АККОМОДАЦИЯ ТЕПЛОВОГО РАСШИРЕНИЯ ДЛЯ СИСТЕМ С ЦИРКУЛИРУЮЩЕЙ ТЕКУЧЕЙ СРЕДОЙ, ИСПОЛЬЗУЕМЫХ ДЛЯ НАГРЕВАНИЯ ТОЛЩИ ПОРОД
THERMAL EXPANSION ACCOMMODATION FOR SYSTEMS WITH CIRCULATING FLUID MEDIUM, USED FOR ROCKS THICKNESS HEATING

Область техники, к которой относится изобретение
Настоящее изобретение, в целом, относится к способам и системам для добычи углеводородов, водорода и/или других продуктов из различных подземных пластов, таких как пласты, содержащие углеводороды. Более конкретно, изобретение относится к системам и способам нагревания подземных пластов, содержащих углеводороды.
Уровень техники
Углеводороды, добываемые из подземных пластов, часто используют в качестве энергетических ресурсов, в качестве сырья и в качестве потребительских товаров. Обеспокоенность истощением доступных углеводородных ресурсов и обеспокоенность спадом общего качества производимых углеводородов привело к развитию процессов для более эффективного восстановления, обработки и/или использования доступных углеводородных ресурсов. Процессы в пласте могут быть использованы для извлечения углеводородных материалов из толщи пород. Может потребоваться изменение химических и/или физических свойств углеводородного материала в подземном пласте, чтобы позволить более просто изъять углеводородный материал из подземного пласта. Химические и/или физические свойства могут включать в себя проходящие на месте реакции, которые производят извлекаемые текучие среды, изменения состава, изменения растворимости, изменения плотности, фазовые изменения и/или изменения вязкости углеводородного материала в пласте. Текучая среда может представлять собой, но, не ограничиваясь, газ, жидкость, эмульсию, буровой раствор и/или поток твердых частиц, обладающий характеристиками потока, аналогичными потоку жидкости.
В патенте США №7575052, выданном Сандбергу и др., описан процесс обработки в пласте, который использует систему циркуляции для нагревания одной или нескольких обрабатываемых областей. Система циркуляции может использовать нагретую жидкую текучую среду для теплопередачи, которая проходит через трубопровод в пласте, чтобы передать теплоту в пласт.
В публикации заявки на патент США 2008-0135254 Винегара и др. описана система и способы для осуществления процесса термообработки в пласте, которые используют систему циркуляции для нагревания одной или нескольких обрабатываемых областей. Система циркуляции использует нагретую жидкую текучую среду для теплопередачи, которая проходит через трубопровод в пласте, чтобы передать теплоту в пласт. В некоторых вариантах осуществления трубопровод расположен, по меньшей мере, в двух скважинах.
В публикации заявки на патент США 2009-0095476 Нгуена и др. описана нагревательная система для толщи пород, которая включает в себя канал, расположенный в скважине в подземном пласте. В канале расположен изолированный проводник. В канале между участком изолированного проводника и участком канала расположено вещество. Вещество может представлять собой соль. При рабочей температуре нагревательной системы вещество представляет собой текучую среду. Тепло передают от изолированного проводника в текучую среду, от текучей среды в канал и от канала в толщу пород.
Предпринималось значительное количество попыток разработать способы и системы, чтобы экономично добывать углеводороды, водород и/или другие продукты из пластов, содержащих углеводороды. Тем не менее, в настоящее время все еще имеется много пластов, содержащих углеводороды, из которых нельзя экономично добыть углеводороды, водород и/или другие продукты. Также имеется потребность в усовершенствовании способов и систем, которые сокращают затраты энергии для обработки пласта, снижают выбросы от процессов обработки, упрощают установку нагревательной системы и/или сокращают утечки тепла в перекрывающей породе по сравнению с процессами извлечения углеводородов, в которых используют наземное оборудование.
Раскрытие изобретения
Варианты осуществления, описанные в этом документе, в целом, относятся к системам, способам и нагревателям для обработки подземных пластов. Варианты осуществления, описанные в этом документе, также, в целом, относятся к нагревателям, имеющим в своем составе новые компоненты. Такие нагреватели можно получить путем использования систем и способов, описанных в этом документе.
В отдельных вариантах осуществления в изобретении предложена одна или несколько систем, способов и/или нагревателей. В некоторых вариантах осуществления системы, способы и/или нагреватели используют для обработки толщи пород.
В отдельных вариантах осуществления способ аккомодации теплового расширения нагревателя в пласте включает в себя этапы, на которых: обеспечивают протекание теплоносителя через канал, чтобы передать теплоту в пласт; и обеспечивают по существу постоянное натяжение концевого участка канала, который проходит за пределы пласта, причем, по меньшей мере, часть концевого участка канала намотана на подвижное колесо, используемое для создания натяжения канала.
В отдельных вариантах осуществления система аккомодации теплового расширения нагревателя в пласте включает в себя канал, выполненный с возможностью передачи теплоты в пласт, когда теплоноситель протекает через канал; и подвижное колесо, причем, по меньшей мере, часть концевого участка канала намотана на колесо, а подвижное колесо используют для поддерживания по существу постоянного натяжения канала для аккомодации расширения канала, когда теплоноситель протекает через канал.
В дополнительных вариантах осуществления признаки специфических вариантов осуществления могут быть скомбинированы с признаками других вариантов осуществления. Например, признаки одного варианта осуществления могут быть скомбинированы с признаками любого другого варианта осуществления.
В дополнительных вариантах осуществления обработку толщи пород осуществляют с использованием любого из способов, систем, источников питания или нагревателей, описанных в этом документе.
В дополнительных вариантах осуществления к специфическим вариантам осуществления, описанным в этом документе, могут быть добавлены дополнительные признаки.
Краткое описание чертежей
Преимущества настоящего изобретения могут стать очевидными специалистам в области техники, благодаря нижеследующему подробному описанию и при обращении к сопровождающим чертежам.
На фиг. 1 показан схематический вид варианта осуществления участка системы термической обработки, предназначенной для обработки пласта, содержащего углеводороды.
На фиг. 2 приведено схематическое представление системы для нагревания пласта, использующей систему циркуляции. На фиг. 3 изображен сильфон.
На фиг. 4А показан трубопровод с расширительной петлей над устьем скважины для аккомодации теплового расширения.
На фиг. 4В показан трубопровод со спирально свернутым или намотанным трубопроводом над устьем скважины для аккомодации теплового расширения.
На фиг. 4С показан трубопровод со спирально свернутым или намотанным трубопроводом в изолированном объеме над устьем скважины для аккомодации теплового расширения.
На фиг. 5 показан участок трубопровода в перекрывающей породе после того, как возникло тепловое расширение.
