Огневой теплогенератор, система и способ повышения нефтеотдачи пласта
Изобретение относится к огневым устройствам, системам и способам и может быть использовано для получения пара при добыче углеводородов. Устройство для огневого получения пара 10 содержит камеру сгорания, имеющую стороны входа и выхода, корпус коллектора, соединенный со стороной входа камеры сгорания и выполненный с возможностью ввода в камеру сгорания топлива и окислителя, наружный корпус 11, образующий камеру хладагента 30 между его внутренней поверхностью и наружной поверхностью камеры сгорания, и множество сходящихся впускных отверстий 31 для подачи хладагента из камеры хладагента 30 в камеру сгорания. Сходящиеся впускные отверстия 31 для хладагента расположены радиально вокруг камеры сгорания и выполнены с возможностью формирования сужающегося-расширяющегося сопла из хладагента, подаваемого в камеру сгорания на стороне выхода или вблизи стороны выхода камеры сгорания, когда продукты сгорания проходят через него. В качестве хладагента используют воду. Изобретение позволяет увеличить добычу углеводородов из подземных углеводородных пластов, повысить эффективность, надежность и износостойкость огневых устройств при долговременной постоянной эксплуатации. 7 н. и 40 з.п. ф-лы, 12 ил.
Ссылки на родственные заявки
Настоящая патентная заявка испрашивает приоритет по предварительной заявке США 61/415892, которая подана 22 ноября 2010 года и во всей своей полноте включена в настоящее изобретение посредством ссылки.
Область техники, к которой относится изобретение
Настоящее изобретение относится главным образом к огневым устройствам, системам и способам, включая, помимо возможных прочих, устройства, системы и способы для получения пара, например, для применения при добыче углеводородов и, в частности, для увеличения объемов получения тяжелых углеводородов из подземных углеводородных пластов.
Уровень техники
Разработка нефтяных месторождений как правило происходит в три этапа. Первый этап разработки нефтяного месторождения - это первичная добыча. При первичной добыче производят бурение одной или более скважин с поверхности в углеводородный пласт. Давление, присутствующее в подземном углеводородном пласте, заставляет углеводороды двигаться через ствол скважины к поверхности. Первичная добыча продолжается до тех пор, пока давление в углеводородном пласте не перестанет быть достаточным для транспортирования углеводородов через ствол скважины к поверхности. В типичном случае, только 5-15% первоначального объема нефти в пласте можно извлечь на этапе первичной добычи.
Второй этап разработки нефтяного месторождения - это вторичная добыча. На этапе вторичной добычи для извлечения углеводородов из пластов с пониженным давлением могут быть использованы различные приемы. Один способ, известный как «заводнение пласта», включает в себя закачку жидкостей, таких как вода, с целью увеличения давления в пласте, чтобы заставить углеводороды двигаться через ствол скважины к поверхности. Другой способ, известный как «газлифт», включает в себя закачку газов, таких как углекислый газ, с целью уменьшения общей плотности жидкости в стволе скважины. Тогда давление в пласте оказывается достаточным для транспортировки менее плотной жидкости по стволу скважины. Иногда для извлечения нефти из углеводородного пласта на поверхность можно использовать насосы. В типичном случае, только 20-40% первоначального объема нефти в пласте можно извлечь на этапах первичной и вторичной добычи.
Третий этап разработки нефтяного месторождения - это добыча третичными методами, которые также называют методами повышения нефтеотдачи (ПН). После вторичной добычи в пласте остается запертым большой процент углеводородов. Для реализации ПН применяют различные способы для увеличения подвижности нефти в целях увеличения ее извлечения. Самый широко распространенный метод ПН - это закачивание пара. Обычно пар получают, используя генератор пара, который установлен на поверхности и часто является частью парогенераторной установки. Этот пар затем закачивают через ствол скважины в пласт, где он разогревает нефть, тем самым снижая ее вязкость и облегчая ее извлечение. Современные методы извлечения нефти, основанные на использовании пара, эффективны только до глубин порядка 760 м из-за потерь давления и тепла. Получение пара на поверхности также связано с выбросом существенного количества парниковых газов, что нежелательно.
Другой метод ПН - это закачивание углекислого газа, при котором углекислый газ вводят в нефтяной пласт, где газ смешивается с нефтью, уменьшая ее вязкость и облегчая ее извлечение. Закачивание углекислого газа особенно эффективно в пластах глубже 610 м, где углекислый газ находится в сверхкритическом состоянии. Другие методы ПН включают закачивание текучих сред, которые снижают вязкость и улучшают текучесть в углеводородном пласте. К таким текучим средам могут относиться газы, которые способны смешиваться с нефтью, воздух, кислород, растворы полимеров, гели, поверхностно-активные полимерные соединения, щелочные поверхностно-активные полимерные соединения или составы с микроорганизмами. Современные методы ПН обычно позволяют извлечь дополнительно 5-10% нефти, находящейся в пласте.
Количество углеводородов, которое можно извлечь из пласта, определяется рядом факторов, включающих глубину залегания пласта, проницаемость породы, а также силу природных движущих факторов, таких как давление газа, давление соседней воды или сила тяжести. Одним таким существенным фактором является вязкость углеводородов в пласте. Вязкость углеводородов может варьировать в широких пределах - от очень низкой до очень высокой. Легкая нефть обычно дает более высокие показатели извлечения. С другой стороны, тяжелая нефть, битум и гидрат метана обладают очень высокой вязкостью или являются твердыми, при этом их почти невозможно извлекать, используя традиционные способы добычи нефти. К тяжелой нефти обычно относят нефть, обладающую плотностью в градусах API приблизительно 10-20 единиц, и вязкостью больше чем приблизительно 100 сП. Битум представляет собой полутвердую или твердую углеводородную субстанцию, обычно обладающую плотностью в градусах API менее 10 единиц, и вязкостью большей чем приблизительно 10000 сП. Гидрат метана представляет собой твердую форму метана, захваченного кристаллической структурой воды. При нагревании гидрата метана газообразный метан может высвобождаться из структуры кристаллической решетки.
Тяжелая нефть и битум из запасов с глубин более 760 м на суше и со всех глубин в море не могут быть добыты путем использования существующей технологии закачивания пара. Согласно исследованиям Национального исследовательского института нефти и энергетики (NIPER, National Institute for Petroleum and Energy Research), более половины из 68 миллиардов баррелей тяжелой нефти, которые остаются в виде запасов в США, находятся на глубинах более 760 м. См. http://fossil.energy.gov/programs/oilgas/publications/oilshale/HeavyOilLowRes.pdf. «Техническая, экономическая и юридическая оценка запасов тяжелой нефти, нефтеносного песка и нефтеносного сланца Северной Америки», Департамент по Энергетике США. Если половину запасов тяжелой нефти и нефтеносного песка Соединенных Штатов и Канады вывести на рынок, то одни они удовлетворят текущую потребность обеих стран в сырой нефти более чем на 150 лет вперед. См. http://fossil.energy.gov/programs/reserves/npr/publications/oil shale roadmap.pdf. «Нефтеносные сланцы Америки: План действий для принятия решений на федеральном уровне», Департамент по Энергетике США.
Поэтому было бы желательно создать устройства, системы и способы для увеличения добычи углеводородов из подземных углеводородных пластов. Особо желательно создание устройств, систем и способов для извлечения тяжелой нефти, битума и/или гидрата метана из залежей, особенно с глубин более 760 м.
В патентах США 4604988 и 7780152 раскрыты попытки решения данной проблемы путем создания скважинного парогенератора. Однако есть потребность в усовершенствованиях с целью создания огневых устройств, которые более эффективны, надежны и/или обладают большой износостойкостью при долговременной постоянной эксплуатации.
Раскрытие изобретения
Согласно изобретению в одном его аспекте, предлагается устройство для огневого получения пара. Согласно одному варианту осуществления, устройство содержит камеру сгорания, у которой имеется сторона входа и сторона выхода; корпус коллектора, присоединенный к стороне входа и выполненный с возможностью ввода в камеру сгорания топлива и окислителя; наружный корпус, между внутренней поверхностью которого и наружной поверхностью камеры сгорания образована камера хладагента, и множество сходящихся впускных отверстий для хладагента для подачи последнего из камеры хладагента в камеру сгорания на стороне выхода или вблизи стороны выхода камеры сгорания, причем сходящиеся впускные отверстия для хладагента расположены радиально вокруг камеры сгорания. Множество сходящихся впускных отверстий для хладагента может быть выполнено с возможностью формирования сужающегося-расширяющегося сопла из хладагента, подаваемого в камеру сгорания. Устройство может дополнительно содержать выходной рассеиватель пламени, сообщающийся со стороной выхода камеры сгорания. Предпочтительно, чтобы устройство было выполнено такого размера, какой позволяет вставлять устройство в стандартные промышленные обсадные трубы.
