Способ и системы для поставки тепловой энергии в горизонтальный ствол скважины
Группа изобретений относится, главным образом, к способам и системам для добычи углеводородов из различных подземных пластов. Способ поставки тепловой энергии в горизонтальный ствол скважины, расположенный в подземном пласте, через соединенный с ним вертикальный канал включает нагрев теплопередающей среды в нагревателе, расположенном на поверхности. Закачивают теплопередающую среду из нагревателя в вертикальный канал и вниз по внутренней первой колонне концентрических колонн к теплообменнику, расположенному в горизонтальном стволе скважины, и вверх из теплообменника к поверхности по второй колонне концентрических колонн. Осуществляют выработку пара в горизонтальном стволе скважины путем подачи питательной воды с поверхности в вертикальный канал по третьей колонне концентрических колонн к паровой камере, расположенной в горизонтальном стволе скважины, отделенной пакерами и содержащей указанный теплообменник. Причем труба теплообменника передает тепло от теплопередающей среды к питательной воде. Впрыскивают питательную воду в пар в паровой камере, чтобы вызвать нагрев подземного пласта с помощью тепловой энергии, добавленной паром из паровой камеры. Техническим результатом является повышение эффективности добычи углеводородов. 3 н. и 16 з.п. ф-лы, 8 ил.
Перекрестная ссылка на родственные заявки
[0001] Настоящая заявка связана с предварительной заявкой на патент США № 61/374778, поданной 18 августа 2010 г., которая включена в настоящую заявку во всей своей полноте и во всех отношениях посредством ссылки, и по ней испрашивается приоритет.
Предпосылки изобретения
[0002] Настоящее изобретение относится, главным образом, к способам и системам для добычи углеводородов из различных подземных пластов.
[0003] Гравитационное дренирование при закачке пара (SAGD) используется для добычи углеводородов из подземного пласта месторождений, в которых углеводороды в подземном пласте являются чрезвычайно плотными или имеют высокую вязкость. При этом пар из горизонтального ствола скважины используется для уменьшения вязкости и для того, чтобы вызвать поток углеводородов из подземного пласта для слива во второй горизонтальный ствол скважины.
Краткое описание изобретения
[0004] Различные варианты осуществления настоящего изобретения обеспечивают улучшенную поставку тепловой энергии, или тепла, чтобы повысить эффективность добычи углеводородов из подземного пласта с использованием горизонтальных стволов скважин.
[0005] В одном аспекте настоящее изобретение относится к способу, включающему нагрев теплопередающей среды, закачивание теплопередающей среды в вертикальный канал к теплообменнику, подачу питательной воды в вертикальный канал к теплообменнику, где теплообменник сконфигурирован для передачи тепла от теплопередающей среды к питательной воде для выработки пара, передачу пара из теплообменника в горизонтальный ствол скважины, чтобы вызвать нагрев подземной области, и возвращение теплопередающей среды из теплообменника на поверхность.
[0006] В другом аспекте настоящее изобретение относится к системе, содержащей вертикальный канал, теплообменник, расположенный в положении внутри вертикального канала, горизонтальный ствол скважины, ведущий из положения внутри вертикального канала, систему с контуром теплопередающей среды для закачивания нагретой теплопередающей среды в вертикальный канал к теплообменнику, систему подачи питательной воды для подачи питательной воды в вертикальный канал к этому теплообменнику, где теплообменник сконфигурирован для передачи тепла от нагретой теплопередающей среды к питательной воде для выработки пара, где пар передается из теплообменника в горизонтальный ствол скважины, чтобы вызвать нагрев подземной области, и где система с контуром теплопередающей среды сконфигурирована для возвращения теплопередающей среды из теплообменника на поверхность.
[0007] В другом аспекте настоящее изобретение относится к способу, включающему нагрев теплопередающей среды, закачивание теплопередающей среды в подземный горизонтальный ствол скважины, подачу питательной воды в подземный горизонтальный ствол скважины, где передача тепла от нагретой теплопередающей среды к питательной воде вырабатывает пар, чтобы вызвать нагрев подземной области, и возвращение теплопередающей среды из горизонтального ствола скважины на поверхность, где горизонтальный ствол скважины разделен на множество паровых камер, при этом по меньшей мере одна из этих паровых камер содержит теплообменник, чтобы обеспечить передачу тепла от теплопередающей среды к питательной воде.
[0008] В другом аспекте настоящее изобретение относится к системе, содержащей подземный горизонтальный ствол скважины, систему с контуром теплопередающей среды для закачивания нагретой теплопередающей среды в горизонтальный ствол скважины, систему подачи питательной воды для подачи питательной воды в горизонтальный ствол скважины, где передача тепла от нагретой теплопередающей среды к питательной воде вырабатывает пар, чтобы вызвать нагрев подземной области, где система с контуром теплопередающей среды сконфигурирована для возвращения теплопередающей среды из горизонтального ствола скважины на поверхность, и где горизонтальный ствол скважины разделен на множество паровых камер, при этом по меньшей мере одна из паровых камер содержит теплообменник, чтобы обеспечить передачу тепла от теплопередающей среды к питательной воде.