На фиг. 6 показан участок трубопровода с более чем одним каналом в перекрывающей породе после того, как возникло тепловое расширение.
На фиг. 7 изображено устье скважины со скользящим уплотнением.
На фиг. 8 приведена система, в которой теплоноситель в канале передают в зафиксированный канал или из него.
На фиг. 9 приведена система, в которой зафиксированный канал прикреплен к устью скважины.
На фиг. 10 изображен вариант осуществления уплотнений.
На фиг. 11 изображен вариант осуществления уплотнений, канала и другого канала, закрепленного с помощью блокировочных механизмов.
На фиг. 12 показан вариант осуществления, где блокировочные механизмы посажены на место с использованием мягких металлических уплотнений.
На фиг. 13 изображена U-образная скважина, при этом в скважине расположен нагреватель.
На фиг. 14 изображена U-образная скважина, при этом нагреватель соединен с натяжным колесом.
Хотя в изобретение допускает различные модификации и альтернативные формы, отдельные варианты его осуществления показаны на чертежах в качестве примера и будут описаны подробно. Чертежи могут не быть выполненными в масштабе. Тем не менее, следует понимать, что не предполагается, что чертежи и подробное описание ограничивают изобретение конкретной описанной формой, а наоборот, предполагается, что оно покрывает все модификации, эквиваленты и альтернативы, попадающие под сущность и объем настоящего изобретения, как задано прилагаемой формулой определения.
Осуществление изобретения
Нижеследующее описание, в целом, относится к системам и способам обработки углеводородов в пластах. Такие пласты могут быть обработаны для добычи углеводородных продуктов, водорода и других продуктов.
Термин "плотность в градусах АНИ (Американского нефтяного института)" относится к плотности в градусах АНИ при 15,5°C (60°F). Плотность определяют с помощью способа D6822 или D1298 ASTM.
"АОИМ" обозначает Американское общество испытания материалов.
В контексте нагревательных систем со сниженной теплоотдачей, устройств и способов, термин "автоматически" означает определенное функционирование систем, устройств и способов без использования внешних органов управления (например, внешних контроллеров, таких как контроллер с датчиком температуры и обратной связью, ПИД-регулятор или предсказывающий контроллер).
Термин "асфальт/битум" относится к полутвердому, вязкому материалу, растворимому в сероуглероде. Асфальт/битум может быть получен в результате операций очистки или из толщи пород.
"Углеродное число" означает число атомов углерода в молекуле. Углеводородный флюид может включать в себя углеводороды с различными углеродными числами. Углеводородный флюид можно описать распределением углеродного числа. Углеродные числа и/или распределения углеродных чисел можно определить с помощью распределения истинной точки кипения и/или газо-жидкостной хроматографии.
"Конденсируемые углеводороды" - это углеводороды, которые конденсируются при 25°C и значении абсолютного давления, равном одной атмосфере. Конденсируемые углеводороды могут включать в себя смесь углеводородов, углеродное число которых больше 4. "Неконденсируемые углеводороды" - это углеводороды, которые не конденсируются при 25°C и значении абсолютного давления, равном одной атмосфере. Неконденсируемые углеводороды могут включать в себя углеводороды, углеродное число которых меньше 5.
"Текучая среда" может представлять собой, но, не ограничиваясь, газ, жидкость, эмульсию, буровой раствор и/или поток твердых частиц, обладающий характеристиками потока, аналогичными потоку жидкости.
Термин "пласт" включает в себя один или несколько содержащих углеводороды слоев, один или несколько неуглеводородных слоев, перекрывающих и/или подстилающих. Выражение "углеводородные слои" относится к слоям в пласте, которые содержат углеводороды. Углеводородные слои могут содержать неуглеводородный материал и углеводородный материал. Термины "перекрывающая порода" и/или "подстилающая порода" включают в себя один или несколько различных типов непроницаемых материалов. Например, перекрывающая и/или подстилающая порода может включать в себя скальную породу, сланец, аргиллит или влажную/плотную карбонатную породу. В некоторых вариантах осуществления в процессах термообработки пласта перекрывающая и/или подстилающая порода может включать в себя слои, содержащие углеводороды, или слои, не содержащие углеводороды, которые являются сравнительно непроницаемыми и не подвергаются воздействию температуры во время процесса термообработки пласта, что приводит к значительным изменениям характеристик слоев, содержащих углеводороды, перекрывающей и/или подстилающей породы. Например, подстилающая порода может содержать сланец или аргиллит, но во время термообработки пласта не допускается нагрев подстилающей породы до температур пиролиза. В некоторых случаях перекрывающая порода и/или подстилающая порода могут быть в какой-то степени проницаемыми.
Выражение "пластовый флюид" означает текучие среды, присутствующие в пласте, и могут включать в себя текучие среды пиролиза, синтез-газ, подвижные углеводороды и воду (пар). Пластовые флюиды могут включать в себя углеводородные флюиды, а также неуглеводородные флюиды. Термин "подвижные флюиды" означает флюиды в пласте, содержащем углеводороды, которые могут перетекать в результате термообработки пласта. Термин "добываемые флюиды" относится к флюидам, извлекаемым из пласта.
Выражение "источник тепла" представляет собой любую систему для подачи тепла, по меньшей мере, на участок пласта по существу с помощью кондуктивной/лучистой теплопередачи. Например, источник тепла может включать в себя электропроводные материалы и/или электронагреватели, такие как изолированный проводник, вытянутый элемент и/или проводник, расположенные в канале. Источник тепла также может включать в себя системы, которые вырабатывают теплоту путем сжигания топлива, являющегося внешним по отношению к пласту, или находящегося в пласте. Системы могут представлять собой поверхностные горелки, скважинные газовые горелки, беспламенные распределенные камеры сгорания и природные распределенные камеры сгорания. В некоторых вариантах осуществления тепло, подаваемое или вырабатываемое в одном или нескольких источниках тепла, может снабжаться другими источниками энергии. Другие источники энергии могут непосредственно нагревать пласт, либо энергия может передаваться на передающую среду, которая непосредственно или косвенно нагревает пласт. Следует понимать, что один или несколько источников тепла, которые подводят тепло к пласту, используют различные источники энергии. Таким образом, например, для данного пласта некоторые источники тепла могут подавать тепло от электропроводных материалов, резистивных электронагревателей, некоторые источники тепла могут подавать тепло от процесса горения, а некоторые источники тепла могут подавать тепло от одного или нескольких других источников энергии (например, от химических реакций, солнечную энергию, энергию ветра, биомассы или других источников возобновляемой энергии). Химическая реакция может включать в себя экзотермическую реакцию (например, реакцию окисления). Источник тепла также может включать в себя электропроводный материал и/или нагреватель, который подает тепло в зону, расположенную возле и/или окружающую место нагревания, такую как нагревательная скважина.