Согласно изобретению в его другом аспекте, предлагается система и способ для извлечения нефти из нефтеносного пласта, содержащие первый ствол скважины для доставки пара и/или других горячих газов к углеводородному пласту; и усовершенствованное устройство огневого теплогенератора, расположенное внутри скважины в первом стволе. Устройство может быть расположено на глубине более 760 м в первом стволе скважины. Система может содержать второй ствол скважины для извлечения углеводородов из углеводородного пласта.
Согласно изобретению в еще одном его аспекте, предлагается способ получения пара. Способ может содержать этапы, на которых вводят топливо и окислитель на сторону входа камеры сгорания; сжигают топливо и окислитель в камере сгорания в целях образования газообразных продуктов сгорания; подают воду в камеру хладагента, образованную между наружным корпусом и наружной поверхностью камеры сгорания, в области входа камеры сгорания или вблизи указанной области; и выпускают воду из камеры хладагента через множество сходящихся впускных отверстий для хладагента, радиально расположенных вокруг камеры сгорания, в камеру сгорания в области выхода камеры сгорания или вблизи указанной области, так что указанная вода формирует сужающееся-расширяющееся сопло, через которое протекают продукты сгорания, при этом вода нагревается продуктами сгорания и образуется пар.
Согласно изобретению в другом его аспекте, предлагается способ извлечения углеводородов из углеводородного пласта. Способ может содержать этапы, на которых погружают устройство, содержащее камеру сгорания, в ствол скважины; вводят топливо и окислитель на сторону входа камеры сгорания; сжигают топливо и окислитель в камере сгорания в целях образования газообразных продуктов сгорания; подают воду в камеру хладагента, образованную между наружным корпусом и наружной поверхностью камеры сгорания, в области входа камеры сгорания или вблизи указанной области; выпускают воду из камеры хладагента через множество сходящихся впускных отверстий для хладагента, радиально расположенных вокруг камеры сгорания, в камеру сгорания в области выхода камеры сгорания или вблизи указанной области, так что указанная вода формирует шейку сужающегося-расширяющегося сопла, через которую протекают продукты сгорания, при этом вода нагревается продуктами сгорания и образуется пар; закачивают продукты сгорания и/или пар в углеводородный пласт; и извлекают углеводороды из углеводородного пласта.
Согласно изобретению в еще одном его аспекте, предлагается способ формирования сужающегося-расширяющегося сопла. Способ может содержать этапы сжигания топлива и окислителя в цилиндрической камере сгорания с целью получения продуктов сгорания; и нагнетания воды в область заднего конца цилиндрической камеры сгорания через множество впускных водяных отверстий, радиально расположенных вокруг цилиндрической камеры сгорания. В конкретном варианте осуществления, скорость течения продуктов сгорания по мере их стягивания к оси камеры сгорания увеличивается до звуковой скорости.
Согласно еще одному аспекту, предлагается устройство с сужающимся-расширяющимся соплом, которое содержит протяженную цилиндрическую трубу, содержащую стенку, которая образует канал для течения; и сопло, расположенное по меньшей мере частично внутри протяженной цилиндрической трубы, причем у сопла имеется сужающийся участок, шейка и расширяющийся участок, при этом сопло сформировано газом, протекающим через трубу, и жидкостью, втекающей в трубу через множество отверстий, которые расположены радиально вокруг трубы и проходят через стенку трубы, причем продольная ось каждого из отверстий проходит под углом к направлению течения газа.
Согласно еще одному аспекту, предлагается способ формирования сужающегося-расширяющегося сопла, содержащий этапы:
сжигания топлива и окислителя в цилиндрической камере сгорания для получения продуктов сгорания, и
нагнетания воды в область заднего конца цилиндрической камеры сгорания через множество впускных водяных отверстий, радиально расположенных вокруг цилиндрической камеры сгорания,
при этом нагнетание воды в камеру сгорания производят под углом к оси цилиндрической камеры сгорания способом, эффективным, чтобы заставить продукты сгорания стягиваться к оси за счет уменьшения эффективной площади поперечного сечения камеры сгорания, и чтобы сформировать шейку сужающегося-расширяющегося сопла.
Краткое описание чертежей
Фиг.1 в горизонтальной проекции и с частичным разрезом изображает один вариант осуществления рассматриваемого в настоящем описании устройства для огневого получения пара.
Фиг.2 в сечении изображает рассматриваемое в настоящем описании устройство для огневого получения пара.
Фиг.3 в разобранном виде изображает рассматриваемое в настоящем описании устройство для огневого получения пара.
Фиг.4 в перспективной проекции изображает с наружной стороны часть конца корпуса коллектора в одном варианте его осуществления для рассматриваемого в настоящем описании устройства для огневого получения пара (показан только корпус коллектора; другие компоненты для наглядности опущены).
Фиг.5 в перспективной проекции изображает противоположную сторону корпуса коллектора фиг.4.
Фиг.6 представляет кривые изменения температуры, давления и скорости по длине сужающегося-расширяющегося сопла, соответствующего одному варианту осуществления настоящего изобретения.
Фиг.7 в перспективной проекции и увеличенном виде изображает часть конструкции устройства для огневого получения пара, при этом наружный корпус опущен, чтобы показать наружную сторону камеры сгорания и множество сходящихся впускных отверстий для хладагента.
Фиг.8 в перспективной проекции изображает часть стороны выхода камеры сгорания в соответствии с одним вариантом осуществления устройства для огневого получения пара, рассматриваемого в настоящем описании.
Фиг.9 изображает схему системы для извлечения нефти из нефтяного пласта, соответствующую одному варианту осуществления систем и способов, рассматриваемых в настоящем описании.
Фиг.10 изображает схему системы для извлечения нефти из нефтяного пласта, соответствующую другому варианту осуществления систем и способов, рассматриваемых в настоящем описании.
Фиг.11 представляет графики, иллюстрирующие стоимость добычи барреля нефти способом закачивания пара при различных глубинах скважин.
Фиг.12 в сечении изображает вариант осуществления устройства с сужающимся-расширяющимся соплом, рассматриваемого в настоящем описании.
Осуществление изобретения
Рассматриваемые устройства, системы и способы можно быстрее понять, обращаясь к нижеследующему подробному описанию предпочтительных вариантов осуществления и к прилагаемым чертежам, в которых на всех отдельных видах одинаковые элементы обозначены одинаковыми индексами.
В настоящем изобретении предложены устройства, системы и способы для получения пара, которые включают усовершенствованную конструкцию огневого устройства (аппарата, в котором используется процесс горения), в котором в часть камеры сгорания на стороне ее выхода вводят хладагент, так чтобы происходило эффективное слияние хладагента с газами продуктов сгорания для эффективного получения высококачественного пара, двигающегося с высокой скоростью. Согласно конструкции, сам хладагент эффективно формирует сужающееся-расширяющееся сопло, которое, в отличие от твердого сопла, при постоянном использовании не изнашивается (поскольку происходит непрерывная замена воды, из которой строится сопло). Это является существенным преимуществом в отношении долговечности и рентабельности. Согласно предпочтительному варианту осуществления, преимущество рассматриваемых устройств получения пара и систем заключается в том, что они могут работать постоянно или непрерывно в течение продолжительного времени, например нескольких дней, месяцев или даже лет.
Помимо других возможных сфер применения, рассматриваемые устройства, системы и способы особенно полезны для увеличения объема извлечения углеводородов из месторождений или углеводородных пластов. Устройство может быть размещено в скважине, в обсадной трубе, чтобы вырабатывать пар на границе углеводородного пласта и таким образом эффективно доставлять пар, углекислый газ и другие газообразные продукты сгорания в углеводородный пласт с минимальными потерями на поверхности. Рассматриваемые устройства, системы и способы также полезны для сжижения и вытеснения нефти из скважин, которые считаются сухими (нерентабельными, минимально продуктивными или непродуктивными) или невосстановимыми при помощи других существующих технологий.
Рассматриваемые устройства, системы и способы, в частности, полезны для извлечения тяжелой нефти, битума и/или гидрата метана из месторождений. Используемый в данном описании термин «тяжелая нефть» представляет нефть высокой вязкости, обладающую плотностью в градусах API приблизительно 10-20 единиц, и вязкостью больше чем приблизительно 100 сП. Используемый в данном описании термин «битум» представляет полутвердую или твердую углеводородную субстанцию, обычно обладающую плотностью в градусах API менее 10 единиц, и вязкостью большей чем приблизительно 10000 сП. Рассматриваемые в настоящем изобретении устройства, системы и способы не имеют ограничений по глубине использования и могут быть полезны для извлечения углеводородов при любых глубинах, включая глубины более 760 м. Устройства, системы и способы могут быть полезны при добыче углеводородов на суше или на море.