[0009] В другом аспекте настоящее изобретение относится к способу, включающему нагрев теплопередающей среды, закачивание теплопередающей среды в подземный горизонтальный ствол скважины, осуществление передачи тепла от теплопередающей среды к подземной области, возвращение теплопередающей среды из горизонтального ствола скважины на поверхность, где горизонтальный ствол скважины включает в себя один или несколько теплообменников, чтобы обеспечить передачу тепла непосредственно от теплопередающей среды к этой подземной области.
[0010] В другом аспекте настоящее изобретение относится к системе, содержащей подземный горизонтальный ствол скважины, систему с контуром теплопередающей среды для закачивания нагретой теплопередающей среды в горизонтальный ствол скважины, где тепло передается непосредственно от нагретой теплопередающей среды к подземной области, где система с контуром теплопередающей среды сконфигурирована для возвращения теплопередающей среды из горизонтального ствола скважины на поверхность, и где горизонтальный ствол скважины включает в себя один или несколько теплообменников, чтобы обеспечить передачу тепла непосредственно от теплопередающей среды к этой подземной области.
Краткое описание графических материалов
[0011] На фигуре 1 изображен вид устройства горизонтального ствола скважины в разрезе в соответствии с вариантом осуществления настоящего изобретения;
[0012] На фигуре 2 изображен вид устройства горизонтального ствола скважины в разрезе в соответствии с другим вариантом осуществления настоящего изобретения;
[0013] На фигуре 3 изображена схематическая иллюстрация скважинного теплообменника;
[0014] На фигуре 4 изображена схематическая иллюстрация другого варианта осуществления скважинного теплообменника;
[0015] На фигуре 5 изображен вид устройства горизонтального ствола скважины в разрезе в соответствии с другим вариантом осуществления;
[0016] На фигуре 6 изображен вид устройства горизонтального ствола скважины в разрезе в соответствии с другим вариантом осуществления;
[0017] На фигуре 7 изображен вид устройства горизонтального ствола скважины в разрезе в соответствии с еще другим вариантом осуществления; и
[0018] На фигуре 8 изображен вид устройства горизонтального ствола скважины в разрезе в соответствии с другим вариантом осуществления.
[0019] Хотя настоящее изобретение допускает различные модификации и альтернативные формы, его конкретные варианты осуществления в качестве примера показаны в данных графических материалах, и здесь они могут быть подробно описаны. Графические материалы могут быть не в масштабе. Следует понимать, однако, что графические материалы и подробное описание к ним не предполагают ограничения изобретения конкретной описанной формой, но, наоборот, замысел должен включать все модификации, эквиваленты и альтернативы, соответствующие сущности и объему настоящего изобретения, определенного в прилагаемой формуле изобретения.
Подробное описание преимущественных вариантов выполнения
[0020] Озабоченность по поводу истощения имеющихся ресурсов углеводородов и озабоченность по поводу снижения общего качества добываемых углеводородов привели к разработке технологических процессов для более эффективного извлечения, переработки и/или использования имеющихся ресурсов углеводородов. Технологические процессы in situ могут быть использованы для извлечения углеводородного сырья из подземных пластов. Химические и/или физические свойства углеводородного сырья в подземном пласте могут нуждаться в изменениях, чтобы предоставить возможность более легкого извлечения углеводородного сырья из подземного пласта. Эти химические и физические изменения могут включать в себя реакции in situ, производящие извлекаемые текучие среды, изменения состава, изменения растворимости, изменения плотности, фазовые изменения и/или изменения вязкости углеводородного сырья в пласте. Теплопередающая среда может быть, но не ограничивается ими, газом, жидкостью, эмульсией, суспензией и/или потоком твердых частиц, который имеет характеристики потока, подобные потоку жидкости.
[0021] В некоторых вариантах осуществления в стволе скважины могут быть использованы расширяемые трубчатые элементы. Расширяемые трубные изделия описаны, например, в патенте США №5,366,012, выданном Lohbeck, и в патенте США №6,354,373, выданном Vercaemer и др., каждый из которых включен в качестве ссылки во всей его полноте в данный документ.
[0022] В стволах скважин могут быть установлены нагреватели для нагрева пласта во время проведения технологического процесса in situ. Примеры технологических процессов in situ с использованием скважинных нагревателей освещены в патентах США №2,634,961, выданном Ljungstrom. №2,732,195, выданном Ljungstrom, №2,780,450, выданном Ljungstrom, №2789805, выданном Ljungstrom, №2,923,535, выданном Ljungstrom, и №4,886,118, выданном Van Meurs и др., каждый из которых включен в качестве ссылки во всей его полноте в данный документ.
[0023] Для пиролиза керогена внутри пласта горючего сланца в пласт горючего сланца может быть подведено тепло. Тепло может также привести к растрескиванию пласта, что повышает проницаемость пласта. Возросшая проницаемость обеспечивает возможность поступления текучей среды из пласта в эксплуатационную скважину, откуда ее извлекают из этого пласта горючего сланца.
[0024] Для нагрева подземного пласта может быть использован источник тепла. Для нагрева подземного пласта излучением и/или кондуктиным нагревом могут быть использованы нагреватели.
[0025] Нагревательный элемент вырабатывает кондуктивную энергию и/или энергию излучения, которая нагревает обсадную трубу. Между обсадной трубой и пластом может находиться сыпучий твердый наполнитель. Эта обсадная труба может конвекцией нагревать наполнитель, который, в свою очередь, конвекцией нагревает пласт.