"Нагреватель" - это любая система или источник тепла, предназначенный для выработки теплоты в скважине или в области возле скважины. Нагреватели могут представлять собой электронагреватели, горелки, камеры сгорания, которые осуществляют реакцию с веществом, расположенным или добываемым из пласта, и/или их сочетания, но, не ограничиваясь этим.
"Тяжелые углеводороды" - это вязкие углеводородные флюиды. Тяжелые углеводороды могут включать в себя высоковязкие углеводородные флюиды, такие как сырая нефть, смола и/или асфальт. Тяжелые углеводороды могут включать в себя углерод и водород, а также меньшие концентрации серы, кислорода и азота. Дополнительные элементы также могут присутствовать в тяжелых углеводородах в незначительных количествах. Тяжелые углеводороды можно классифицировать посредством плотности в градусах АНИ. Тяжелые углеводороды, в общем, обладают плотностью менее 20° АНИ. Сырая нефть, например, в целом, имеет плотность около 10-20° АНИ, в то время как смола имеет плотность менее 10° АНИ. Вязкость тяжелых углеводородов, в целом, больше примерно 100 сантипуазов при 15°C. Тяжелые углеводороды могут включать в себя ароматические соединения или другие сложные циклические углеводороды.
Тяжелые углеводороды можно обнаружить в сравнительно проницаемом пласте. Сравнительно проницаемый пласт может включать в себя тяжелые углеводороды, захваченные, например, песком или карбонатом. Выражение "сравнительно проницаемый" касательно пластов или их участков означает, что средняя проницаемость составляет 10 миллидарси или более (например, 10 или 100 миллидарси). "Сравнительно низкая проницаемость" касательно пластов или их участков означает, что средняя проницаемость составляет менее 10 миллидарси. Один дарси равен примерно 0,99 мкм. Непроницаемый слой, в общем, имеет проницаемость менее чем примерно 0,1 миллидарси.
Отдельные типы пластов, которые включают в себя тяжелые углеводороды, также могут включать в себя природные минеральные воски или природные асфальтиты. "Природные минеральные воски" обычно образуются в по существу трубчатых прожилках, которые могут иметь несколько метров в ширину, несколько километров в длину и сотни метров в глубину. "Природные асфальтиты" включают в себя твердые углеводороды ароматических соединений и обычно образуются в больших жилах.
Извлечение из пластов углеводородов, таких как природные минеральные воски и природные асфальтиты, может включать в себя плавление, чтобы получить жидкие углеводороды, и/или добычу углеводородов из пластов растворением.
"Углеводороды", в общем, определяют как молекулы, образованные преимущественно из атомов углерода и водорода. Углеводороды также могут включать в себя другие элементы, такие как галогены, металлические элементы, азот, кислород и/или сера, но, не ограничиваясь этим. Углеводороды могут представлять собой кероген, битум, пиробитум, масла, природные минеральные воски и асфальтиты. Углеводороды могут быть расположены в скелетных породах в земле или примыкать к ним. Скелетные породы включают в себя осадочные породы, пески, силицилиты, карбонаты, диатомиты и другие пористые среды, но, не ограничиваясь этим. "Углеводородные флюиды" представляют собой флюиды, содержащие углеводороды. Углеводородные флюиды могут включать в себя, охватывать или быть охваченными неуглеводородными флюидами, такими как водород, азот, окись углерода, двуокись углерода, сероводород, вода и аммиак.
Выражение "процесс преобразования в пласте" относится к процессу нагревания пласта, содержащего углеводороды, с помощью источников тепла, чтобы поднять температуру, по меньшей мере, части пласта до температуры, превышающей температуру пиролиза, чтобы в пласте образовывался пиролизный флюид.
Выражение "процесс термообработки в пласте" относится к процессу нагревания пласта, содержащего углеводороды, с помощью источников тепла, чтобы поднять температуру, по меньшей мере, части пласта до температуры, превышающей температуру, при которой возникает подвижный флюид, висбрекинг и/или пиролиз материала, содержащего углеводороды, чтобы в пласте образовывались подвижные флюиды, флюиды висбрекинга и/или пиролизные флюиды.
Термин "изолированный проводник" означает любой вытянутый материал, который способен проводить электричество и который полностью или частично покрыт электроизоляционным материалом.
"Кероген" представляет собой твердый, нерастворимый углеводород, преобразованный путем естественной деградации, и который в принципе содержит углерод, водород, азот, кислород и серу. Уголь и нефтеносный сланец являются типичными примерами материалов, содержащих кероген. "Битум" - это некристаллический твердый или вязкий углеводородный материал, который по существу растворим в сероуглероде. "Нефть" - это текучая среда содержащая смесь конденсируемых углеводородов.
Термин "перфорация" включает в себя отверстия, прорези, проемы или дырки в стенке канала, трубы, трубопровода или другой направляющей потока, которые позволяют втекать или вытекать из канала, трубы, трубопровода или другой направляющей потока.
"Пиролиз" представляет собой разрыв химических связей под действием прикладываемого тепла. Например, пиролиз может включать в себя преобразование соединения в одну или несколько других субстанций только под воздействием тепла. Тепло может быть передано к участку пласта для того, чтобы возник пиролиз.
"Пиролизные флюиды" или "продукты пиролиза" относятся к флюидам, полученным по существу во время процесса пиролиза углеводородов. Флюиды, полученные при реакциях пиролиза, могут смешиваться с другими флюидами в пласте. Смесь можно рассматривать в качестве пиролизного флюида или продукта пиролиза. Используемый в этом документе термин "зона пиролиза" относится к объему пласта (например, сравнительно проницаемого пласта, такого как пласт нефтеносных песков), который подвергают реакции, или в котором происходит реакция для образования пиролизного флюида.
"Обогащенные слои" в пласте, содержащем углеводороды, представляют собой сравнительно тонкие слои (обычно около от 0,2 м до 0,5 м толщиной). Обогащенность обогащенных слоев, в целом, составляет около 0,150 л/кг или больше. Обогащенность некоторых обогащенных слоев составляет около 0,170 л/кг или больше, около 0,190 л/кг или больше или 0,210 л/кг или больше. Обогащенность бедных слоев, в целом, составляет около 0,100 л/кг или меньше, и они, в общем, толще, чем обогащенные слои. Обогащенность и местоположения слоев определяют, например, путем взятия керновой пробы и последующего анализа керна методом Фишера, выполнения плотностного или нейтронного каротажа или других способов каротажа. Обогащенные слои обладают более низкой начальной теплопроводностью, чем другие слои пласта. Обычно теплопроводность обогащенных слоев от 1,5 до 3 раз ниже, чем теплопроводность бедных слоев. Кроме того, коэффициент теплового расширения обогащенных слоев больше, чем у бедных слоев пласта.
