увеличена, используя для этого систему циркуляции теплоносителя. Экономические факторы, имеющаяся в распоряжении электрическая энергия, наличие топлива для нагревания теплоносителя и другие факторы могут быть использованы для того, чтобы определить, в каком случае следует использовать электрический нагрев и/или нагрев с помощью системы циркуляции.
В других воплощениях электрический нагрев используют для повышения температуры трубопровода до желательной температуры. Желательной может быть температура, превышающая температуру, необходимую для сохранения теплоносителя (например, расплавленного металла или расплава соли) в жидком состоянии. Электрический нагрев может предотвращать закупоривание трубопровода и позволяет теплоносителю протекать по трубопроводу. Электрический нагрев может быть прекращен, если система циркуляции способна сохранять теплоноситель в виде жидкости без дополнительного подвода теплоты с помощью электрического нагрева. Например, электрический нагрев может быть первоначально использован при приведении системы в действие. С помощью электрического нагрева трубопровод может быть нагрет так, что жидкий теплоноситель в трубопроводе не переходит в твердое состояние. После того как пласт вблизи трубопровода нагреется до температуры большей, чем температура плавления теплоносителя, электрический нагрев может быть прекращен. Если имеет место прекращение работы системы или возникает другая проблема, которая может привести к отверждению теплоносителя в трубопроводе, электрический нагрев может быть возобновлен.
На фиг.3 представлено одно воплощение системы циркуляции. В определенных воплощениях определенная часть нагревателя 212, находящаяся в углеводородном слое 228, присоединена к подводящим проводникам. Подводящие проводники могут быть расположены в покрывающей породе 226. Подводящие проводники могут электрически соединять часть нагревателя 212, находящуюся в углеводородном слое 228, с одним или более элементов устьевого оборудования, находящегося на земной поверхности. В месте соединения части нагревателя 212, находящейся в углеводородном слое 228, с частями нагревателя 212, расположенными в покрывающем слое 226, могут быть размещены электрические изоляторы с тем, чтобы части нагревателя, расположенные в покрывающем слое, были электрически изолированы от указанной части нагревателя, находящейся в углеводородном слое.
В воплощении, в котором для повышения температуры трубопровода до или выше желательной температуры необходим электрический нагрев, подводящие проводники соединяют с трубопроводом на или вблизи поверхности земли так, чтобы весь трубопровод, находящийся в пласте, нагревался до желательной температуры. Трубопровод около поверхности может быть снабжен электрической изоляцией (например, керамическим покрытием) с целью предотвращения утечек тока в пласт.
В некоторых воплощениях подводящие проводники размещают внутри трубопровода системы с замкнутым контуром циркуляции теплоносителя. В некоторых воплощениях подводящие проводники размещают снаружи трубопровода системы с замкнутым контуром циркуляции. В некоторых воплощениях подводящие проводники представляют собой проводники, изолированные посредством неорганической изоляции, например оксида магния. Для уменьшения тепловых потерь в покрывающую породу 226 в процессе электрического нагревания подводящие проводники могут быть выполнены из материалов с высокой электропроводностью, например из меди или алюминия.
В определенных воплощениях в качестве подводящих проводников используют части нагревателя 212, находящиеся в покрывающей породе 226. Указанные части нагревателя 212, находящиеся в покрывающей породе 226, могут быть электрически соединены с частью нагревателя 212, расположенной в углеводородном слое 228. В некоторых воплощениях для уменьшения электрического сопротивления частей нагревателя, находящихся в покрывающей породе, один или более электропроводящих материалов (таких, как медь или алюминий) присоединяют (например, посредством плакирования или сварки) к частям нагревателя 212, находящимся в покрывающей породе 226. Уменьшение электрического сопротивления частей нагревателя 212, находящихся в покрывающем слое 226, снижает тепловые потери в покрывающую породу в процессе электрического нагрева.