I. Огневое устройство / парогенератор
Согласно одному варианту осуществления изобретения, предложено устройство для огневого получения пара, содержащее: a) камеру сгорания, у которой имеется сторона входа и сторона выхода; b) корпус коллектора, соединенный со стороной входа камеры сгорания и выполненный с возможностью ввода топлива и окислителя в камеру сгорания; c) наружный корпус, образующий камеру хладагента между внутренней поверхностью наружного корпуса и наружной поверхностью камеры сгорания; и d) множество сходящихся впускных отверстий для хладагента, для подачи последнего из камеры хладагента в камеру сгорания. В определенных вариантах осуществления множество сходящихся впускных отверстий для хладагента могут быть выполнены с возможностью формирования сужающегося-расширяющегося сопла из хладагента, подаваемого в камеру сгорания. Такой аппарат или устройство в настоящем описании может быть названо «усовершенствованным огневым теплогенератором (УОТГ)».
Как показано на фиг.1, устройство 10 УОТГ в целом имеет цилиндрическую форму. Устройство 10 содержит наружный корпус 11, корпус 12 коллектора и выходной рассеиватель 13 пламени. Наружный корпус 11, корпус 12 коллектора и выходной рассеиватель 13 пламени собраны вместе и формируют наружную часть устройства 10 УОТГ. Корпус 12 коллектора может быть присоединен к наружному корпусу 11 любым подходящим способом. Согласно одному варианту осуществления, корпус 12 коллектора содержит резьбовую часть, которая свинчивается с участком внутренней резьбы наружного корпуса 11, чтобы образовалось уплотнение, непроницаемое для газов и жидкостей. Выходной рассеиватель 13 пламени также может быть присоединен к наружному корпусу 11 любым подходящим способом. В показанном варианте осуществления, задний конец наружного корпуса 11 соединен с выходным рассеивателем 13 пламени множеством винтов 14, расположенных радиально вокруг заднего конца наружного корпуса 11. Винты завернуты в резьбовые отверстия выходного рассеивателя 13 пламени, образуя тем самым между наружным корпусом 11 и выходным рассеивателем 13 пламени уплотнение, непроницаемое для газов и жидкостей.
Корпус 12 коллектора устройства 10 УОТГ соединен с линией 15 управления, которая связывает устройство 10 с поверхностью (местом выше уровня земли). Линия 15 управления как вариант может представлять собой гибкую насосно-компрессорную трубу, ГНКТ (койлтюбинг, coil tubing) - армированный проволокой стальной шланг жизнеобеспечения. Линия 15 управления содержит топливную магистраль 16, магистраль 17 окислителя и магистраль 18 хладагента. Топливная магистраль 16, магистраль 17 окислителя и магистраль 18 хладагента соединены, соответственно, с источником топлива, источником окислителя и источником хладагента, которые могут быть расположены на поверхности. Согласно одному варианту осуществления, топливная магистраль 16, магистраль 17 окислителя и магистраль 18 хладагента представляют собой трубы из нержавеющей стали диаметром один дюйм. Как вариант, линия управления может также содержать одну или более линий передачи электропитания и данных. Как вариант, линия управления может также содержать одну или более линий для смазочных материалов или для других разных нужд.
Устройство 10 УОТГ является компактным и может быть выполнено такого размера, чтобы его можно было размещать внутри ствола нефтяной скважины. Устройство 10 УОТГ может быть использовано и в вертикальных, и в горизонтальных скважинах. Устройство 10 УОТГ может быть выполнено по размеру так, чтобы оно подходило к стандартным промышленным обсадным трубам. Обсадные трубы представляют собой высокопрочные стальные трубы, длина которых обычно составляет 6-12 м. Обсадные трубы вставляют в ствол скважины, свинчивая друг с другом, чтобы получилась обсадная колонна. Обсадные трубы обычно фиксируют на месте при помощи цемента. Стандартные промышленные обсадные трубы включают в себя без ограничения, 5-дюймовые (127 мм), 6-дюймовые (152 мм) и 7-дюймовые (178 мм) обсадные трубы. Устройство 10 УОТГ также может быть достаточно компактным, чтобы приспособиться к стандартным изгибам, применяемым в горизонтальных скважинах, например горизонтальных скважинах, используемых для гравитационного дренирования при закачке пара (см. ниже фиг.9). Гравитационное дренирование при закачке пара представляет собой усовершенствованную технологию извлечения нефти, при которой в один нефтяной пласт бурят пару горизонтальных скважин. Одну из горизонтальных скважин располагают над другой скважиной. Пар низкого давления непрерывно закачивают в ствол верхней скважины, чтобы разогреть нефть, снизить ее вязкость и заставить разогретую нефть стекать в ствол нижней скважины, откуда ее перекачивают на поверхность.
Как показано на фиг.2, устройство 10 УОТГ может быть погружено в ствол 19 скважины, у которого имеется стенка 20. Обсадная труба 21 выстилает ствол 19 скважины с его внешней стороны. Пакер 22 расположен в кольцевом промежутке между устройством 10 УОТГ и обсадной трубой 21. Пакеры представляют собой уплотнительные устройства, используемые для разобщения отдельных зон внутри обсадных труб. Пакер обеспечивает кольцевое уплотнение между наружным корпусом 11 и обсадной трубой 21, чтобы не дать потоку пара, газообразным продуктам сгорания, маслу и другим жидкостям подниматься по обсадной колонне в сторону поверхности. Пакер также удерживает устройство 10 УОТГ на месте, в центре ствола скважины. В других вариантах осуществления изобретения пакер может обеспечивать кольцевое уплотнение между наружным корпусом и стенкой ствола скважины. В соответствии с вариантами осуществления изобретения могут быть использованы стандартные пакеры для нефтяных скважин.
Корпус 12 коллектора устройства 10 УОТГ одной стороной присоединен к топливной магистрали 16 и к магистрали 17 окислителя. Топливная магистраль 16 соединена с источником топлива, который может быть расположен на поверхности. Используемый в настоящем описании термин «топливо» означает любое вещество или материал, который расходуется с целью выработки энергии, включая, помимо других возможных веществ, природный газ, водород, метан, этан, пропан, бутан, бензин, дизельное топливо, керосин, нефтяное топливо, метанол или алкоголь, или сочетание указанных веществ. В предпочтительном варианте осуществления изобретения топливом является метан или природный газ. Магистраль 17 окислителя соединена с источником окислителя, который может быть расположен на поверхности. В соответствии с вариантами осуществления изобретения окислителем может служить любой газообразный или жидкий окислитель, включая, помимо других возможных веществ, воздух, газообразный кислород (GOX), жидкий кислород (LOX), O, O3, H2O2 или HAN, или же сочетание указанных веществ. В предпочтительном варианте осуществления изобретения окислителем является газообразный кислород.
Окислитель, такой как газообразный кислород, движется по магистрали 17 окислителя к хвостовику 23, который прикреплен к корпусу 12 коллектора. Хвостовик 23 в общем случае может иметь цилиндрическую форму и может садиться в цилиндрическое отверстие, проходящее через корпус 12 коллектора. Хвостовик 23 может быть закреплен в корпусе коллектора любым подходящим образом. Согласно одному варианту осуществления, хвостовик 23 содержит резьбовой участок, который свинчивается с участком внутренней резьбы корпуса 12 коллектора, чтобы образовалось уплотнение, непроницаемое для газов и жидкостей. Через хвостовик 23 окислитель поступает на сторону входа камеры 24 сгорания. Камера 24 сгорания может иметь цилиндрическую форму. Топливо, такое как метан, движется по топливной магистрали 16, которая соединена с корпусом 12 коллектора. Внутренняя поверхность корпуса 12 коллектора и наружная поверхность хвостовика 23 образуют топливный канал 25. Из топливной магистрали 16 через топливный канал 25 топливо поступает на сторону входа камеры 24 сгорания. Топливо и окислитель могут смешиваться на входе или вблизи входа в камеру 24 сгорания.
Элементы устройства 10 УОТГ могут быть выполнены из любых подходящих материалов, например теплостойких металлов или сплавов, в число которых, помимо других возможных, входят хромо-никелевые сплавы, известные в данной области техники. Согласно одному варианту осуществления, один или более элементов выполнены из сплава Hanyes™230™ (Hanyes International, Кокомо, Индиана, США).