Выражение "суперпозиция тепла" относится к подаче тепла от двух или нескольких источников тепла в выбранный участок пласта, так что на температуру пласта, по меньшей мере, в одном месте между источниками тепла влияют источники тепла.
"Синтез-газ" - это смесь, включающая в себя водород и окиси углерода. Дополнительные компоненты синтез-газа могут включать в себя воду, углекислый газ, азот, метан и другие газы. Синтез-газ может вырабатываться в результате множества процессов и из разных исходных материалов. Синтез-газ может быть использован для синтеза широкого диапазона соединений.
"Смола" представляет собой вязкий углеводород, вязкость которого, в целом, превосходит примерно 10000 сантипуазов при 15°С. Удельный вес смолы, в общем, превосходит 1. Смола может обладать плотностью менее 10° АНИ.
"Пласт нефтеносных песков" представляет собой пласт, в котором углеводороды преимущественно присутствуют в форме тяжелых углеводородов и/или смолы, захваченной в гранулярном минеральном скелете породы или в другой литологии вмещающих пород (например, в песке или карбонате). Примеры пластов нефтеносных песков включают в себя такие месторождения, как месторождение Атабаска, месторождение Гросмонт и месторождение Пис-Ривер, все три расположены в провинции Альберта, Канада; и месторождение Файа в нефтеносном поясе реки Ориноко в Венесуэле.
"Нагреватель с ограничением рабочих температур", в целом, представляет собой нагреватель, который регулирует теплоотдачу (например, снижает теплоотдачу) при температуре, превышающей заданную, без использования внешних органов управления, таких как контроллеры температуры, регуляторы мощности, ректификаторы или другие устройства. Нагреватели с ограничением рабочих температур могут представлять собой электрические резистивные нагреватели, работающие от переменного тока (АС) или модулированного (например, "ограниченного") постоянного тока (DC).
"Толщина" слоя означает толщину поперечного сечения слоя, причем поперечное сечение проходит по нормали к поверхности слоя.
"U-образная скважина" представляет собой скважину, которая проходит от первого отверстия в пласте через, по меньшей мере, часть пласта и выходит через второе отверстие в пласте. В этом контексте скважина может иметь форму в виде буквы "v" или "и" только в грубом приближении, при этом надо понимать, что, чтобы рассматривать скважину в качестве "u-образной", "ножки" буквы "u" не обязательно должны быть параллельными друг относительно друга или перпендикулярными "дну" буквы "u".
Термин "обогащать" относится к увеличению качества углеводородов. Например, обогащение тяжелых углеводородов может привести к увеличению плотности тяжелых углеводородов.
Термин "висбрекинг" относится к распутыванию молекул в текучей среде во время термообработки и/или к распаду больших молекул на меньшие молекулы во время термообработки, что приводит к снижению вязкости текучей среды.
"Вязкость" означает кинематическую вязкость при 40°C, если не указано иное. Вязкость определяют с помощью способа D445 ASTM.
"Воск" относится к легкоплавкой органической смеси или соединению с высоким молекулярным весом, которое является твердым при низких температурах и жидким при более высоких температурах, и, являясь твердым, может образовывать барьер для воды. Примеры восков включают в себя животный воск, растительный воск, минеральный воск, нефтяной парафин и синтетический воск.
Термин "скважина" обозначает отверстие в пласте, выполненное посредством бурения или вставки канала в пласт. Скважина может иметь по существу круглое поперечное сечение или другую форму поперечного сечения. Используемые в этом документе термины "колодец" и "отверстие" в контексте отверстия в пласте могут быть взаимозаменяемыми с термином "скважина".
Чтобы получить разные продукты, пласт может быть подвергнут обработке различными способами. Для обработки пласта во время процесса термообработки могут использоваться различные этапы или процессы. В некоторых вариантах осуществления один или несколько участков пласта разрабатывают растворением, чтобы удалить растворимые минералы из участков. Добываемые растворением минералы могут быть произведены до, во время и/или после процесса термообработки пласта. В некоторых вариантах осуществления средняя температура одного или нескольких участков, добычу из которых осуществляют растворением, может поддерживаться ниже примерно 120°C.
В некоторых вариантах осуществления один или несколько участков пласта нагревают, чтобы удалить воду из участков и/или чтобы удалить метан и другие летучие углеводороды из участков. В некоторых вариантах осуществления в процессе удаления воды и летучих углеводородов средняя температура может быть поднята от температуры окружающей среды до температур ниже примерно 220°C.
В некоторых вариантах осуществления один или несколько участков пласта нагревают до температур, которые допускают перемещение и/или висбрекинг углеводородов в пласте. В некоторых вариантах осуществления средняя температура одного или нескольких участков пласта может быть поднята до температур активации углеводородов в участках (например, до температур из диапазона от 100°C до 250°C, от 120°C до 240°C или от 150°C до 230°C).
В некоторых вариантах осуществления один или несколько участков нагревают до температур, которые допускают реакции пиролиза в пласте. В некоторых вариантах осуществления средняя температура одного или нескольких участков пласта может быть поднята до температур пиролиза углеводородов в участках (например, до температур из диапазона от 230°C до 900°C, от 240°C до 400°C или от 250°C до 350°C).
Нагревание пласта, содержащего углеводороды, с помощью нескольких источников тепла может установить термические градиенты вокруг источников тепла, которые поднимают температуру углеводородов в пласте до желаемых температур с желаемыми скоростями нагрева. Скорость увеличения температуры через диапазон температур активации и/или диапазон температур пиролиза для желаемых продуктов может повлиять на качество и количество пластовых флюидов, получаемых из пласта, содержащего углеводороды. Медленно поднимая температуру пласта через диапазон температур активации и/или диапазон температур пиролиза, можно допустить получение из пласта углеводородов высокого качества, высокой плотности. Медленно поднимая температуру пласта через диапазон температур активации и/или диапазон температур пиролиза, можно позволить извлечь большое количество углеводородов, присутствующих в пласте в качестве углеводородного продукта.
В некоторых вариантах осуществления термообработки пласта участок пласта нагревают до желаемой температуры вместо медленного нагрева через диапазон температур. В некоторых вариантах осуществления желаемая температура составляет 300°C, 325°C или 350°C. В качестве желаемой температуры можно выбрать другое значение.
Суперпозиция теплоты от источников тепла позволяет установить в пласте желаемую температуру сравнительно быстро и эффективно. Подводимая в пласт энергия от источников тепла может быть отрегулирована так, чтобы поддерживать в пласте по существу желаемую температуру.