[0026] В типичном гравитационном дренировании углеводородов из выхода подземного пласта при закачке пара пар получают на поверхности и передают в горизонтальный ствол скважины. Большое расстояние, пройденное паром, может привести к потере энергии пара вследствие тепловых потерь. Таким образом, пар, который поступает к углеводородам из области подземного пласта, может, например, не быть паром с высокого качества, что приводит к снижению количества углеводородов в результате извлечения из выхода подземного пласта.
[0027] Варианты осуществления настоящего изобретения относятся к различным способам и системам для извлечения ресурсов с использованием горизонтальных стволов скважин в геологических слоях от вертикального положения. Геологическими структурами, для которых может быть предназначен этот способ проникновения, могут быть угольные пласты, газификация in situ или дренирование метана или углеводороды из подземного слоя, несущего пласт, для повышения интенсивности потока из уже существующих скважин. Другими возможными применениями для раскрытых вариантов осуществления могут быть использования в выщелачивании урановых руд из подземного пласта или, например, для внедрения горизонтальных каналов для питательной воды и ввода пара. Специалист в данной области техники поймет, что различные варианты осуществления, описанные здесь, могут быть использованы для различных применений, которые предполагаются в рамках настоящего изобретения.
[0028] Обратимся вначале к фигуре 1, на которой изображен вид устройства 100 горизонтального ствола скважины в разрезе в соответствии с вариантом осуществления настоящего изобретения. В соответствии с устройством 100, показанном на фигуре 1, тепловые потери снижаются за счет использования скважинной системы 110 теплообмена. Некоторые варианты осуществления скважинного теплообменника 110 более подробно описаны ниже со ссылкой на фигуре 3 и 4. Безусловно, специалисту в данной области техники должно быть понятно, что варианты осуществления настоящего изобретения не ограничены использованием конкретного теплообменника и что в рамках объема настоящего изобретения предусмотрено использование различных других теплообменников.
[0029] В соответствии с вариантом осуществления, показанном на фигуре 1, скважинная система 110 теплообмена расположена внутри первого ствола скважины 130. В различных вариантах осуществления глубина теплообменника может отличаться в зависимости от различных факторов, таких как стоимость и условия окружающей среды. Например, в различных вариантах осуществления глубина первого горизонтального ствола скважины 130 может составлять от нескольких сотен до нескольких тысяч футов.
[0030] В варианте осуществления, показанном на фигуре 1, первый ствол скважины 130 включает в себя концентрические колонны, сформированные для протекания через них различных текучих сред. Подаваемую питательную воду вводят в первый ствол скважины 130 через колонну 120. Скважинная система 110 теплообмена настроена на впрыскивание горячей питательной воды в пар, а пар направляется в углеводороды от подземного пласта через, например, отверстия в стволе скважины 130. Отверстия 180 схематически показаны на фигуре 1 на входе в горизонтальную часть первого ствола скважины 130. Пар направляется в горизонтальную часть первого ствола скважины 130 и в геологические слои вокруг этой горизонтальной части первого ствола скважины 130.
[0031] Пар добавляет тепловую энергию углеводородам из подземного пласта и служит для снижения вязкости углеводородов из залежей подземных пластов, в результате чего углеводороды из подземного пласта текут вниз под действием силы тяжести. Текущие вниз углеводороды из подземного пласта захватываются во второй ствол скважины, который является стволом эксплуатационной скважины 140. Углеводороды из подземного пласта, захваченные стволом эксплуатационной скважины 140, транспортируются в одну или нескольких цистерн 199 на поверхности, например, по технологической линии 190.
[0032] В варианте осуществления, показанном на фигуре 1, как такой же ствол скважины, что и в различных других вариантах осуществления, описанных здесь, горизонтальные стволы скважин и различные колонны или трубы могут быть выполнены из гибких труб. Гибкие трубы хорошо известны специалистам в данной области техники и, в целом, относятся к металлическим трубам, которые наматываются на крупный барабан. Гибкие трубы могут иметь диаметр приблизительно от одного дюйма до 3,25 дюйма. Безусловно, специалисту в данной области техники должно быть понятно, что различные варианты осуществления не ограничены использованием гибких труб и какими-либо конкретными размерами труб.
[0033] Обратимся снова к фигуре 1; нагретая теплопередающая среда подается через впускную колонну 112 теплопередающей среды. В показанном варианте осуществления впускная колонна 112 теплопередающей среды является ближайшей к центру колонной в этой концентрической конфигурации. Нагретая теплопередающая среда подается с поверхности в положение внутри ствола скважины. Нагретая теплопередающая среда прокачивается через впускную колонну 112 теплопередающей среды с очень высокой интенсивностью потока, чтобы свести к минимуму потери тепла в питательной воде. В одном варианте осуществления впускная колонна 112 теплопередающей среды представляет собой трубу, имеющую диаметр около 0,75 дюйма или более. В других вариантах осуществления впускная колонна 112 теплопередающей среды может быть доведена до требуемого размера в соответствии с такими факторами, как, например, производительность насоса, расстояние между поверхностью и горизонтальной частью ствола скважины и тип теплопередающей среды.
[0034] Кроме того, горячая питательная вода вводится в отдельную колонну 120 этой концентрической конфигурации. Питательная вода может вводиться при температуре перегрева, чтобы максимально увеличить тепловую энергию, подводимую к углеводородам подземного пласта. В показанном варианте осуществления колонна 120 горячей питательной воды является самой дальней от центра колонной в этой концентрической конфигурации.