Корпус 12 коллектора устройства 10 УОТГ одной стороной также соединен с линией 26 электропитания. Линия 26 электропитания соединена с источником питания, который может быть расположен на поверхности. В другом варианте осуществления, изобретение может включать встроенный источник питания, такой как батарея. Изобретение, как вариант, может также включать одну или более линий электропитания и/или обмена данными. Линия электропитания или линия обмена данными может содержать одну или более волоконно-оптических линий обмена данными. Линия 26 электропитания соединена с системой 27 зажигания. Система зажигания может представлять собой систему мультиискрового зажигания (МИЗ). Система зажигания может содержать искровую свечу, средства подачи окислителя и средства подачи топлива. Один из примеров осуществления изобретения как вариант может содержать волоконно-оптическую линию обмена данными для управления воспламенителем в точке горения топлива. Волоконно-оптическая линия обмена данными может передавать данные в программу управления на компьютер, расположенный на поверхности. Устройство 10 УОТГ может также содержать один или более датчиков, например датчики температуры и/или давления, известные в данной области техники. Волоконно-оптическая линия обмена данными может также передавать данные от таких датчиков в программу управления на компьютер, расположенный на поверхности. Когда система 27 зажигания включена, искра или пламя проходят через канал 28 растопочного факела. Искра или пламя вызывают воспламенение топлива и окислителя в камере 24 сгорания. Горение топлива и окислителя в камере 24 сгорания создает продукты сгорания. Продукты сгорания могут включать в себя углекислый газ и пар. При горении топлива и окислителя в камере 24 сгорания также выделяется тепловая энергия.
Корпус 12 коллектора устройства 10 УОТГ также присоединен одной стороной к магистрали 18 хладагента. Магистраль 18 хладагента соединена с источником хладагента, который может быть расположен на поверхности. В соответствии с вариантами осуществления изобретения, хладагент может включать в себя воду или другое вещество или материал, которые обладают подходящими охлаждающими свойствами. В предпочтительном варианте осуществления хладагент представляет собой воду. Хладагент можно вводить через ряд каналов 29, предусмотренных в корпусе 12 коллектора. Хладагент может проходить через указанный ряд каналов 29 в камеру 30 хладагента. Камера 30 хладагента образована внутренней поверхностью наружного корпуса 11 устройства 10 УОТГ и наружной поверхностью камеры 24 сгорания.
Хладагент проходит сквозь камеру 30 и тем самым обеспечивает охлаждение камеры 24 сгорания. Внутренняя поверхность наружного корпуса 11 и/или наружная поверхность камеры 24 сгорания могут содержать спиральные канавки или рифление. Такие канавки или такое рифление включают любой спиральный профиль, который либо поднимается над поверхностью, либо вдается в поверхность стенки камеры 30 хладагента. Такие спиральные канавки могут способствовать движению хладагента через камеру 30 по спиральному пути. Спиральный путь обеспечивает более равномерное распределение / более равномерное течение хладагента в его камере и/или может увеличивать турбулентность, тем самым уменьшая количество нежелательных горячих мест, которые в противном случае имеют тенденцию к образованию в камере 24 сгорания или в камере 30 хладагента.
На стороне выхода или вблизи выхода камеры 24 сгорания предусмотрено множество сходящихся впускных отверстий 31 для хладагента. Сходящиеся впускные отверстия для хладагента представляют собой отверстия, которые проходят через стенку камеры 24 сгорания и образуют путь движения потока для подачи хладагента из камеры 30 в камеру 24 сгорания. Сходящиеся впускные отверстия 31 для хладагента расположены радиально вокруг камеры 24 сгорания. Хладагент через сходящиеся впускные отверстия 31 втекает в камеру 24 сгорания на стороне выхода камеры 24 сгорания или вблизи выхода. Сходящиеся впускные отверстия 31 для хладагента выполнены с возможностью формирования сужающегося-расширяющегося сопла 9 из хладагента, подаваемого в камеру 24 сгорания. Сужающиеся-расширяющиеся сопла будут рассмотрены подробнее ниже в подразделе II. Хладагент через сходящиеся впускные отверстия 31 втекает в камеру 24 сгорания под углом к направлению течения продуктов сгорания через камеру 24 сгорания. В предпочтительном варианте осуществления указанный угол относительно направления течения продуктов сгорания составляет приблизительно 25°-35° (т.е. 25°-35° относительно оси камеры 24 сгорания). Согласно другому предпочтительному варианту осуществления, указанный угол составляет около 30° (т.е. около 30° относительно оси камеры 24 сгорания).
Проходя через сужающееся-расширяющееся сопло, образованное хладагентом, подаваемым в камеру 24 сгорания, продукты сгорания ускоряются и проходят через сторону выхода камеры 24 сгорания. Сторона выхода камеры сгорания соединена с выходным рассеивателем 13 пламени при помощи множества винтов 14, расположенных радиально вокруг заднего конца наружного корпуса 11. Выходной рассеиватель 13 пламени сообщается со стороной выхода камеры 24 сгорания. Выходной рассеиватель 13 пламени в целом имеет цилиндрическую форму. На стенках выходного рассеивателя 13 пламени выполнено множество отверстий 32. Камера 24 сгорания и/или выходной рассеиватель 13 пламени образуют расширяющийся участок 33 сужающегося-расширяющегося сопла, образованного потоком хладагента, поступающим через сходящиеся впускные водяные отверстия 31. Выходной рассеиватель 13 пламени может контролировать попадание пламени, исходящего из камеры 24 сгорания, на обсадную трубу 21. Выходной рассеиватель 13 пламени может также обеспечивать охлаждение камеры 24 сгорания и тем самым обеспечивать однородное перемешивание исходящего пламени. Выходной рассеиватель 13 пламени далее может обеспечивать перенос дополнительной тепловой энергии от продуктов сгорания к хладагенту, тем самым, увеличивая выработку пара. Смесь продуктов сгорания и пара может выходить через отверстия 32 выходного рассеивателя 13 пламени и/или выходной конец выходного рассеивателя пламени в ствол 19 скважины.
На фиг.3 представлен другой вид, поясняющий элементы устройства 10 УОТГ. Точнее, на фиг.3 изображены хвостовик 23, корпус 12 коллектора, камера 24 сгорания, наружный корпус 11 и выходной рассеиватель 13 пламени. Устройство 10 УОТГ в собранном виде показано на фиг.1 и 2. Сборка устройства 10 УОТГ осуществляется путем соединения хвостовика 23 с корпусом 12 коллектора, например, путем свинчивания участка с наружной резьбой хвостовика 23 с участком с внутренней резьбой корпуса 12 коллектора. Корпус 12 коллектора соединяют с камерой 24 сгорания, например, путем свинчивания участка с внутренней резьбой камеры 24 сгорания с участком с наружной резьбой корпуса 12 коллектора. В соответствии с предпочтительным вариантом осуществления, поверхность камеры 24 сгорания содержит спиральные канавки 39. В ином варианте или в дополнение, внутренняя поверхность наружного корпуса 11 может, в соответствии с предпочтительным вариантом, содержать спиральные канавки. Наружный корпус 11 надевается поверх камеры 24 сгорания и присоединяется к корпусу 12 коллектора, например, путем свинчивания участка с внутренней резьбой наружного корпуса 11 с участком с наружной резьбой корпуса 12 коллектора. Когда указанные элементы собраны вместе, кольцевой промежуток между наружным корпусом 11 и камерой 24 сгорания образует камеру хладагента (не показана). Выходной рассеиватель 13 пламени соединяется с наружным корпусом при помощи множества винтов 14, расположенных радиально вокруг заднего конца наружного корпуса 11. Винты ввертывают в резьбовые отверстия 34 в выходном рассеивателе 13 пламени, обеспечивая тем самым между наружным корпусом 11 и выходным рассеивателем 13 пламени уплотнение, непроницаемое для газов и жидкостей. В собранном состоянии выходной рассеиватель 13 пламени сообщается с камерой 24 сгорания.
Подробности одного варианта осуществления корпуса 12 коллектора показаны на фиг.4 и 5. Корпус 12 коллектора содержит впускное отверстие 35 для топлива, впускное отверстие 36 для окислителя и впускное отверстие 37 для хладагента, а также отверстие 38 для линий систем электропитания и обмена данными. Впускное отверстие 35 для топлива может быть соединено с топливной магистралью. Топливная магистраль может, в свою очередь, быть соединена с источником топлива, который может быть расположен на поверхности земли у скважины. Впускное отверстие 36 для окислителя может быть соединено с магистралью окислителя. Магистраль окислителя может, в свою очередь, быть соединена с источником окислителя, который может быть расположен на поверхности земли. Впускное отверстие 37 для хладагента может быть соединено с магистралью хладагента. Магистраль хладагента может, в свою очередь, быть соединена с источником хладагента, который может быть расположен на поверхности земли. Отверстие 38 для линий систем электропитания и обмена данными может быть соединено с линиями электропитания и/или обмена данными. Линии электропитания и/или обмена данными могут, в свою очередь, быть соединены с источником питания, компьютером и/или системами управления, которые могут быть расположены на поверхности земли. Предполагается, что число или расположение всех указанных впускных отверстий может быть изменено.