В некоторых воплощениях часть нагревателя 212, размещенная в углеводородном слое 228, представляет собой нагреватель с ограниченной температурой, выполненный с самоограничением температуры в интервале от 600°C до 1000°C. Часть нагревателя 212, расположенная в углеводородном слое 228, может быть изготовлена из хромистой нержавеющей стали с содержанием хрома в интервале от 9% до 13%. Например, часть нагревателя 212, находящаяся в углеводородном слое 228, может быть выполнена из нержавеющей стали 410. К части нагревателя 212, находящейся в углеводородном слое, может быть приложен переменный по времени ток. При этом переменный по времени ток может быть приложен к части нагревателя 212, находящейся в углеводородном слое 228, таким образом, что этот нагреватель работает как нагреватель с ограниченной температурой.
На фиг.6 представлен вид сбоку воплощения системы для нагревания части пласта с использованием системы циркуляции теплоносителя и/или электрического нагрева. Устьевое оборудование 234 для нагревателей 212 может быть соединено с системой 214 циркуляции теплоносителя посредством трубопроводов. Устьевое оборудование 234 может быть также соединено с системой 236 снабжения электрической энергией. В некоторых воплощениях систему 214 циркуляции теплоносителя отсоединяют от нагревателей в том случае, если для нагревания пласта используют электрическую энергию. В некоторых воплощениях систему 236 снабжения электрической энергией отсоединяют от нагревателей в том случае, когда для нагревания пласта используют систему 214 циркуляции теплоносителя.
Система 236 снабжения электрической энергией может включать трансформатор 238 и кабели 240, 242. В определенных воплощениях кабели 240, 242 способны передавать большие токи с низкими потерями. Например, кабели 240, 242 могут быть выполнены в виде проводников из меди или алюминия большой толщины. В некоторых воплощениях кабель 240 и/или кабель 242 могут представлять собой сверхпроводящие кабели. Сверхпроводящие кабели могут охлаждаться жидким азотом. Сверхпроводящие кабели поставляются на рынок фирмой Superpower, Inc. (Schenectady, New York, U.S.A.). Сверхпроводящие кабели могут минимизировать потери энергии и/или уменьшать размеры кабелей, необходимых для подключения трансформатора 238 к нагревателям. В некоторых воплощениях кабели 240, 242 могут быть выполнены из углеродных нанотрубок.
В некоторых воплощениях для нагревания обрабатываемого участка пласта используют жидкий теплоноситель. В некоторых воплощениях жидким теплоносителем является расплав соли или расплавленный металл. Жидкий теплоноситель при нормальных рабочих условиях может иметь низкую вязкость и высокую теплоемкость. В таблице 1 приведены температуры плавления (Тпл) и температуры кипения (Ткип) для некоторых материалов, которые могут быть использованы в качестве жидкого теплоносителя. Если жидким теплоносителем служит расплавленный металл, расплав соли или другая текучая среда, обладающая способностью к отверждению в пласте, трубопроводы системы могут быть электрически соединены с источником электрической энергии для резистивного нагревания трубопроводов, когда это необходимо, и/или один или более нагревателей могут быть размещены в трубопроводах или вблизи них для поддерживания теплоносителя в жидком состоянии.
| Таблица 1 | ||
| Материал | Тпл (°С) | Ткип (°C) |
| Zn | 420 | 907 |
| CdBr2 | 568 | 863 |
| CdI2 | 388 | 744 |
| CuBr2 | 498 | 900 |
| PbBr2 | 371 | 892 |
| TlBr | 460 | 819 |
| TlF | 326 | 826 |
| ThI4 | 566 | 837 |
| SnF2 | 215 | 850 |
| SnI2 | 320 | 714 |
| ZnCl2 | 290 | 732 |
На фиг.7 схематически представлена система подвода жидкого теплоносителя в зону обработки пласта и его отвода с использованием гравитации и газлифта в качестве движущих сил для перемещения жидкого теплоносителя. Жидким теплоносителем может служить расплавленный металл или расплав соли. Емкость 244 размещена выше теплообменника 246. Теплоноситель из емкости 244 протекает через теплообменный аппарат 246 к пласту за счет гравитационного стекания. В одном воплощении теплообменник 246 выполнен в виде кожухотрубного теплообменника. Входящий поток 248 представляет собой нагретую текучую среду (например, гелий), отводимую из ядерного реактора 250. Выходящий из теплообменника поток 252 текучей среды может быть направлен в качестве потока хладагента в ядерный реактор 250. В некоторых воплощениях теплообменником служит камера сгорания, солнечный коллектор, химический реактор, топливный элемент или другой высокотемпературный источник, способный обеспечить подвод теплоты к жидкому теплоносителю.