[0035] На определенной глубине ствола скважины нагретая теплопередающая среда во впускной колонне 112 теплопередающей среды впрыскивает горячую питательную воду в пар высокого качества, который направляется в первый ствол скважины 130 (Фиг. 1) через ствол скважины 126 и отверстия 180. Продувочный клапан 124 создает возможность направить в отстойник пар низкого качества и накипь.
[0036] После передачи тепла от теплопередающей среды питательной воде охладившаяся теплопередающая среда возвращается на поверхность через выпускную колонну 114 холодной теплопередающей среды. Между впускной колонной 112 теплопередающей среды и выпускной колонной 114 холодной теплопередающей среды может быть предусмотрен слой изоляции 128. В концентрической конфигурации концентрических труб - выпускная колонна 114 холодной теплопередающей среды. В одном варианте осуществления концентрическая конфигурация труб имеет наружный диаметр от 2,5 до 3 дюймов, а в конкретном варианте осуществления имеет наружный диаметр 2,875 дюйма, но он может быть больше, в зависимости от каждой концентрической конфигурации труб.
[0037] В некоторых вариантах осуществления теплопередающая среда может циркулировать по системе с замкнутым контуром. В связи с этим нагреватель может быть сконфигурирован для нагрева теплопередающей среды до высокой температуры. Нагреватель может быть размещен на поверхности и может быть сконфигурирован для работы с разнообразными источниками энергии. Например, в одном варианте осуществления нагреватель 111 работает с использованием сжигания топлива, которое может содержать природный газ, пропан или метанол. Нагреватель 111 может также работать на электричестве.
[0038] Теплопередающая среда нагревается нагревателем до очень высокой температуры. В связи с этим у теплопередающей среды должна быть очень высокая температура кипения. В одном варианте осуществления теплопередающей средой является расплавленная соль с температурой кипения около 1150°F. Благодаря этому нагреватель нагревает теплопередающую среду до температуры выше чем 1150°F. В других вариантах осуществления теплопередающая среда нагревается до температуры 900°F или до иной температуры. Предпочтительно, теплопередающая среда нагревается до температуры, которая превышает 700°F.
[0039] Насос теплопередающей среды располагают предпочтительно на холодной стороне нагревателя. Этот насос может быть доведен до размеров в соответствии с конкретными потребностями реализуемой системы. Кроме того, в замкнутый контур входит баллон резервного хранения, содержащий дополнительное количество теплопередающей среды для обеспечения достаточного количества теплопередающей среды в системе.
[0040] Концентричность различных колонн в первом стволе скважины 130 показана на виде в разрезе, изображенном на фигуре 1 и выполненном вдоль I-I. В показанном варианте осуществления горячая теплопередающая среда течет вниз по внутренней колонне 112, а охлажденная теплопередающая среда возвращается вверх по второй внутренней колонне 114. Между двумя внутренними колоннами предусмотрен слой изоляции, чтобы предотвратить обратную передачу тепла от нагретой теплопередающей среды к охлажденной теплопередающей среде. Подача питательной воды осуществляется вниз через самую дальнюю от центра колонну 120. Благодаря этому подаваемая питательная вода может поглощать некоторое остаточное тепло от возвращающейся охлажденной теплопередающей среды.
[0041] Обратимся теперь к фигуре 2, на которой изображен вид устройства 100а горизонтального ствола скважины в разрезе в соответствии с другим вариантом осуществления настоящего изобретения. Вариант осуществления, показанный на фигуре 2, аналогичен изображенному на фигуре 1, но с одним каналом ствола скважины. Вследствие этого один вертикальный канал ствола скважины расщепляется на два горизонтальных ствола скважины 130, 140. Вследствие этого концентричность колонны включает в себя технологическую линию 190, как показано на сечении на фигуре 2, выполненном вдоль II-II. В показанном варианте осуществления горячая теплопередающая среда течет вниз по внутренней колонне 112, а охлажденная теплопередающая среда возвращается вверх по второй внутренней колонне 114. Между двумя внутренними колоннами предусмотрен слой изоляции, чтобы предотвратить обратную передачу тепла от нагретой теплопередающей среды к охлажденной теплопередающей среде. Подача питательной воды осуществляется вниз через третью внутреннюю колонну 120. И, наконец, самая дальняя от центра колонна 190, которая может быть лишь частично концентрической, используется для транспортировки добытых ресурсов на поверхность.
[0042] Обратимся теперь к фигуре 3, на которой изображена схематическая иллюстрация скважинного теплообменника. В скважинном теплообменнике 110, изображенном на фигуре 3, впускная труба 112 соединяется с трубой 302 теплообменника внутри части 126 паровой камеры скважинного теплообменника 110. Теплопередающая среда из этой впускной трубы 112 проходит через трубу теплообменника. Тепло от трубы 302 теплообменника испаряет поданную питательную воду в колонне 120 внутри части 126 паровой камеры. Пар подается в часть 126 паровой камеры так, чтобы пар равномерно распределялся и поддерживался в высоком качестве или даже перегретым теплом от расширяющейся книзу трубы 302 теплообменника. После прохождения через скважинный теплообменник 110 и трубы 302 теплообменника возвращаемая теплопередающая среда поднимается в выпускную трубу 114.