Продукты активации и/или пиролиза могут быть получены из пласта через эксплуатационные скважины. В некоторых вариантах осуществления среднюю температуру одного или нескольких участков поднимают до температур активации, и из эксплуатационных скважин получают углеводороды. Средняя температура одного или нескольких участков может быть поднята до температур пиролиза после того, как выход из-за активации опустится ниже выбранного значения. В некоторых вариантах осуществления средняя температура одного или нескольких участков может быть поднята до температур пиролиза без значительного выхода до достижения температур пиролиза. Пластовые флюиды, включая продукты пиролиза, могут быть получены через эксплуатационные скважины.
В некоторых вариантах осуществления средняя температура одного или нескольких участков может быть поднята до температур достаточных для того, чтобы после активации и пиролиза допустить выход синтез-газа. В некоторых вариантах осуществления, углеводороды могут быть нагреты до температур, достаточных для того, чтобы допустить выход синтез-газа без значительного выхода до достижения температур, достаточных для того, чтобы допустить выход синтез-газа. Например, синтез-газ может быть получен в диапазоне температур примерно от 400°C до 1200°C, от 500°C до 1100°C или от 550°C до 1000°C. Текучая среда, вырабатывающая синтез-газ (например, пар и/или вода) может быть введена в участки для выработки синтез-газа. Синтез-газ может быть получен из эксплуатационных скважин.
Добыча растворением, извлечение летучих углеводородов и воды, активация углеводородов, пиролиз углеводородов, выработка синтез-газа и/или другие процессы могут быть выполнены во время процесса термообработки пласта. В некоторых вариантах осуществления некоторые процессы могут быть выполнены после процесса термообработки пласта. Такие процессы могут включать в себя восстановление тепла от обработанных участков, сохранение текучих сред (например, воды и/или углеводородов) в ранее обработанных участках и/или отделение диокиси углерода в ранее обработанных участках.
На фиг. 1 показан схематический вид варианта осуществления участка системы термической обработки, предназначенной для обработки пласта, содержащего углеводороды. Система термической обработки пласта может включать в себя барьерные скважины 200. Барьерные скважины используют для того, чтобы образовать барьер вокруг обрабатываемой области. Барьер препятствует потоку флюидов в и/или из обрабатываемой области. Барьерная скважина включает в себя водопонижающие скважины, вакуумные скважины, захватывающие скважины, нагнетательные скважины, цементирующие скважины, морозильные скважины и их сочетания, но, не ограничиваясь этим. В некоторых вариантах осуществления барьерные скважины 200 представляют собой водопонижающие скважины. Водопонижающие скважины могут удалять жидкую воду и/или препятствовать поступлению жидкой воды в участок пласта, который надо нагреть, или в нагреваемый пласт. В варианте осуществления, показано на фиг. 1, барьерные скважины 200 показаны проходящими только вдоль одной стороны источников 202 тепла, но барьерные скважины обычно окружают все используемые источники 202 тепла или источники, которые надо использовать, чтобы нагреть обрабатываемую область пласта.
Источники 202 тепла размещают, по меньшей мере, в части пласта. Источники 202 тепла могут включать в себя нагреватели, такие как изолированные проводники, нагреватели с проводником в канале, поверхностные горелки, беспламенные распределенные камеры сгорания и/или природные распределенные камеры сгорания. Источники 202 тепла также могут включать в себя другие типы нагревателей. Источники 202 тепла подают тепло, по меньшей мере, в часть пласта, чтобы нагреть углеводороды в пласте. Энергия может подаваться к источникам 202 тепла через линии 204 питания. Лини 204 питания могут структурно отличаться, в зависимости от типа источника тепла или источников тепла, используемых для нагрева пласта. Линии 204 питания для источников тепла могут передавать электричество для электронагревателей, топливо для камер сгорания, или могут передавать теплообменную текучую среду, которая циркулирует в пласте. В некоторых вариантах осуществления электричество для процесса термообработки пласта может обеспечиваться атомной электростанцией или атомными электростанциями. Использование атомной энергии может позволить сократить или ограничить выбросы окиси углерода в процессе термообработки пласта.
Когда пласт нагревают, поступление тепла в пласт может вызвать расширение пласта и геомеханическое перемещение. Источники тепла могут быть включены до, вместе или во время процесса обезвоживания. Реакцию пласта на нагрев можно смоделировать посредством компьютерной симуляции. Компьютерная симуляция может быть использована для разработки шаблона и последовательности активизации источников тепла в пласте так, чтобы геомеханическое перемещение пласта не оказало неблагоприятного воздействия на функциональность источников тепла, эксплуатационных скважин и другого оборудования в пласте.
Нагрев пласта может привести к увеличению проницаемости и/или пористости пласта. Увеличение проницаемости и/или пористости может привести к сокращению массы в пласте из-за испарения и удаления воды, удаления углеводородов и/или возникновения трещин. Текучая среда может легко течь в нагретый участок пласта, благодаря увеличенной проницаемости и/или пористости пласта. Благодаря увеличенной проницаемости и/или пористости пласта, текучая среда в нагретом участке пласта может перемещаться на значительное расстояние через пласт. Значительное расстояние может превышать 1000 м, в зависимости от различных факторов, таких как проницаемость пласта, свойства текучей среды, температура пласта и градиент давления, допускающий перемещение текучей среды. Способность текучей среды перемещаться на значительное расстояние в пласте позволяет расположить эксплуатационные скважины 206 сравнительно далеко от пласта.
Эксплуатационные скважины 206 используют для извлечения пластового флюида из пласта. В некоторых вариантах осуществления эксплуатационная скважина 206 включает в себя источник тепла. Источник тепла в эксплуатационной скважине может нагревать один или несколько участков пласта в эксплуатационной скважине или рядом с ней. В некоторых вариантах осуществления процесса термообработки пласта количество теплоты, подаваемой в пласт от эксплуатационной скважины на метр эксплуатационной скважины, меньше, чем количество теплоты, подаваемой в пласт от источника тепла, который нагревает пласт, на метр источника тепла. Теплота, подаваемая в пласт от эксплуатационной скважины, может увеличить проницаемость пласта возле эксплуатационной скважины посредством испарения и удаления флюида жидкой фазы возле эксплуатационной скважины и/или путем увеличения проницаемости пласта возле эксплуатационной скважины из-за формирования макро и/или микротрещин.
В эксплуатационной скважине может быть расположено более одного источника тепла. Источник тепла в нижнем участке эксплуатационной скважины может быть выключен, если суперпозиция теплоты от смежных источников тепла нагревает пласт достаточно, чтобы нейтрализовать преимущества, обеспечиваемые нагревом пласта от эксплуатационной скважины. В некоторых вариантах осуществления источник тепла в верхнем участке эксплуатационной скважины может оставаться включенным после выключения источника тепла в нижнем участке эксплуатационной скважины. Источник тепла в верхнем участке скважины может препятствовать конденсации и обратному стоку пластового флюида.