Нагретый теплоноситель из теплообменника 246 может протекать в коллектор, который подводит теплоноситель к отдельным частям нагревателя, расположенным на обрабатываемом участке пласта. Теплоноситель может протекать к указанным частям нагревателя за счет гравитационного стекания. Теплоноситель может протекать через покрывающую породу 226 к углеводородсодержащим слоям 228, находящимся на обрабатываемом участке. Трубопроводы, размещенные вблизи покрывающей породы 226, могут быть изолированы. Теплоноситель протекает вниз к приемному резервуару 254.
Газлифтный трубопровод может включать трубопровод 256 для подачи газа, проходящий внутри трубы 258. Трубопровод 256 для подачи газа может входить в приемный резервуар 254. Когда подъемная камера 260, размещенная в приемном резервуаре 254, заполняется теплоносителем до определенного уровня, система управления газлифтом приводит в действие клапаны системы газлифта, в результате чего теплоноситель поднимается по кольцевому зазору между подающим трубопроводом 256 и трубой 258 вверх к сепаратору 262. Сепаратор 262 может принимать теплоноситель и транспортирующий газ из коллектора трубопроводов, который транспортирует теплоноситель от отдельных частей нагревателя, расположенных в пласте. Сепаратор 262 отделяет транспортирующий газа от теплоносителя. Теплоноситель направляют в резервуар 244.
Трубы 258, проходящие от приемных резервуаров 254 к сепаратору 262, могут включать один или большее количество изолированных проводников или другие типы нагревателей. Изолированные проводники или другие типы нагревателей могут быть размещены в трубах 258 и/или могут быть прикреплены или иным образом соединены с внешней поверхностью труб. Нагреватели могут предотвращать отверждение теплоносителя в трубах 258 в процессе газлифта теплоносителя из приемного резервуара 254.
В некоторых воплощениях для нагревания теплоносителя, используемого в системе циркуляции для нагревания части пласта, может быть использована атомная энергия. Источник 216 теплоты на фиг.3 может представлять собой реактор с засыпкой из шаровых тепловыделяющих элементов или другой тип ядерного реактора, например ядерный реактор на легкой воде. Использование атомной энергии обеспечивает наличие источника теплоты с незначительными выбросами двуокиси углерода в атмосферу или вообще без выбросов двуокиси углерода. Кроме того, использование ядерной энергии может быть более эффективным, поскольку устраняются потери энергии в процессе преобразования теплоты в электричество и электричества в теплоту благодаря непосредственному использованию теплоты, произведенной в результате ядерных реакций, без выработки электрической энергии.
В некоторых воплощениях ядерный реактор может нагревать гелий. Например, гелий протекает через реактор с засыпкой из шаровых тепловыделяющих элементов, и теплота в реакторе передается гелию. Гелий может быть использован в качестве теплоносителя, и гелий может быть пропущен через теплообменник для обеспечения нагревания теплоносителя, используемого для нагревания пласта. Реактор с засыпкой из шаровых тепловыделяющих элементов может включать резервуар под давлением, который содержит заключенное в капсулы топливо, обогащенное диоксидом урана. Гелий может быть использован как теплоноситель для отвода теплоты от реактора с засыпкой из шаровых тепловыделяющих элементов. Теплота может быть передана в теплообменнике от гелия теплоносителю, используемому в системе циркуляции. Теплоносителем, используемым в системе циркуляции, может быть двуокись углерода, расплав соли или другая текучая среда. Системы с реактором, выполненным с засыпкой из шаровых тепловыделяющих элементов, поставляются на рынок компанией PBMR Ltd. (Centurion, South Africa).