[0043] Комплект 303 пакера с питающий клапаном 304 управляет интенсивностью потока питательной воды в скважинном теплообменнике 110. В одном варианте осуществления питающий клапан 304 реагирует на разность давлений подаваемой питательной воды у основания колонны 120 подаваемой питательной воды и давления в части 126 паровой камеры так, что поддерживается высокое значение качества пара.
[0044] В одном варианте осуществления образование накипи в трубе 302 теплообменника снижается благодаря узкому диаметру трубы, которая вызывает регулярное отслаивание накипи. Эта отслоившаяся накипь может затем образовываться у основания теплообменника 110. Продувочный клапан 124 может периодически открываться для дренажа этой скопившейся накипи в отстойник ствола скважины.
[0045] Обратимся теперь к фигуре 4, на которой изображена схематическая иллюстрация другого варианта осуществления скважинного теплообменника. Скважинный теплообменник 210, показанный на фигуре 4, подобен скважинному теплообменнику 110, показанному на фигуре 3. В варианте осуществления, представленном на фигуре 4, линия 223, содержащая горячую теплопередающую среду, может проходить ниже теплообменного положения. Благодаря этому передача тепла от теплопередающей среды горячей питательной воде или пару может быть обеспечена глубже в вертикальном канале ствола скважины.
[0046] Обратимся теперь к фигуре 5, на которой изображен вид устройства 400 горизонтального ствола скважины в разрезе в соответствии с другим вариантом осуществления настоящего изобретения.
[0047] В варианте осуществления, показанном на фигуре 5, первый ствол скважины 430 включает в себя концентрические колонны, сформированные для протекания через них различных текучих сред. Теплопередающая среда закачивается в первый ствол скважины 430 по системе 410 с замкнутым контуром. Горячая теплопередающая среда подается в первый ствол скважины 430 по линии 412 горячей теплопередающей среды, а охлажденная теплопередающая среда возвращается по обратной линии 414. Для того чтобы свести к минимуму потери тепла от горячей теплопередающей среды, между линией 412 горячей теплопередающей среды и обратной линией 414 может быть предусмотрена изоляция 428. Котел 411 нагревает теплопередающую среду для закачки в ствол скважины. Система с замкнутым контуром 410 может включать в себя другие компоненты, такие как насос и резервуар теплопередающей среды. Теплопередающая среда циркулирует, по существу, по всей длине первого горизонтального ствола скважины 430.
[0048] Горячая питательная вода закачивается в первый ствол скважины 430 по линии 420. На горизонтальном участке линия 420 горячей питательной воды расположена над линиями 412, 414 теплопередающей среды. Передача тепла от линий 412, 414 теплопередающей среды к линии 420 горячей питательной воды и впрыскивание на теплообменнике производит пар, который вводится в углеводороды из отложений подземного пласта. Кроме того, тепло от линий 412, 414 теплопередающей среды может быть передано непосредственно углеводородному пласту, окружающему первый ствол скважины 430.
[0049] Как отмечалось выше, пар добавляет тепловую энергию углеводородам из подземного пласта и служит для снижения вязкости углеводородов из подземных пластов, в результате чего углеводороды из подземного пласта текут вниз под действием силы тяжести. Текущие вниз углеводороды из подземного пласта захватываются во второй ствол скважины, который является стволом 440 эксплуатационной скважины. Углеводороды из подземного пласта, захваченные стволом 440 эксплуатационной скважины, транспортируются в одну или нескольких цистерн 499 на поверхности, например, по технологической линии 490.
[0050] Нагретая теплопередающая среда прокачивается через впускную колонну 412 теплопередающей среды с очень высокой интенсивностью, чтобы свести к минимуму потери тепла в морской питательной воде. В одном варианте осуществления впускная колонна 412 теплопередающей среды представляет собой трубу, имеющую диаметр около 0,75 дюйма или более. В других вариантах осуществления впускная колонна 412 теплопередающей среды может быть доведена до требуемого размера в соответствии с такими факторами, как, например, производительность насоса, расстояние между поверхностью и горизонтальной частью насоса и тип теплопередающей среды.
[0051] После передачи тепла от теплопередающей среды питательной воде охладившаяся теплопередающая среда возвращается на поверхность через выпускную колонну 414 холодной теплопередающей среды. Между впускной колонной 412 теплопередающей среды и выпускной колонной 414 холодной теплопередающей среды может быть предусмотрен слой изоляции 428. В концентрической конфигурации выпускная колонна 114 холодной теплопередающей среды является затрубьем. В одном варианте осуществления затрубье имеет наружный диаметр от 2,5 до 3 дюймов, а в конкретном варианте осуществления имеет наружный диаметр 2,875 дюйма.
[0052] Теплопередающая среда нагревается нагревателем до очень высокой температуры. В связи с этим у теплопередающей среды должна быть очень высокая температура кипения. В одном варианте осуществления теплопередающей средой является расплавленная соль с температурой кипения около 1150°F. Благодаря этому нагреватель нагревает теплопередающую среду до температуры, равной 1150°F. В других вариантах теплопередающая среда нагревается до температуры 900°F или до иной температуры. Предпочтительно, теплопередающая среда нагревается до температуры, которая превышает 700°F. Специалистом в данной области техники рассматриваются как подходящей теплопередающей среды, которая может быть введена в ствол скважины, такие как дизельное топливо, газойль, расплавленный натрий и синтетические теплопередающие среды, например теплопередающая среда THERMINOL 59, которая поставляется компанией Solutia, Inc., теплопередающая среда MARLOTHERM, которая поставляется компанией Condea Vista Co., и теплопередающие среды SYLTHERM и DOWTHERM, которые поставляет компания Dow Chemical Company.