Как показано на фиг.5, корпус 12 коллектора соединен с хвостовиком 23. Окислитель из магистрали окислителя поступает через хвостовик 23 в камеру сгорания. Корпус 12 коллектора и хвостовик 23 вместе образуют топливный канал 25, через который топливо из топливной магистрали поступает в камеру сгорания. Хладагент из магистрали хладагента, через ряд каналов 29 поступает в корпус 12 коллектора - в камеру хладагента, образованную наружным корпусом и камерой сгорания. Корпус 12 коллектора также содержит канал 28 растопочного факела. Система зажигания может быть расположена внутри корпуса 12 коллектора. Когда система зажигания включена, искра или пламя могут проходить через канал 28 растопочного факела и вызывать воспламенение топлива и окислителя в камере сгорания.
II. Сужающееся-расширяющееся сопло
Устройство УОТГ может быть выполнено с возможностью формирования сужающегося-расширяющегося сопла из хладагента, подаваемого в камеру сгорания. Сужающееся-расширяющееся сопло, известное также как «сопло Лаваля», представляет собой устройство, которое увеличивает скорость высокотемпературного газового потока высокого давления до сверхзвуковых значений. В типичном случае, сопло представляет собой трубку с перетяжкой в средней части, форма которой аналогична форме асимметричных песочных часов. Пример сужающегося-расширяющегося сопла показан и описан в патенте США 4064977, который целиком включен в настоящее описание посредством ссылки.
В общем случае сужающееся-расширяющееся сопло содержит сужающийся участок (конфузор), шейку и расширяющийся участок (диффузор). Обычно такие сопла выполняют из стали, меди, графита или иного типа абляционного материала, который подвержен износу с течением времени.
Принцип действия сужающегося-расширяющегося сопла основан на том, что газ с постоянным массовым расходом заставляют проходить через отверстие малого поперечного сечения. С точки зрения газа в конфузоре сопло представляет собой отверстие или «шейку», которая ведет в область пониженного давления. Когда газ приближается к шейке, его скорость начинает увеличиваться. Газ продолжает двигаться ускоренно в направлении шейки, пока в конечном счете в месте шейки газ не достигнет звуковой скорости. Используемый здесь термин «звуковая скорость» означает скорость звука в горячем газе, а не скорость звука на уровне земли при наружных условиях. Скорость звука в горячем газе обычно в 2-3 раза превышает скорость звука на уровне земли при наружных условиях, в зависимости от температуры.
После того как в области шейки газ достигнет звуковой скорости, он втекает в диффузор, где расширяется и охлаждается, расходится под острым углом к стенке и ускоряется до сверхзвуковых скоростей. Колоколообразный диффузор сопла обеспечивает максимальную эффективность, однако и простой конический диффузор обеспечивает эффективность 99% и позволяет создать более рентабельную конструкцию. Диффузор сопла может увеличить скорость газа до значений, превышающих скорость звука в 2,7 раза или более в зависимости от точного отношения площади поперечного сечения шейки к площади поперечного сечения на выходе из сопла.
Функция сопла заключается в преобразовании потенциальной энергии нагретого газа высокого давления в кинетическую энергию. Из-за высокой температуры и высокой скорости газов, проходящих через шейку типичного сужающегося-расширяющегося сопла, шейка такого сопла может подвергаться эрозии, приводящей к нежелательному увеличению диаметра шейки и уменьшению давления в камере и скорости газа. Эрозия шейки сопла в конечном счете ограничивает срок службы сопла и время работы устройства, в котором такое сопло установлено.
Преимущество описанного в настоящем изобретении усовершенствованного огневого теплового генератора заключается в использовании сужающихся-расширяющихся сопел, сформированных потоком хладагента, который в предпочтительном варианте представляет собой воду, вместо механических средств, таких как металлические шейки. Соответственно, устройство может работать под землей годами, не требуя замены компонентов, таких как сопло.
Согласно изобретению в одном его аспекте, предлагается способ формирования сужающегося-расширяющегося сопла путем сжигания топлива и окислителя в цилиндрической камере сгорания, чтобы получить продукты сгорания, и путем ввода воды в задний конец цилиндрической камеры сгорания через ряд сходящихся впускных водяных отверстий, расположенных радиально вокруг цилиндрической камеры сгорания. Воду вводят в камеру сгорания под углом к оси цилиндрической камеры сгорания способом, который является эффективным, чтобы заставить продукты сгорания стягиваться к оси камеры сгорания за счет уменьшения площади эффективного поперечного сечения камеры. Вода, которую нагнетают в камеру сгорания, в конечном счете достигает такой плотности, что газ не сможет далее сжиматься, а вода тем самым формирует шейку сопла Лаваля. В предпочтительном варианте осуществления воду можно вводить под углом приблизительно 25°-35° к оси цилиндрической камеры сгорания. Согласно другому предпочтительному варианту, воду можно вводить под углом приблизительно 30° к оси камеры сгорания. Согласно еще одному предпочтительному варианту, скорость потока продуктов сгорания по мере сжатия потока увеличивается до звуковой скорости.
На фиг.6 приведены графики изменения температуры, давления и скорости по длине сужающегося-расширяющегося сопла в соответствии с вариантом осуществления рассматриваемых устройств и систем. По мере того как продукты сгорания проходят сквозь камеру сгорания, они приближаются к стороне выхода камеры сгорания и входят в сужающийся участок сопла. По мере сужения сопла скорость продуктов сгорания увеличивается, а температура и давление начинают уменьшаться. В области шейки, которая сформирована потоком воды в камере сгорания, скорость значительно возникает до звуковой скорости, а температура и давление газов соответственно падают. Когда продукты сгорания выходят из шейки и входят в расширяющийся участок камеры сгорания и/или выходной рассеиватель пламени, скорость возрастает до сверхзвуковых значений, а температура и давление продолжают падать дальше.
Поэтому, следует понимать, что хладагент в устройстве может выполнять по меньшей мере две функции. Во-первых, хладагент обеспечивает охлаждение камеры сгорания, когда он проходит через камеру хладагента. Во-вторых, ввод хладагента в камеру сгорания под углом к оси камеры может создавать сужающееся-расширяющееся сопло для увеличения скорости продуктов сгорания и пара, выходящих из УОТГ. Следует также понимать, что скорость подачи хладагента, топлива и/или окислителя можно изменять и регулировать таким образом, чтобы при изменении давления углеводородов в пласте могла изменяться скорость подачи хладагента, чтобы компенсировать указанные изменения. Таким образом, скорость подачи хладагента, топлива и/или окислителя можно регулировать, так чтобы обеспечить определенную скорость подачи газов в пласт и оптимальные характеристики вариантов осуществления устройства. Следует также понимать, что поток продуктов сгорания и поток хладагента вызывают минимальную эрозию или вообще не вызывают эрозии на поверхностях конструкции в вариантах осуществления устройства.
Вода, закачиваемая в цилиндрическую камеру через сходящиеся впускные отверстия, может выходить в выходной рассеиватель пламени и смешиваться с продуктами сгорания. Там вода может превращаться в пар и выходить из УОТГ в ствол скважины или углеводородный пласт.
Сторона выхода камеры 24 сгорания подробно показана на фиг.7 и 8. Как показано на фиг.7, сторона выхода камеры 24 сгорания соединена с выходным рассеивателем 13 пламени. Наружный корпус, который обычно закрывал бы камеру 24 сгорания и образовывал камеру хладагента, не показан, чтобы были лучше видны нижние элементы. Множество сходящихся впускных отверстий 31 для хладагента расположено вокруг камеры 24 сгорания. Сходящиеся впускные отверстия 31 проходят через стенку камеры 24 сгорания под углом к направлению потока продуктов сгорания, проходящего через камеру 24 сгорания. Сходящиеся впускные отверстия для хладагента выполнены с возможностью формирования сужающегося-расширяющегося сопла из хладагента, подаваемого в камеру сгорания. В предпочтительном варианте осуществления, угол наклона сходящихся впускных отверстий для хладагента составляет приблизительно 25°-35°. В другом предпочтительном варианте осуществления, угол наклона сходящихся впускных отверстий для хладагента составляет приблизительно 30°.
На фиг.8 выходной рассеиватель пламени, который обычно был бы присоединен к стороне выхода камеры сгорания, опущен, чтобы показать внутреннюю стенку в зоне выхода из камеры 24 сгорания. Сходящиеся впускные отверстия 31 для хладагента выполнены с возможностью формирования сужающегося-расширяющегося сопла из хладагента, подаваемого в камеру 24 сгорания. Чтобы сформировать сужающееся-расширяющееся сопло, воду (хладагент) нагнетают через сходящиеся впускные водяные отверстия 31 под углом к оси цилиндрической камеры 24 сгорания. Движущийся поток продуктов сгорания выталкивает воду через наружный конец камеры 24 сгорания. Вода сокращает эффективную площадь поперечного сечения камеры 24 сгорания и формирует шейку сужающегося-расширяющегося сопла. В предпочтительном варианте осуществления, скорость течения продуктов сгорания увеличивается до звуковой скорости по мере сужения сопла. Когда продукты сгорания выходят из шейки, они поступают в расширяющийся участок 33 камеры сгорания и/или выходного рассеивателя пламени. В расширяющемся участке 33 внутренний диаметр пути для течения увеличивается и скорость газов может возрастать до сверхзвуковых значений.