На фиг.8 представлена схема системы, в которой для нагревания обрабатываемого участка 264 пласта используется атомная энергия. Система может включать газодувку 266 системы циркуляции гелия, ядерный реактор 268, теплообменные аппараты 270 и дутьевой вентилятор 272 для теплоносителя. Газодувка 266 системы циркуляции гелия может нагнетать нагретый гелий из ядерного реактора 268 в теплообменные аппараты 270. Гелий из теплообменных аппаратов 270 может проходить через газодувку 266 системы циркуляции гелия в ядерный реактор 268. Из ядерного реактора 268 гелий может выходить с температурой в интервале от 900°C до 1000°C. Из газодувки 266 гелий может выходить с температурой в интервале от 500°C до 600°C. Газодувка 272 для теплоносителя может продувать теплоноситель, выходящий из теплообменных аппаратов 270, через обрабатываемый участок 264 пласта. Теплоноситель может протекать с помощью газодувки 272 через теплообменные аппараты 270. Теплоносителем может служить двуокись углерода. Теплоноситель после выхода из теплообменных аппаратов 270 может иметь температуру в интервале от 850°C до 950°C.
В некоторых воплощениях система может содержать дополнительный источник энергии 274. В некоторых воплощениях дополнительный источник энергии 274 генерирует энергию за счет прохождения отводимого из теплообменника 270 гелия через генератор с целью выработки электрической энергии. Гелий может быть направлен к одному или большему количеству компрессоров и/или теплообменников для корректирования давления и температуры гелия перед его направлением в ядерный реактор 268. В некоторых воплощениях дополнительный источник 274 энергии генерирует энергию, используя теплоноситель (например, аммиак или водный раствор аммиака). Из теплообменника 270 гелий направляют в дополнительный теплообменник для передачи теплоты теплоносителю. Теплоноситель пропускают через энергетический цикл (например, цикл Калины) для генерирования электрической энергии. В одном воплощении ядерный реактор 268 представляет собой реактор мощностью 400 МВт, а дополнительный источник 274 энергии генерирует примерно 30 МВт электрической энергии. Фиг.9 отображает схематично вид в вертикальном разрезе размещения оборудования для проведения процесса тепловой обработки in situ. В пласте могут быть пробурены стволы скважины, имеющие U-образную форму, с образованием обрабатываемых участков 264А, 264В, 264С, 264D пласта. Дополнительные обрабатываемые участки могут быть образованы по боковым сторонам показанных обрабатываемых участков. Обрабатываемые участки 264A, 264B, 264C, 264D могут иметь ширину более 300 м, 500 м, 1000 м или 1500 м. Выходы скважин и входы для стволов скважин могут быть образованы в зоне 276 отверстий скважин. Вдоль боковых сторон обрабатываемых участков 264 могут быть размещены рельсовые линии 278. Вблизи концов рельсовых линий могут быть размещены склады для товарной продукции, органы управления и/или оборудование для хранения отработанного ядерного топлива. На ответвлениях рельсовых линий 278 может быть с интервалами размещено технологическое оборудование 280. Технологическое оборудование 280 может включать ядерный реактор, компрессоры и/или насосы, теплообменники и другое оборудование, необходимое для циркуляции горячего теплоносителя к стволам скважин. Технологическое оборудование 280 может также включать наземное оборудование для обработки добытого из пласта пластового флюида. В некоторых воплощениях теплоноситель, полученный с помощью технологического оборудования 280', может быть повторно нагрет посредством реактора в технологическом оборудовании 280'' после прохождения через участок 264А обработки пласта. В некоторых воплощениях каждое технологическое оборудование 280 используют для подачи нагретого теплоносителя к скважинам, размещенным на половине участка 264 обработки вблизи технологического оборудования. После завершения добычи флюидов из обрабатываемого участка технологическое оборудование 280 можно перемещать по рельсам к другой площадке с оборудованием.