[0053] Насос теплопередающей среды располагают предпочтительно на холодной стороне нагревателя 411. Этот насос может быть выполнен требуемых размеров в соответствии с конкретными потребностями реализуемой системы. Кроме того, в замкнутый контур входит баллон резервного хранения, содержащий дополнительную теплопередающую среду для обеспечения достаточного количества теплопередающей среды в системе.
[0054] Различные варианты осуществления концентричности различных колонн в первом стволе скважины 430 показаны на виде в разрезе, изображенном на фигуре 5 и выполненном вдоль V-V. В показанных вариантах осуществления горячая теплопередающая среда течет вниз по внутренней колонне 412, а колонна 414 охлажденной теплопередающей среды может быть вторым внутренним кольцом, за которым следует колонна 420 питательной воды. В другом иллюстрированном варианте осуществления может выполняться переключение между колонной 414 охлажденной теплопередающей среды и колонной 420 питательной воды. Между двумя внутренними колоннами предусмотрен слой изоляции, чтобы предотвратить передачу тепла от нагретой теплопередающей среды.
[0055] В варианте осуществления, показанном на фигуре 5, горизонтальная часть первого ствола скважины 430 разделена на множество паровых камер 450. Эти паровые камеры разделены пакерами 452, которые содержат клапаны для обеспечения выравнивания давления пара в каждой паровой камере 450. Кроме того, каждая камера 450 может включать в себя теплообменник 454 для обеспечения передачи тепла между теплопередающей средой во впускной колонне 412 и подаваемой питательной водой. Разделение горизонтальной части на множество камер 450 в сочетании с теплообменниками 454 улучшает распределение и повышает качество пара в этой горизонтальной части, тем самым увеличивая добычу углеводородов из подземного пласта, например. Эти теплообменники могут включать в себя трубу теплообменника, аналогичную трубе 302, описанной выше со ссылкой на фигуре 3.
[0056] Обратимся теперь к фигуре 6, на которой изображен вид устройства 400а горизонтального ствола скважины в разрезе в соответствии с другим вариантом осуществления настоящего изобретения. Вариант осуществления, показанный на фигуре 6, аналогичен изображенному на фигуре 5, но с одним каналом ствола скважины. Вследствие этого один вертикальный канал ствола скважины расщепляется на два горизонтальных ствола скважины 430, 440. Вследствие этого концентричность колонны включает в себя технологическую линию 490, как показано на сечении на фигуре 6, выполненном вдоль VI-VI. В показанном варианте осуществления горячая теплопередающая среда течет вниз по внутренней колонне 112, а охлажденная теплопередающая среда и питательная вода транспортируются во второй и третьей колоннах. Между двумя внутренними колоннами предусмотрен слой изоляции, чтобы предотвратить передачу тепла от нагретой теплопередающей среды. И, наконец, самая дальняя от центра колонна 490, которая может быть лишь частично концентрической, используется для транспортировки добытых ресурсов на поверхность.
[0057] Обратимся теперь к фигуре 7, на которой изображен вид устройства горизонтального ствола скважины в разрезе в соответствии с другим вариантом осуществления. Это устройство 500 горизонтального ствола скважины включает в себя первый ствол скважины 530 для обеспечения тепловой энергией углеводородов из подземного пласта и ствол 540 эксплуатационной скважины, предназначенный для доставки извлеченных углеводородов из подземного пласта на поверхность. В варианте осуществления, показанном на фигуре 7, теплопередающая среда закачивается в первый ствол скважины 530 по системе 510 с замкнутым контуром. Горячая теплопередающая среда закачивается в первый ствол скважины 530 по линии 512 горячей теплопередающей среды, а охлажденная теплопередающая среда возвращается по обратной линии 514. Для того чтобы свести к минимуму потери тепла от горячей теплопередающей среды, между линией 512 горячей теплопередающей среды и обратной линией 514 может быть предусмотрена изоляция 528. Котел 511 нагревает теплопередающую среду для закачки в ствол скважины. Система 510 с замкнутым контуром может включать в себя другие компоненты, такие как насос и резервуар теплопередающей среды. Теплопередающая среда циркулирует, по существу, по всей длине горизонтального первого ствола скважины 530.
[0058] В варианте осуществления, показанном на фигуре 7, нет необходимости для ввода горячей питательной воды в ствол скважины. Вместо этого тепловая энергия за счет кондуктивного тепла и/или тепла окружающей среды передается непосредственно от линий 512, 514 теплопередающей среды к углеводородам из подземного пласта, окружающего первый ствол скважины 530. Благодаря этому углеводороды из подземного пласта, захваченные стволом 540 эксплуатационной скважины, имеют значительно более высокое отношение количества углеводородов к количеству питательной воды. Горизонтальный ствол скважины включает в себя теплообменники 550 для обеспечения непосредственной передачи кондуктивного тепла и/или тепла окружающей среды от теплопередающей среды к углеводородам из залежей подземного пласта.