III. Системы и способы для повышения нефтеотдачи пласта
Системы и способы получения пара и извлечения углеводородов из пластов или углеводородных месторождений предложены в соответствии с определенными вариантами осуществления, рассмотренными в настоящем описании. Эти системы включают в себя ранее описанные устройства УОТГ, которые погружают внутрь скважин для получения пара и углекислого газа в целях увеличения объема извлечения нефти или других углеводородов.
Устройства УОТГ можно использовать для снижения или устранения потерь при передаче пара с поверхности, которые возникают в традиционных системах и способах увеличения извлечения нефти путем закачивания пара. Устройства УОТГ могут доставлять пар непосредственно на границу углеводородного пласта, что предпочтительно. Такие конструкции могут быть особенно полезными для пластов на глубинах более 760 м и/или пластов, которые содержат тяжелую нефть или битум. Такие варианты осуществления изобретения также можно использовать на морских и прибрежных месторождениях и для извлечения тяжелой нефти или битума в условиях вечной мерзлоты. Массовым паросодержанием при использовании устройств УОТГ, можно управлять, как требуется. Например, рассмотренные конструкции могут обеспечивать потоки с массовым паросодержанием приблизительно от 10% до 95% или более. В одном варианте осуществления обеспечивается поток с массовым паросодержанием приблизительно от 75% до 95%, так, например, приблизительно от 85% до 95%. В предпочтительных вариантах осуществления устройство УОТГ создает поток с массовым паросодержанием 90-100%, пригодный для обработки углеводородного пласта.
Для извлечения углеводородов из углеводородного пласта предусматривают системы. Системы для повышения нефтеотдачи пласта содержат первый ствол скважины для доставки пара и/или других горячих газов к углеводородному пласту и усовершенствованный огневой теплогенератор, соответствующий варианту осуществления настоящего изобретения (см. описания в подразделах I и II). Устройство УОТГ может быть расположено внутри скважины в первом стволе. Пар и/или другие горячие газы могут отдавать тепло углеводородам пласта с целью снижения вязкости и/или для испарения части углеводородов. В предпочтительном варианте осуществления углеводородный пласт может включать тяжелую нефть, битум, гидрат метана или сочетание указанных субстанций.
Системы для повышения нефтеотдачи пласта могут дополнительно содержать второй ствол скважины для извлечения углеводородов из пласта. Любой из двух стволов или оба ствола - первый и второй - могут быть вертикальными, согласно раскрытым в настоящем изобретении различным вариантам осуществления устройств, систем и способов. С другой стороны, любой из двух стволов или оба ствола - первый и второй - могут включать в себя по меньшей мере один горизонтальный участок. Устройство УОТГ может быть расположено в любой точке ствола скважины, включая вертикальный участок или горизонтальный участок ствола. Устройство УОТГ также может быть расположено в стволе скважины на любой глубине. Устройство УОТГ особенно выгодно использовать в задачах, где его устанавливают под поверхностью на глубине 760 м и более.
Системы для повышения нефтеотдачи пласта, как вариант, могут дополнительно содержать обсадную колонну, проходящую приблизительно от верха первого ствола скважины приблизительно до дна первого ствола. Согласно предпочтительному варианту осуществления изобретения, устройство УОТГ может быть расположено внутри обсадной колонны.
Системы для повышения нефтеотдачи пласта могут дополнительно содержать источник топлива, источник окислителя и/или источник хладагента. Источник топлива, источник окислителя и/или источник хладагента могут быть соединены с устройством УОТГ посредством ГНКТ. ГНКТ, как вариант, может содержать магистраль подачи топлива, магистраль подачи окислителя и/или магистраль подачи хладагента. ГНКТ, как вариант, может также содержать волоконно-оптическую линию обмена данными и/или линию электропитания.
На фиг.9 показано, как может быть применена система гравитационного дренирования при закачке пара с использованием устройства УОТГ. Система содержит первый ствол 50 скважины для доставки пара и/или других горячих газов к углеводородному пласту 51 («ствол для нагнетания пара). В предпочтительном варианте осуществления изобретения углеводородный пласт содержит тяжелую нефть, битум и/или гидрат метана. Система также содержит второй ствол 52 скважины для извлечения углеводородов из пласта 51 («ствол добывающей скважины»). Устройство 10 УОТГ расположено внутри скважины, в обсадной колонне первого ствола 50. Устройство 10 УОТГ соединено с источниками воды, топлива и окислителя, расположенными на поверхности, посредством линии 58 управления, которая включает в себя магистраль 59 подачи воды, магистраль 60 подачи топлива и магистраль 61 подачи окислителя. В других вариантах осуществления линия управления может дополнительно содержать волоконно-оптическую линию обмена данными и/или линию электропитания.
Первый ствол скважины содержит вертикальный участок 53 и горизонтальный участок 54. Устройство 10 УОТГ выполнено такого размера, который обеспечивает возможность его посадки внутрь ствола 50 и проводки через изгиб 55, ведущий к горизонтальному участку ствола. Второй ствол также содержит вертикальный участок 56 и горизонтальный участок 57. Горизонтальный участок второго ствола расположен под горизонтальным участком первого ствола.
Устройство 10 УОТГ может вырабатывать пар и газообразные продукты сгорания способами, которые рассмотрены в настоящем описании. Например, устройство 10 УОТГ может вырабатывать пар и газообразные продукты сгорания в результате осуществления способа, при котором: вводят топливо и окислитель на сторону входа камеры сгорания, сжигают топливо и окислитель в камере сгорания в целях образования газообразных продуктов сгорания, подают воду в камеру хладагента, образованную между наружным корпусом и наружной поверхностью камеры сгорания, в области входа камеры сгорания или вблизи указанной области, и выпускают воду из камеры хладагента через множество сходящихся впускных отверстий для хладагента, радиально расположенных вокруг камеры сгорания, в камеру сгорания в области выхода камеры сгорания или вблизи указанной области, так что указанная вода формирует сужающееся-расширяющееся сопло, через которое протекают продукты сгорания, при этом вода нагревается продуктами сгорания и образуется пар. В предпочтительном варианте осуществления изобретения, можно осуществлять дозирование подачи топлива, окислителя и воды, чтобы получать пар при избыточных давлениях приблизительно от 8,4 бар до 207 бар. Согласно другому предпочтительному варианту осуществления изобретения, можно осуществлять дозирование подачи топлива, окислителя и воды, чтобы получать поток с массовым паросодержанием приблизительно от 75% до 99%, так, например, приблизительно от 85% до 95%.
Пар и газообразные продукты сгорания можно закачивать в ствол 50 скважины и/или в углеводородный пласт 51 посредством устройства 10 УОТГ. В предпочтительном варианте осуществления изобретения, устройство 10 УОТГ располагают на глубине более 760 м, при этом пар и газообразные продукты сгорания вводят в ствол 50 скважины и/или в углеводородный пласт 51 на глубине более 760 м. В предпочтительном варианте осуществления изобретения, пар вводят в углеводородный пласт 51 при давлении приблизительно от 8,4 бар до 207 бар. В другом предпочтительном варианте осуществления изобретения, пар вводят в углеводородный пласт 51 при массовом паросодержании в потоке приблизительно от 75% до 95%. Согласно другому варианту осуществления, продукты сгорания содержат по меньшей мере 50% углекислого газа. Согласно еще одному варианту осуществления, углекислый газ находится в сверхкритическом состоянии. Согласно другому варианту осуществления, углекислый газ закачивают в углеводородный пласт в количестве, эффективном для уменьшения вязкости углеводородов в углеводородном пласте 51. Согласно еще одному варианту осуществления, углекислый газ насыщает нефть и/или увеличивает текучесть нефти.
Закачивание пара и газообразных продуктов сгорания (включая углекислый газ) в углеводородный пласт 51 приводит к уменьшению вязкости углеводородов в пласте 51. Менее вязкие углеводороды стекают вниз в горизонтальный участок 57 второго ствола 52 скважины. Добывающее оборудование 62 на поверхности около второго ствола 52 скважины извлекает углеводороды из пласта.
На фиг.10 изображена система нагнетания пара, в которой используется рассмотренное в настоящем описании устройство УОТГ. Система включает в себя первый ствол 63 скважины для доставки пара и/или горячих газов к углеводородному пласту 64. В предпочтительном варианте осуществления изобретения углеводородный пласт содержит тяжелую нефть, битум и гидрат метана. Система также содержит второй ствол 65 скважины для извлечения углеводородов из углеводородного пласта 64. И первый ствол 63, и второй ствол 65 являются вертикальными.