В некоторых воплощениях способа обработки in situ подачу сжатых газов в зону обработки обеспечивают компрессоры. Например, компрессоры могут быть использованы для подачи окисляющей текучей среды 282 и/или топлива 284 к большому количеству групп элементов для окисления, выполненных подобно группе окислительных элементов (гирлянде из окислительных элементов) 286, показанной на фиг.10. Каждая группа окислительных элементов 286 может включать ряд окислительных элементов 288. Окислительные элементы 288 могут сжигать смесь окисляющей текучей среды 282 и топлива 284 с выделением теплоты, которая нагревает обрабатываемый участок пласта. Кроме того, компрессоры 222 могут быть использованы для подачи теплоносителя в газовой фазе в пласт так, как показано на фиг.3. В некоторых воплощениях подачу в зону обработки жидкой фазы теплоносителя обеспечивают насосы.
Значительные затраты для способа тепловой обработки in situ могут быть связаны с работой компрессоров и/или насосов во время осуществления способа обработки in situ, если для привода в действие компрессоров и/или насосов для способа тепловой обработки in situ используют обычные источники электрической энергии. В некоторых воплощениях атомная энергия может быть использована для выработки электрической энергии, которая приводит в действие компрессоры и/или насосы, необходимые для осуществления способа тепловой обработки пласта in situ. Атомная энергия может быть обеспечена с помощью одного или более ядерных реакторов. Ядерные реакторы могут представлять собой ядерный реактор на легкой воде, реактор с засыпкой из шаровых тепловыделяющих элементов и/или другие типы ядерных реакторов. Ядерные реакторы могут быть размещены на участке пласта, на котором осуществляют способ тепловой обработки пласта in situ, или рядом с этим участком. Размещение ядерных реакторов на том участке, на котором осуществляют способ тепловой обработки пласта in situ, или рядом с этим участком может уменьшить затраты на оборудование и потери, имеющие место при передаче электрической энергии на большие расстояния. Использование атомной энергии может уменьшить количество генерируемой двуокиси углерода (или исключить ее генерирование), связанное с работой компрессоров и/или насосов в процессе осуществления способа обработки пласта in situ.
Избыток электрической энергии, вырабатываемой с помощью ядерных реакторов, может быть использован для нужд способа тепловой обработки пласта in situ. Например, избыточное количество электрической энергии может быть использовано для охлаждения флюида с целью образования низкотемпературного барьера (замороженного барьера) вокруг обрабатываемых участков пласта и/или для подвода электричества к технологическому оборудованию, используемому для этой обработки, размещенному в зоне проведения тепловой обработки in situ или вблизи этой зоны. В некоторых воплощениях электрическая энергия или избыточная электрическая энергия, полученная от ядерных реакторов, может быть использована для резистивного нагрева трубопроводов, используемых для циркуляции теплоносителя через зону обработки пласта.
В некоторых воплощениях избыточная теплота, полученная от ядерных реакторов, может быть использована для других процессов in situ. Например, излишняя теплота может быть использована для нагревания воды или для генерирования пара, который используют в способах добычи растворением. В некоторых воплощениях излишняя теплота от ядерных реакторов может быть использована для нагревания текучих сред, используемых в технологическом оборудовании для обработки пласта, размещенного вблизи или в зоне проведения тепловой обработки in situ.
Другие модификации и альтернативные воплощения различных аспектов изобретения могут быть очевидны специалистам в данной области техники из настоящего описания изобретения. Соответственно настоящее описание является лишь иллюстративным и предназначено для раскрытия специалистам в данной области техники общего метода осуществления настоящего изобретения. Следует понимать, что формы изобретения, показанные и описанные здесь, должны быть выбраны в качестве предпочтительных в настоящее время воплощений. Описанные здесь химические элементы и материалы могут быть заменены, элементы схемы и технологические процессы могут быть изменены, и определенные особенности изобретения могут быть использованы независимо, как это могло бы быть ясно специалисту в данной области техники после анализа этого описания изобретения. В описанных здесь элементах могут быть произведены изменения без выхода за пределы объема и сущности изобретения, раскрытого в изложенных ниже пунктах формулы изобретения. Кроме того, следует понимать, что описанные здесь особенности изобретения могут быть в определенных воплощениях объединены независимо друг от друга.