[0059] Концентричность различных колонн в первом стволе скважины 530 показана на виде в разрезе, изображенном на фигуре 7 и выполненном вдоль VII-VII. В показанном варианте осуществления горячая теплопередающая среда течет вниз по внутренней колонне 512, а охлажденная теплопередающая среда возвращается вверх по внешней колонне 514. Между этими двумя колоннами предусмотрен слой изоляции, чтобы предотвратить обратную передачу тепла от нагретой теплопередающей среды к охлажденной теплопередающей среде.
[0060] Обратимся теперь к фигуре 8, на которой изображен вид устройства 500а горизонтального ствола скважины в разрезе в соответствии с другим вариантом осуществления настоящего изобретения. Вариант осуществления, показанный на фигуре 8, аналогичен изображенному на фигуре 7, но с одним каналом ствола скважины. Вследствие этого один вертикальный канал ствола скважины расщепляется на два горизонтальных ствола скважины 530, 540. Вследствие этого концентричность колонн включает в себя технологическую линию 590, как показано на сечении Фигуры 8, выполненном вдоль VIII-VIII. В показанном варианте осуществления горячая теплопередающая среда течет вниз по внутренней колонне 512, а охлажденная теплопередающая среда транспортируется по внешней колонне. Между двумя колоннами предусмотрен слой изоляции, чтобы предотвратить передачу тепла от нагретой теплопередающей среды. И, наконец, самая дальняя от центра колонна 590, которая может быть лишь частично концентрической, используется для транспортировки добытых ресурсов на поверхность.
[0061] Таким образом, описанные здесь варианты осуществления большей частью относятся к системам, способам и обогревателям для обработки подземного пласта. Варианты осуществления, описанные здесь, также большей частью относятся к нагревателям, которые содержат в себе новые компоненты. Такие обогреватели могут быть применены с помощью систем и способов, описанных здесь.
[0062] В некоторых вариантах осуществления настоящее изобретение предоставляет одну или несколько систем, способов и/или нагревателей. В некоторых вариантах осуществления эти системы, способы и/или нагреватели используются для обработки подземного пласта.
[0063] В некоторых вариантах осуществления система термического воздействия in situ для получения углеводородов из подземного пласта включает в себя множество стволов скважин в пласте, трубопроводы, расположенные, по меньшей мере, в двух из стволов скважин, систему закачивания жидкости, соединенную с трубопроводами, и подвод тепла, настроенный для нагрева теплопередающей среды, постоянно циркулирующего через трубопроводы, чтобы поднимать температуру пласта до температур, которые обеспечивают возможность добычи углеводородов из пласта.
[0064] В некоторых вариантах осуществления способ нагрева подземного пласта включает в себя нагрев теплопередающей среды с использованием теплообмена с подводом тепла, постоянное закачивание теплопередающей среды по трубопроводам в пласте для нагрева части пласта, чтобы обеспечить возможность добычи углеводородов из пласта, и добычу углеводородов из пласта.
[0065] В некоторых вариантах осуществления способ нагрева подземного пласта включает в себя подачу теплопередающей среды от котла, находящегося на поверхности, в теплообменник, нагрев теплопередающей среды до первой температуры, протекание теплопередающей среды через части нагревателя в отстойник, в котором тепло передается от части нагревателя к области обработки пласта, газлифтный подъем теплопередающей среды на поверхность из отстойника и возвращение, по меньшей мере, части теплопередающей среды в емкость.
[0066] В других вариантах осуществления признаки конкретных вариантов осуществления могут сочетаться с признаками других вариантов осуществления. Например, признаки одного варианта осуществления могут быть объединены с признаками любого другого варианта осуществления.
[0067] В других вариантах осуществления обработка подземного пласта производится с помощью любого из описанных здесь способов, систем или нагревателей.
[0068] В других вариантах осуществления к описанным здесь конкретным вариантам осуществления могут быть добавлены дополнительные признаки.
[0069] Приведенное выше описание вариантов осуществления было приведено с целью иллюстрации и описания. Приведенное выше описание не имеет целью быть исчерпывающим или ограничивать варианты осуществления настоящего изобретения точно описанной формой; и модификации и изменения являются возможными в свете упомянутых выше идей, или они могут быть получены из применения на практике различных вариантов осуществления. Варианты осуществления изобретения, обсуждаемые здесь, были выбраны и описаны для разъяснения принципов и характера различных вариантов осуществления и их практического применения, чтобы позволить специалистам в данной области техники использовать настоящее изобретение в различных вариантах осуществления и с различными модификациями, соответствующими планируемому конкретному применению. Описанные здесь признаки различных вариантов осуществления могут комбинироваться во всевозможных сочетаниях способов, устройств, модулей, систем и компьютерных программных продуктов.
1. Способ поставки тепловой энергии в горизонтальный ствол скважины, расположенный в подземном пласте, через соединенный с ним вертикальный канал, включающий:
нагрев теплопередающей среды в нагревателе, расположенном на поверхности,
закачивание теплопередающей среды из нагревателя в вертикальный канал и вниз по внутренней первой колонне концентрических колонн к теплообменнику, расположенному в горизонтальном стволе скважины, и вверх из теплообменника к поверхности по второй колонне концентрических колонн, и
выработку пара в горизонтальном стволе скважины путем подачи питательной воды с поверхности в вертикальный канал по третьей колонне концентрических колонн к паровой камере, расположенной в горизонтальном стволе скважины, отделенной пакерами и содержащей указанный теплообменник, причем труба теплообменника передает тепло от теплопередающей среды к питательной воде, впрыскивание питательной воды в пар в паровой камере, чтобы вызвать нагрев подземного пласта с помощью тепловой энергии, добавленной паром из паровой камеры.