Устройство УОТГ (не показано) расположено в скважине, в обсадной колонне первого ствола 63. В предпочтительном варианте осуществления устройство УОТГ расположено на глубине 760 м или глубже. Пар и продукты сгорания, вырабатываемые устройством УОТГ, закачиваются в углеводородный пласт 64. В данном варианте осуществления изобретения пар и горячие газы образуют паровой фронт, который разогревает углеводороды, снижает вязкость углеводородов и выталкивает углеводороды в направлении ствола 65 добывающей скважины. Добывающее оборудование 66 на поверхности около ствола 65 добывающей скважины извлекает углеводороды из углеводородного пласта.
В отличие от традиционной технологии увеличения нефтеотдачи пласта путем нагнетания пара, устройства и системы, соответствующие настоящему изобретению, не ограничены по глубине. Соответственно такие устройства, системы и способы могут сократить затраты на добычу нефти, особенно при глубинах больших чем приблизительно 458 м. На фиг.11 приведен график, иллюстрирующий стоимость барреля нефти, добытой с применением нагнетания пара, для разных глубин скважины. Кривые a, b и c изображают стоимость барреля нефти, добытой с применением закачки пара с поверхности, при различном массовом паросодержании. Кривая a изображает стоимость барреля нефти, добытой с применением закачки пара с поверхности, при паросодержании 40% и скорости нагнетания 0,92 кг/с. Кривая b изображает стоимость барреля нефти, добытой с применением закачки пара с поверхности, при паросодержании 80% и скорости нагнетания 0,92 кг/с. Кривая c изображает стоимость барреля нефти, добытой с применением закачки пара с поверхности, при паросодержании 80% и скорости нагнетания 2,75 кг/с.
Кривая d изображает стоимость барреля нефти, добытой с использованием конструкций и устройств, рассмотренных в настоящем описании. В отличие от случая нагнетания пара с поверхности, стоимость барреля нефти, добытой с использованием рассмотренных устройств и систем, заметно не меняется с изменением глубины скважины. Таким образом, рассмотренные устройства, системы и способы дают стоимостное преимущество над традиционными способами увеличения нефтеотдачи, особенно для глубоких залежей и/или залежей тяжелых углеводородов.
На фиг.12 изображено течение хладагента для формирования сужающегося-расширяющегося сопла в устройстве 10 УОТГ. Как было описано выше в подразделе I, устройство 10 УОТГ содержит камеру 24 сгорания и наружный корпус 11, которые образуют камеру 30 хладагента. Множество сходящихся впускных отверстий 31 для хладагента расположено радиально вокруг камеры 24 сгорания. Из камеры 30 через сходящиеся впускные отверстия 31 хладагент втекает в камеру 24 сгорания в области входа камеры 24 сгорания или вблизи указанной области. Сходящиеся впускные отверстия 31 для хладагента выполнены с возможностью формирования сужающегося-расширяющегося сопла 9 из хладагента, подаваемого в камеру 24 сгорания. Сужающиеся-расширяющиеся сопла были описаны более подробно выше, в подразделе II. После втекания в камеру 24 сгорания хладагент сначала стягивается к оси камеры, однако затем отжимается в наружном направлении к стенке камеры 24 сгорания силой течения продуктов сгорания. Будучи несжимаемой жидкостью, хладагент образует слой воды, соосный со стенкой камеры сгорания. Этот соосный слой воды образует шейку, через которую вынуждены протекать продукты сгорания. Продукты сгорания, исходящие из камеры сгорания, при движении через сужающийся участок и шейку могут разгоняться до звуковой и сверхзвуковой скорости. После шейки продукты сгорания и хладагент поступают в расширяющийся участок 33 и в выходной рассеиватель 13 пламени. В стенках выходного рассеивателя 13 пламени предусмотрено множество отверстий 32. В расширяющемся участке 33 и в выходном рассеивателе 13 пламени продукты сгорания могут продолжать разгоняться до сверхзвуковых скоростей. Согласно одному варианту осуществления изобретения, хладагентом является вода, которая разогревается продуктами сгорания в расширяющемся участке 33 и/или в выходном рассеивателе 13 пламени. Согласно другому варианту осуществления изобретения, расширяющийся участок 33 образует одно целое с выходным рассеивателем 13 пламени или является его частью. Превращение воды в пар на фиг.12 изображено затушевыванием. Смесь продуктов сгорания и пара может выходить из устройства 10 УОТГ и вводится в ствол скважины и/или в углеводородный пласт.
Устройства и системы для увеличения нефтеотдачи пласта могут, как вариант, включать другое стандартное оборудование для добычи из скважин: пакеры, систему контроллера для измерения условий процесса (например, температуры, давления) и для регулирования давлений и скоростей подачи жидкостей к устройству УОТГ. Предпочтительно, чтобы устройством или системой можно было управлять с целью управления добычей из пласта. Например, подачу окислителя, топлива и хладагента можно регулировать, чтобы получить требуемое количество пара и давление (например, можно подавать пар при давлениях от 8,4 бар до 207 бар).
Раскрытые в настоящем описании устройства, системы и способы могут также быть использованы в крупных установках, закачивающих пар с поверхности, для неглубоких скважин, нефтеносных песков и сланцев. При помощи такой модели может быть достигнут КПД теплового преобразования топлива в пар более 99%, сжатие почти без потерь, и 50% доля чистого углекислого газа, как побочного продукта сгорания.
Соответствующие настоящему изобретению устройства и системы для увеличения нефтеотдачи пласта, если необходимо, могут в качестве полезного «груза» доставлять в скважину и в пласт химические вещества. Например, задача может включать требование контроля фронта пламени, доставку окислителя для сжигания in situ и подземную газификацию угля. Предполагается, что такая модификация и адаптация, которая по силам обычным специалистам в данной области, не будет выводить за границы идеи и объема настоящего изобретения, определяемого прилагаемой формулой изобретения.
Процитированные в описании публикации, а также материалы, для которых они были процитированы, конкретно включены в настоящее описание во всей их полноте посредством ссылки, при этом таковые материала не допускается относить к существующему уровню техники. Для специалистов в данной области из предшествующего подробного описания должна быть очевидна возможность модификаций и внесения изменений в описанные устройства, системы и способы. Предполагается, что такие модификации и изменения не будут выводить за границы идеи и объема настоящего изобретения, определяемого прилагаемой формулой изобретения.
1. Устройство для огневого получения пара, содержащее:
камеру сгорания, имеющую сторону входа и сторону выхода,
корпус коллектора, присоединенный к стороне входа и выполненный с возможностью ввода в камеру сгорания топлива и окислителя,
наружный корпус, между внутренней поверхностью которого и наружной поверхностью камеры сгорания образована камера хладагента, и
множество сходящихся впускных отверстий для хладагента для подачи последнего из камеры хладагента в камеру сгорания на стороне выхода или вблизи стороны выхода камеры сгорания, причем сходящиеся впускные отверстия для хладагента расположены радиально вокруг камеры сгорания, а хладагент является водой,
при этом множество сходящихся впускных отверстий для хладагента выполнено с возможностью формирования сужающегося-расширяющегося сопла из хладагента, подаваемого в камеру сгорания, когда продукты сгорания проходят через него.
2. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что сходящиеся впускные отверстия для хладагента проходят через стенку камеры сгорания под углом к направлению течения продуктов сгорания через камеру сгорания.
3. Устройство по п. 2, отличающееся тем, что указанный угол находится в интервале приблизительно 25°-35°.
4. Устройство по п. 2, отличающееся тем, что указанный угол составляет приблизительно 30°.
5. Устройство по любому из пп. 1-4, отличающееся тем, что дополнительно содержит выходной рассеиватель пламени, сообщающийся со стороной выхода камеры сгорания.
6. Устройство по п. 5, отличающееся тем, что его размер выбран из условия возможности вставлять устройство в стандартные промышленные обсадные трубы.
7. Устройство по п. 5, отличающееся тем, что его размер выбран из условия возможности пропускать устройство через стандартные изгибы ствола, применяемые в горизонтальных скважинах.
8. Устройство по любому из пп. 1-4, отличающееся тем, что дополнительно содержит хвостовик для доставки окислителя в камеру сгорания.
9. Устройство по любому из пп. 1-4, отличающееся тем, что дополнительно содержит систему зажигания для воспламенения топлива в камере сгорания.
10. Устройство по любому из пп. 1-4, отличающееся тем, что внутренняя поверхность наружного корпуса и/или наружная поверхность камеры сгорания содержат спиральные канавки для формирования спирального канала для течения хладагента сквозь камеру хладагента.
11. Устройство по любому из пп. 1-4, отличающееся тем, что корпус коллектора содержит отдельные впускные отверстия для топлива, окислителя и хладагента.
12. Устройство по любому из пп. 1-4, отличающееся тем, что корпус коллектора содержит множество каналов для хладагента, имеющих жидкостную связь с камерой хладагента.