1. Система для тепловой обработки in situ для добычи углеводородов из подземного пласта, содержащая: множество стволов скважин в пласте; трубопроводы, размещенные, по меньшей мере, в двух стволах скважин; систему циркуляции текучей среды, соединенную с указанными трубопроводами; источник теплоты, сконфигурированный для нагревания жидкого теплоносителя, циркулирующего с помощью системы циркуляции через трубопроводы с нагреванием пласта до температур, которые позволяют добывать углеводороды из пласта; и один или более электрических нагревателей, присоединенных к трубопроводам, сконфигурированных для первоначального нагревания трубопроводов до температуры, превышающей температуру отвердевания жидкого теплоносителя; причем указанные электрические нагреватели содержат один или более проводников, присоединенных к трубопроводам, при этом указанные проводники сконфигурированы так, чтобы обеспечивать подвод электричества к трубопроводам для резистивного нагрева трубопроводов.
2. Система по п.1, в которой указанный источник теплоты представляет собой ядерный реактор.
3. Система по п.1, в которой указанный источник теплоты представляет собой газовую камеру сгорания.
4. Система по любому из пп.1-3, в которой теплоносителем является расплав соли.
5. Система по любому из пп.1-3, в которой теплоносителем является расплавленный металл.
6. Система по п.1, в которой указанные один или более электрические нагреватели представляют собой один или более нагревателей, размещенных в трубопроводах.
7. Система по 1, в которой система циркуляции содержит систему газлифта, сконфигурированную для возвращения расплава соли к поверхности.
8. Способ нагревания подземного пласта, включающий: нагревание жидкого теплоносителя посредством теплообмена с источником теплоты; нагревание трубопроводов до температуры, достаточной для предотвращения отвердевания расплавленной соли в трубопроводах, используя один или более электрических нагревателей, циркуляцию жидкого теплоносителя по трубопроводам, находящимся в пласте, с нагреванием части пласта с тем, чтобы способствовать добыче углеводородов из пласта; и добычу углеводородов из пласта.
9. Способ по п.8, в котором источник теплоты содержит ядерный реактор.
10. Способ по п.8 или 9, в котором жидкий теплоноситель содержит расплав соли.
11. Способ по п.8, дополнительно включающий возвращение жидкого теплоносителя к поверхности с использованием газлифтной системы.
12. Способ по п.8, в котором на стадии нагревания трубопроводов с использованием одного или более электрических нагревателей пропускают электрический ток по трубопроводам для резистивного нагрева трубопроводов.
13. Способ по п.8, в котором на стадии нагревания трубопроводов с помощью одного или более электрических нагревателей размещают нагреватель в виде изолированного проводника в одной или более частях трубопроводов и нагревают нагреватель в виде изолированного проводника для нагрева трубопроводов.
14. Способ нагревания подземного пласта, включающий: пропускание жидкого теплоносителя из емкости в теплообменник; нагревание жидкого теплоносителя до первой температуры; пропускание жидкого теплоносителя через секцию нагревателя в приемный резервуар, при этом теплота передается от указанной секции нагревателя обрабатываемому участку пласта; и газлифт жидкого теплоносителя из приемного резервуара к земной поверхности; и возвращение, по меньшей мере, части жидкого теплоносителя в указанную емкость, при этом жидкий теплоноситель транспортируют посредством газлифта из приемного резервуара по трубе и указанную трубу нагревают для предотвращения отвердевания жидкого теплоносителя в трубе.
15. Способ по п.14, в котором жидкий теплоноситель содержит расплавленную соль.
16. Способ по п.14 или 15, в котором текучая среда, используемая для газлифта жидкого теплоносителя, содержит двуокись углерода.
17. Способ по п.14, в котором текучая среда, используемая для газлифта жидкого теплоносителя, содержит метан.
18. Способ по п.14, в котором теплообменник содержит одну или более газовых горелок.
19. Способ по п.14, в котором теплообменник представляет собой кожухотрубный теплообменник, сконфигурированный для передачи теплоты от горячего потока, полученного с помощью ядерного реактора.