2. Способ по п. 1, в котором теплопередающую среду нагревают с помощью газового или электрического безвыхлопного котла.
3. Способ по п. 1, в котором теплопередающая среда включает одно или несколько из следующего: дизельное топливо, газойль, расплавленный натрий, расплавленную соль или синтетические теплопередающие среды.
4. Способ по п. 1, в котором дополнительно обеспечивают технологическую линию во втором горизонтальном стволе скважины и собирают разжижаемые нефтяные залежи, расположенные во втором горизонтальном стволе скважины, и передают их на поверхность по технологической линии.
5. Способ по п. 4, в котором указанная технологическая линия проходит на поверхность вдоль или указанного вертикального канала, или второго вертикального канала.
6. Способ по п. 1, в котором концентрические колонны включают технологическую линию, при этом в способе собирают разжижаемые нефтяные залежи, расположенные в горизонтальном стволе скважины, и передают их на поверхность по указанной технологической линии.
7. Способ по п. 1, в котором теплопередающую среду нагревают до температуры, которая превышает 700°F (370°C), и до температуры, равной 1150°F (620°C).
8. Система для поставки тепловой энергии в горизонтальный ствол скважины, расположенный в подземном пласте, через соединенный с ним вертикальный канал, содержащая:
нагреватель, расположенный на поверхности и предназначенный для нагрева теплопередающей среды,
паровую камеру, отделенную пакерами, расположенную в положении внутри горизонтального ствола скважины и содержащую теплообменник,
систему с контуром теплопередающей среды, содержащую концентрические колонны для потока нагретой теплопередающей среды, охлажденной теплопередающей среды и питательной воды, причем внутренняя первая колонна и вторая колонна концентрических колонн соединяют нагреватель с теплообменником для подвода нагретой теплопередающей среды по стволам скважины к теплообменнику и возвращения охлажденной теплопередающей среды из теплообменника в нагреватель, и
систему подачи питательной воды, соединенную с третьей колонной концентрических колонн для подачи питательной воды с поверхности в вертикальный канал и к паровой камере, при этом теплообменник имеет трубу для передачи тепла от нагретой теплопередающей среды к питательной воде для выработки пара в паровой камере и чтобы вызвать нагрев подземной области с помощью тепловой энергии, добавленной паром из паровой камеры.
9. Система по п. 8, дополнительно содержащая:
второй горизонтальный ствол скважины, предназначенный для сбора разжижаемых нефтяных залежей, и
технологическую линию, предназначенную для передачи разжижаемых нефтяных залежей на поверхность.
10. Система по п. 9, в которой указанная технологическая линия проходит на поверхность вдоль или указанного вертикального канала, или второго вертикального канала.
11. Система по п. 8, в которой теплопередающая среда является дизельным топливом, газойлем, расплавленным натрием, расплавленной солью или синтетической теплопередающей средой.
12. Система по п. 8, в которой концентрические колонны включают технологическую линию.
13. Система по п. 8, в которой горизонтальный ствол скважины разделен на паровые камеры, каждая из которых имеет теплообменник для обеспечения передачи тепла от теплопередающей среды к питательной воде.
14. Система по п. 8, в которой самая дальняя от центра колонна концентрических колонн является частично концентрической.
15. Система по п. 8, в которой на внутренней первой колонне предусмотрена изоляция.
16. Система по п. 8, в которой паровые камеры разделены пакерами, которые содержат клапаны для управления потоком пара между паровыми камерами.
17. Система по п. 8, в которой нагреватель выполнен с возможностью нагрева теплопередающей среды до температуры, которая превышает 700°F (370°C), и до температуры, равной 1150°F (620°C).
18. Система для поставки тепловой энергии в горизонтальный ствол скважины, расположенный в подземном пласте, через соединенный с ним вертикальный канал, содержащая:
нагреватель, расположенный на поверхности и предназначенный для нагрева теплопередающей среды,
паровую камеру, отделенную комплектом пакеров, расположенную в положении внутри вертикального канала и содержащую теплообменник и отверстия для направления пара из паровой камеры в горизонтальный ствол скважины,
систему с контуром теплопередающей среды, содержащую концентрические колонны для потока нагретой теплопередающей среды, охлажденной теплопередающей среды и питательной воды, причем внутренняя первая колонна и вторая колонна концентрических колонн соединяют нагреватель с теплообменником для подвода нагретой теплопередающей среды по вертикальному каналу к теплообменнику и возвращения охлажденной теплопередающей среды из теплообменника в нагреватель, и
систему подачи питательной воды, соединенную с третьей колонной концентрических колонн и предназначенную для подачи питательной воды с поверхности в вертикальный канал и к паровой камере,
при этом теплообменник имеет трубу для передачи тепла от нагретой теплопередающей среды к питательной воде для выработки пара в паровой камере и чтобы вызвать нагрев подземной области с помощью тепловой энергии, добавленной паром из паровой камеры, направляемым в горизонтальный ствол скважины через вертикальный канал и отверстия.
19. Система по п. 18, в которой нагреватель выполнен с возможностью нагрева теплопередающей среды до температуры, которая превышает 700°F (370°C), и до температуры, равной 1150°F (620°C).