6
В некоторых вариантах осуществления источник тепла в эксплуатационной скважине 206 позволяет удалять пластовые флюиды в виде пара из пласта. Обеспечение нагрева в эксплуатационной скважине или через нее может: (1) препятствовать конденсации и/или обратному стоку пластового флюида, если такой пластовый флюид перемещается в эксплуатационной скважине вблизи от перекрывающей породы, (2) увеличить поступление тепла в пласт, (3) увеличить дебит эксплуатационной скважины по сравнению с эксплуатационной скважиной без источника тепла, (4) препятствовать конденсации высокоуглеродистых соединений (С углеводородов и более тяжелых) в эксплуатационной скважине и/или (5) увеличить проницаемость пласта в эксплуатационной скважине или возле нее.
Подземное давление в пласте может соответствовать давлению текучей среды, вырабатываемой в пласте. По мере увеличение температур в нагретом участке давление в нагретом участке может увеличиваться в результате теплового расширения присутствующих в нем флюидов, увеличенного образования флюидов и испарения воды. Управляя скоростью удаления флюидов из пласта, можно управлять давлением в пласте. Давление в пласте можно определить во множестве различных мест, например, возле эксплуатационной скважины или в ней, возле или у источников тепла или в контрольных скважинах.
В некоторых пластах, содержащих углеводороды, препятствуют выходу углеводородов из пласта до тех пор, пока, по меньшей мере, некоторые углеводороды в пласте не будут активированы и/или пиролизованы. Пластовый флюид может быть получен из пласта, когда пластовый флюид обладает выбранным свойством. В некоторых вариантах осуществления выбранное свойство включает в себя плотность в градусах АНИ, равную, по меньшей мере, 20°, 30° или 40°. Препятствие выходу до тех пор, пока, по меньшей мере, некоторые углеводороды в пласте не будут активированы и/или пиролизованы, может увеличить преобразование тяжелых углеводородов в легкие углеводороды. Препятствие начальному выходу может минимизировать выход тяжелых углеводородов из пласта. Выход существенного количества тяжелых углеводородов может потребовать дорогостоящего оборудования и/или сокращения срока службы производственного оборудования.
В некоторых пластах, содержащих углеводороды, углеводороды в пласте могут быть нагреты до температур активации и/или пиролиза до того, как в нагретом участке пласта возникнет существенная проницаемость. Начальное отсутствие проницаемости может препятствовать транспортировке выработанных флюидов к эксплуатационным скважинам 206. Во время начального нагревания давление флюидов в пласте может увеличиваться возле источников 202 тепла. Увеличенное давление флюидов может быть сброшено, проконтролировано, изменено и/или может управляться с помощью одного или нескольких источников 202 тепла. Например, выбранные источники 202 тепла или отдельные скважины понижения давления могут включать в себя клапаны понижения давления, которые позволяют удалить некоторые флюиды из пласта.
В некоторых вариантах осуществления может допускаться увеличение давления, возникающего из-за расширения подвижных флюидов пиролизных флюидов или других флюидов, выработанных в пласте, несмотря на то, что в пласте может еще отсутствовать открытый путь к эксплуатационным скважинам 206 или другая утечка давления. Может допускаться увеличение давления флюидов до пластового давления. Трещины в пласте, содержащем углеводороды, могут образовываться, если флюид достигает пластового давления. Например, в нагретом участке пласта могут образоваться трещины от источников 202 тепла до эксплуатационных скважин 206. Возникновение трещин в нагретом участке может сбросить часть давления в участке. Может быть необходимо поддерживать давление в пласте ниже выбранного давления, чтобы препятствовать нежелательному выходу, появлению трещин в перекрывающей или подстилающей породе и/или коксованию углеводородов в пласте.
После того, как достигнуты температуры активации и/или пиролиза и разрешен выход из пласта, давление в пласте может быть изменено, чтобы изменить и/или управлять составом получаемого пластового флюида, чтобы управлять долей конденсирующегося флюида по сравнению с неконденсирующимся флюидом в пластовом флюиде и/или чтобы управлять плотностью получаемого пластового флюида. Например, снижение давление может привести к выходу большего количества компонента конденсирующегося флюида. Компонент конденсирующегося флюида может содержать большую долю олефинов.
В некоторых вариантах осуществления процесса термообработки пласта в пласте может удерживаться давление достаточно высокое, чтобы способствовать выходу пластового флюида, имеющего плотность в градусах АНИ более 20°. Поддерживание увеличенного давления в пласте может препятствовать оседанию пласта во время термообработки. Поддерживание увеличенного давления может снизить или устранить потребность в сжатии пластовых флюидов у поверхности, чтобы транспортировать флюиды по коллекторным каналам к очистным сооружениям.
Как ни удивительно, поддерживание увеличенного давления в нагретом участке пласта может допускать выход большого количества углеводородов повышенного качества и сравнительно малого молекулярного веса. Давление может поддерживаться так, что получаемый пластовый флюид обладает минимальным количеством соединений, углеродное число которых превосходит выбранное углеродное число. Выбранное углеродное число может быть не больше 25, не больше 20, не больше 12 или не больше 8. Некоторые соединения с высоким углеродным числом могут быть увлечены паром в пласте и могут быть удалены из пласта с паром. Поддерживание увеличенного давления в пласте может препятствовать увлечению паром соединений с высоким углеродным числом и/или полициклических углеводородных составляющих. Соединения с высоким углеродным числом и/или полициклические углеводородные составляющие могут оставаться в жидкой фазе в пласте в течение значительных периодов времени. Значительные периоды времени могут обеспечить достаточное время для того, чтобы соединения пиролизовались для образования соединений с низким углеродным числом.
2
2
2
Полагают, что выработка углеводородов, обладающих сравнительно низким молекулярным весом, частично происходит из-за автогенной выработки и реакции углеводорода в части пласта, содержащего углеводороды. Например, поддерживание увеличенного давления может заставить углеводород, выработанный во время пиролиза, перейти в жидкую фазу в пласте. Нагрев участка до температуры, находящейся в диапазоне температур пиролиза, может пиролизовать углеводороды в пласте для получения жидкой фазы пиролизных флюидов. Компоненты полученной жидкой фазы пиролизных флюидов могут включать в себя ненасыщенные связи и/или радикалы. Водород (Н) в жидкой фазе может сократить ненасыщенные связи выработанных пиролизных флюидов, тем самым, сокращая потенциал для полимеризации или образования длинноцепочечных соединений из выработанных пиролизных флюидов. Кроме того, Н также может нейтрализовать радикалы в выработанных пиролизных флюидах. Н в жидкой фазе может препятствовать возникновению реакции выработанных пиролизных флюидов друг с другом и/или с другими соединениями в пласте.