13. Устройство по п. 11, отличающееся тем, что корпус коллектора дополнительно содержит соединения с магистралью топлива, магистралью окислителя и магистралью хладагента, которые выполнены с возможностью присоединения, соответственно, к источнику топлива, источнику окислителя и источнику хладагента.
14. Устройство по любому из пп. 1-4, отличающееся тем, что корпус коллектора соединен с кабелем управления, который содержит одну или более линий электропитания и/или линий обмена данными.
15. Устройство по любому из пп. 1-4, отличающееся тем, что дополнительно содержит пакер, который обеспечивает кольцевое уплотнение между наружным корпусом устройства и обсадной трубой или стенкой ствола скважины.
16. Система для извлечения нефти из нефтеносного пласта, содержащая:
первый ствол скважины для доставки пара и других горячих газов к углеводородному пласту, и
устройство, охарактеризованное в п. 1, расположенное внутри скважины в первом стволе.
17. Система по п. 16, отличающаяся тем, что углеводородный пласт содержит тяжелую нефть, битум, гидрат метана или сочетание указанных субстанций.
18. Система по п. 16, отличающаяся тем, что дополнительно содержит второй ствол скважины для извлечения углеводородов из углеводородного пласта.
19. Система по любому из пп. 16-18, отличающаяся тем, что первый ствол скважины является вертикальным.
20. Система по любому из пп. 16-18, отличающаяся тем, что первый ствол скважины содержит по меньшей мере один горизонтальный участок.
21. Система по п. 20, отличающаяся тем, что устройство расположено внутри указанного по меньшей мере одного горизонтального участка.
22. Система по любому из пп. 16-18, отличающаяся тем, что устройство расположено на глубине более 760 м.
23. Система по любому из пп. 16-18, отличающаяся тем, что дополнительно содержит обсадную колонну, проходящую с поверхности приблизительно от верха первого ствола приблизительно до дна первого ствола.
24. Система по п. 23, отличающаяся тем, что устройство расположено внутри обсадной колонны.
25. Система по любому из пп. 16-18, отличающаяся тем, что дополнительно содержит источник топлива, источник окислителя и источник хладагента.
26. Система по любому из пп. 16-18, отличающаяся тем, что дополнительно содержит гибкую насосно-компрессорную трубу (ГНКТ), которая содержит магистраль подачи топлива, магистраль подачи окислителя и магистраль подачи хладагента.
27. Система по п. 26, отличающаяся тем, что ГНКТ дополнительно содержит волоконно-оптическую линию обмена данными.
28. Система по п. 18, отличающаяся тем, что каждый из стволов скважин - первый и второй - содержит по меньшей мере один горизонтальный участок, причем указанный по меньшей мере один горизонтальный участок второго ствола расположен под указанным по меньшей мере одним горизонтальным участком первого ствола.
29. Система по п. 28, отличающаяся тем, что теплая нефть стекает в направлении второго ствола скважины.
30. Способ получения пара, содержащий этапы, на которых:
вводят топливо и окислитель на сторону входа камеры сгорания,
сжигают топливо и окислитель в камере сгорания для образования продуктов сгорания,
подают воду в камеру хладагента, образованную между наружным корпусом и наружной поверхностью камеры сгорания, в области входа камеры сгорания или вблизи указанной области, и
выпускают воду из камеры хладагента через множество сходящихся впускных отверстий для хладагента, радиально расположенных вокруг камеры сгорания и проходящих через ее стенку, в камеру сгорания в области выхода камеры сгорания или вблизи указанной области,
причем множество сходящихся впускных отверстий для хладагента проходят через стенку камеры сгорания под углом к направлению течения продуктов сгорания через камеру сгорания, при этом данный угол обеспечивает возможность формирования указанной водой сужающегося-расширяющегося сопла, через которое протекают продукты сгорания, при этом вода нагревается продуктами сгорания для образования пара.
31. Способ по п. 30, отличающийся тем, что передают воду из сужающегося-расширяющегося сопла и продукты сгорания в выходной рассеиватель пламени, который присоединен к стороне выхода камеры сгорания.
32. Способ по п. 30 или 31, отличающийся тем, что дозируют топливо, окислитель и воду для получения пара давлением приблизительно от 8,4 бар до 207 бар.
33. Способ по п. 30 или 31, отличающийся тем, что его осуществляют в стволе скважины на глубине 760 м и более от поверхности земли.
34. Способ извлечения углеводородов из углеводородного пласта, содержащий этапы, на которых:
погружают устройство, содержащее камеру сгорания, в ствол скважины,
вводят топливо и окислитель на сторону входа камеры сгорания,
сжигают топливо и окислитель в камере сгорания для образования продуктов сгорания,
подают воду в камеру хладагента, образованную между наружным корпусом и наружной поверхностью камеры сгорания, в области входа камеры сгорания или вблизи указанной области,
выпускают воду из камеры хладагента через множество сходящихся впускных отверстий для хладагента, радиально расположенных вокруг камеры сгорания, в камеру сгорания в области выхода камеры сгорания или вблизи указанной области, так что указанная вода формирует шейку сужающегося-расширяющегося сопла, через которую протекают продукты сгорания, при этом вода нагревается продуктами сгорания с образованием пара,
закачивают продукты сгорания и пар в углеводородный пласт, и
извлекают углеводороды из углеводородного пласта.
35. Способ по п. 34, отличающийся тем, что устройство, содержащее камеру сгорания, погружают в ствол скважины на глубину 760 м или более от поверхности земли.
36. Способ по п. 34 или 35, отличающийся тем, что пар закачивают в углеводородный пласт при давлении приблизительно от 8,4 бар до 207 бар.
37. Способ по п. 34 или 35, отличающийся тем, что пар закачивают в углеводородный пласт при массовом паросодержании в потоке приблизительно 75%-95%.
38. Способ по п. 34 или 35, отличающийся тем, что продукты сгорания содержат по меньшей мере 50% углекислого газа.
39. Способ по п. 38, отличающийся тем, что углекислый газ закачивают в углеводородный пласт в количестве, эффективном для уменьшения вязкости углеводородов в углеводородном пласте.
40. Устройство с сужающимся-расширяющимся соплом для получения пара, содержащее:
протяженную цилиндрическую трубу, стенка которой образует канал для течения, и
сопло, расположенное по меньшей мере частично внутри протяженной цилиндрической трубы, причем у сопла имеется сужающийся участок, шейка и расширяющийся участок,
при этом сопло сформировано газом, протекающим через трубу, и жидкостью, втекающей в указанную трубу через множество отверстий, которые расположены радиально вокруг трубы и проходят через стенку трубы, причем продольная ось каждого из отверстий проходит под углом к направлению течения газа, а указанная жидкость является водой.
41. Устройство по п. 40, отличающееся тем, что указанный угол составляет приблизительно 25°-35°.
42. Устройство по п. 40, отличающееся тем, что указанный угол составляет приблизительно 30°.
43. Устройство по любому из пп. 40-42, отличающееся тем, что скорость течения газа в месте шейки превышает звуковую скорость.
44. Устройство по любому из пп. 40-42, отличающееся тем, что газ представляет собой продукт сгорания.
45. Способ формирования сужающегося-расширяющегося сопла, содержащий этапы:
сжигания топлива и окислителя в цилиндрической камере сгорания для получения продуктов сгорания, и
нагнетания воды в область заднего конца цилиндрической камеры сгорания через множество впускных водяных отверстий, радиально расположенных вокруг цилиндрической камеры сгорания,
при этом нагнетание воды в камеру сгорания производят под углом к оси цилиндрической камеры сгорания способом, эффективным, чтобы заставить продукты сгорания стягиваться к оси за счет уменьшения эффективной площади поперечного сечения камеры сгорания и чтобы сформировать шейку сужающегося-расширяющегося сопла.
46. Способ по п. 45, отличающийся тем, что скорость течения продуктов сгорания по мере их стягивания к оси камеры сгорания увеличивается до звуковой скорости.
47. Устройство для огневого получения пара, содержащее:
камеру сгорания, имеющую сторону входа, сторону выхода и стенку между указанными сторонами,
корпус коллектора, присоединенный к стороне входа и выполненный с возможностью ввода в камеру сгорания топлива и окислителя,
наружный корпус, между внутренней поверхностью которого и наружной поверхностью камеры сгорания образована камера хладагента, и
множество сходящихся впускных отверстий для хладагента для подачи последнего из камеры хладагента в камеру сгорания на стороне выхода или вблизи стороны выхода камеры сгорания, причем сходящиеся впускные отверстия для хладагента расположены радиально вокруг камеры сгорания и выполнены с возможностью формирования сужающегося-расширяющегося сопла из хладагента, подаваемого в камеру сгорания,
причем сходящиеся впускные отверстия для хладагента проходят сквозь стенку камеры сгорания под углом к направлению течения продуктов сгорания через камеру сгорания, составляющим приблизительно 25°-35°,
при этом сужающееся-расширяющееся сопло образовано потоком хладагента.