Пластовый флюид, полученный из эксплуатационных скважин 206, может быть транспортирован через коллекторный трубопровод 208 к очистным сооружениям. Пластовые флюиды также могут быть получены от источников 202 тепла. Например, флюид может быть получен от источников 202 тепла, чтобы управлять давлением в пласте, прилегающем к источникам тепла. Флюид, полученный от источников 202 тепла, может быть транспортирован через трубу или трубопровод в коллекторный трубопровод 208, или полученный флюид может быть транспортирован через трубу или трубопровод непосредственно к очистным сооружениям 210. Очистные сооружения 210 могут включать в себя сепарационные установки, реакторные установки, обогащающие установки, топливные элементы, турбины, сосуды для хранения и/или другие системы и установки для обработки полученных пластовых флюидов. Очистные сооружения могут получать транспортное топливо, по меньшей мере, из части добытых из пласта углеводородов. В некоторых вариантах осуществления транспортное топливо может представлять собой реактивное топливо, такое как JP-8.
В некоторых вариантах осуществления процесса термообработки пласта для нагрева пласта используют систему циркуляции. Использование системы циркуляции для термообработки пласта, содержащего углеводороды, может сократить затраты энергии для обработки пласта, сократить выбросы от процесса обработки и/или упростить установку нагревательной системы. В отдельных вариантах осуществления система циркуляции представляет собой систему замкнутой циркуляции. На фиг. 2 приведено схематическое представление системы для нагревания пласта, использующей систему циркуляции. Система может быть использована для нагревания углеводородов, расположенных сравнительно глубоко в земле, и которые расположены в сравнительно больших по протяженности пластах. В некоторых вариантах осуществления углеводороды могут залегать на глубине 100 м, 200 м, 300 м или глубже от поверхности. Система циркуляции также может быть использована для нагревания углеводородов, которые находятся на меньшей глубине под землей. Углеводороды могут залегать в пластах, которые имеют длину до 1000 м, 3000 м, 5000 м или больше. Нагреватели системы циркуляции могут быть расположены относительно соседних нагревателей так, что суперпозиция тепла между нагревателями системы циркуляции позволяет повысить температуру пласта, по меньшей мере, до температуры выше точки кипения водяного пластового флюида в пласте.
В некоторых вариантах осуществления нагреватели 220 формируют в пласте посредством бурения первой скважины и последующего бурения второй скважины, которая соединяется с первой скважиной. В u-образной скважине может быть размещен трубопровод, чтобы образовать u-образный нагреватель 220. Нагреватели 220 соединены с системой 226 циркуляции теплоносителя посредством трубопровода. В некоторых вариантах осуществления нагреватели располагают по треугольному шаблону. В некоторых вариантах осуществления могут использоваться другие правильные или неправильные шаблоны. В пласте также могут быть расположены эксплуатационные скважины и/или нагнетательные скважины. Эксплуатационные скважины и/или нагнетательные скважины могут иметь длинные, по существу горизонтальные участки, аналогичные нагревательным участкам нагревателей 220, или эксплуатационные скважины и/или нагнетательные скважины могут быть сориентированы иным образом (например, скважины могут быть вертикальными, или скважинами, включающими в себя один или несколько наклонных участков.
Как показано на фиг. 2, система 226 циркуляции теплоносителя может включать в себя источник 228 тепла, первый теплообменник 230, второй теплообменник 232 и двигатели 234 текучей среды. Источник 228 тепла нагревает теплоноситель до высокой температуры. Источник 228 тепла может представлять собой печь, солнечный коллектор, химический реактор, атомный реактор, топливный элемент и/или другой источник высокой температуры, способный подавать тепло для нагрева теплоносителя. Если теплоноситель является газом, то двигатели 234 текучей среды могут представлять собой компрессоры. Если теплоноситель является жидкостью, то двигатели 234 текучей среды могут представлять собой насосы.
После выхода из пласта 224 теплоноситель проходит через первый теплообменник 230 и второй теплообменник 232 к двигателям 234 текучей среды. Первый теплообменник 230 передает теплоту между теплоносителем, выходящим из пласта 224, и теплоносителем, выходящим из двигателей 234 текучей среды, чтобы повысить температуру теплоносителя, который поступает в источник 228 тепла, и снизить температуру теплоносителя, выходящего из пласта 224. Второй теплообменник 232 дополнительно снижает температуру теплоносителя. В некоторых вариантах осуществления второй теплообменник 232 включает в себя резервуар для теплоносителя или является им.
Теплоноситель проходит от второго теплообменника 232 к двигателям 234 текучей среды. Двигатели 234 текучей среды могут быть расположены до источника 228 тепла, так что двигатели текучей среды не обязательно должны работать при высокой температуре.
3
m
3
3
2
m
3
2
m
2
m
В некоторых вариантах осуществления теплоноситель представляет собой солевой расплав и/или расплавленный металл. В публикации заявки на патент США №2008-0078551 ДеВольта и др. описана система для размещения в скважине, при этом система включает в себя нагреватель в канале с жидким металлом между нагревателем и каналом для нагревания подземного грунта. Теплоноситель может представлять собой или включать в себя расплав таких солей, как соль, полученная естественным испарением воды, соли, представленные в Таблице 1, или другие соли. Расплавленные соли могут быть прозрачными в инфракрасном диапазоне, чтобы способствовать теплопередаче от изолированного проводника в контейнер. В некоторых вариантах осуществления соль, полученная естественным испарением воды, включает в себя нитрат натрия и нитрат калия (например, около 60% веса нитрата натрия и около 40% нитрата калия). Соль, полученная естественным испарением воды, плавится примерно при 220°C и является химически стабильной вплоть до температур около 593°C. Другие соли, которые можно использовать, включают в себя, но, не ограничиваясь, LiNO (температура плавления (Т) 264°C, а температура разложения около 600°C) и эвтектические смеси, такие как 53% веса KNO, 40% веса NaNO и 7% веса NaNO (T составляет около 142°C, а верхняя рабочая температура - свыше 500°C); 45,5% веса KNO и 54,5% веса NaNO (T около 142-145°C, верхняя рабочая температура - свыше 500°C); или 50% веса NaCl и 50% веса SrCl (T около 19°C верхняя рабочая температура - свыше 1200°C).
Таблица 1
Материал
Tm (°C)
T<sub>b</sub> (°C)
Zn
420
907
CdBr<sub>2</sub>
568
863
Cdl<sub>2</sub>
388
744
CuBr<sub>2</sub>
498
900
PbBr<sub>2</sub>
371
892
TIBr
460
819
TIF
326
826
Thl<sub>4</sub>
566
837
SnF<sub>2</sub>
215
850
Snl<sub>2</sub>
320
714
ZnCl<sub>2</sub>
290
732
Источник 228 тепла представляет собой печь, которая нагревает теплоноситель до температуры в диапазоне от примерно 700°C до 900°C, от 770°C до 870°C или от 800°C до 850°C. В варианте осуществления источник 228 тепла нагревает теплоноситель до температуры около 820°C. Теплоноситель перетекает от источника 228 тепла к нагревателям 220. Тепло передают от нагревателей 220 в пласт 224, прилегающий к нагревателям. Температура теплоносителя, выходящего из пласта 224, может быть в диапазоне от примерно 350°C до 580°C, от 400°C до 530°C или от 450°C до 500°C. В варианте осуществления температура теплоносителя, выходящего из пласта 224, составляет около 480°C. Металлургия трубопровода, используемого для создания системы 226 циркуляции теплоносителя, может меняться, чтобы значительно сократить издержки, связанные с трубопроводом. На участке от источника 228 тепла до точки, в которой температура достаточно низка, может использоваться жаропрочная сталь, так что от этой точки до первого теплообменника 230 может использоваться менее дорогая сталь. Для создания трубопровода системы 226 циркуляции теплоносителя может использоваться несколько различных марок стали.
Когда теплоноситель циркулирует через трубопровод в пласте для нагревания пласта, теплота теплоносителя может привести к изменениям в трубопроводе. Теплота в трубопроводе может снизить прочность трубопровода, так как модуль Юнга и другие характеристики прочности изменяются под воздействием температуры. Из-за высоких температур в трубопроводе могут возникнуть проблемы, связанные с вытягиванием, могут возникнуть прогибы, и трубопровод может перейти из области упругой деформации в область пластической деформации.
Нагревание трубопровода может привести к тепловому расширению трубопровода. Для длинных нагревателей, размещенных в скважине, трубопровод может расшириться от 0 до 20 м или больше. В некоторых вариантах осуществления горизонтальный участок трубопровода зацементирован в пласте с применением теплопроводного цемента. Следует озаботиться тем, чтобы гарантировать, что в цементе отсутствуют значительные разрывы, чтобы предотвратить расширение трубопровода в разрывах и возможные неисправности. Тепловое расширение трубопровода может привести к появлению неровностей на трубе и/или увеличению толщины стенки трубы.
Для длинных нагревателей с плавным радиусом изгиба (например, около 10° изгиба на 30 м), аккомодация теплового расширения трубопровода может осуществляться в перекрывающей породе или на поверхности пласта. После того, как тепловое расширение завершено, может быть закреплено положение нагревателей относительно устий скважин. Когда нагревание завершено и пласт остужен, может быть прекращено закрепление положение нагревателей, так что тепловое расширение не разрушает нагреватели.
На фиг. 3-13 изображены схематические представления различных способов для аккомодации теплового расширения. В некоторых вариантах осуществления изменение длины нагревателя из-за теплового расширения может быть вмещено над устьем скважины. После того, как существенные изменения длины нагревателя из-за теплового расширения прекращаются, положение нагревателя относительно устья скважины может быть зафиксировано. Положение нагревателя относительно устья скважины может оставаться зафиксированным до конца нагревания пласта. После завершения нагревания положение нагревателя относительно устья скважины может быть освобождено (прекращена фиксация), чтобы приспособиться к тепловому сокращению нагревателя по мере охлаждения нагревателя.
На фиг. 3 изображен сильфон 246. Длина L сильфона 246 может изменяться, чтобы приспособиться к тепловому расширению и/или сжатию трубопровода 248. Сильфон 246 может быть расположен под землей или над поверхностью земли. В некоторых вариантах осуществления сильфон 246 включает в себя текучую среду, которая передает тепло из устья скважины.
На фиг. 4А показан трубопровод 248 с расширительной петлей 250 над устьем 214 скважины для аккомодации теплового расширения. Скользящие уплотнения в устье 214 скважины, сальниковые устройства или другое оборудование для управления давлением в устье скважины позволяют трубопроводу 248 смещаться относительно обсадной трубы 216. Расширение трубопровода 248 поглощается расширительной петлей 250. В некоторых вариантах осуществления для аккомодации расширения трубопровода 248 применяют две или больше расширительных петель 250.
На фиг. 4В показан трубопровод 248 со спирально свернутым или намотанным трубопроводом 252 над устьем 214 скважины для аккомодации теплового расширения. Скользящие уплотнения в устье 214 скважины, сальниковые устройства или другое оборудование для управления давлением в устье скважины позволяют трубопроводу 248 смещаться относительно обсадной трубы 216. Расширение трубопровода 248 поглощается спирально свернутым трубопроводом 252. В некоторых вариантах осуществления расширение поглощается спирально свернутым на катушке участком нагревателя, выходящего из пласта, с использованием установки для наматывания гибкой трубы.
В некоторых вариантах осуществления спирально свернутый трубопровод 252 может быть закрыт в изолированном объеме 254, как показано на фиг. 4С. Закрытие спирально свернутого трубопровода в изолированном объеме 254 может сократить теплопотери от спирально свернутого трубопровода и текучих сред, находящихся в спирально свернутом трубопроводе. В некоторых вариантах осуществления диаметр спирально свернутого трубопровода 252 принимает значение от 2 футов (около 0,6 м) до 4 футов (около 1,2 м), чтобы вместить до 50 футов или до 30 футов (примерно 9,1 м) расширения трубопровода 248. В некоторых вариантах осуществления спирально свернутый трубопровод 252 имеет диаметр от 4 дюймов (около 0,1016 м) до 6 дюймов (около 0,1524 м).
На фиг. 5 показан участок трубопровода 248 в перекрывающей породе 218 после того, как возникло тепловое расширение. Обсадная труба 216 имеет большой диаметр, чтобы вместить прогиб трубопровода 248. Между перекрывающей породой 218 и обсадной трубой 216 может располагаться изоляционный цемент 242. Тепловое расширение трубопровода 248 приводит к спиральному или синусоидальному изгибанию трубопровода. Спиральное или синусоидальное изгибание трубопровода 248 поглощает тепловое расширение трубопровода, включая горизонтальный трубопровод, примыкающий к обрабатываемой области, которую нагревают. Как показано на фиг. 6, трубопровод может содержать более одного канала, расположенного в обсадной трубе 216 большого диаметра. Наличие трубопровода 248 с несколькими каналами позволяет вместить тепловое расширение всего трубопровода в пласте, не увеличивая падение давления текучей среды, протекающей через трубопровод в перекрывающей породе 218.

В некоторых вариантах осуществления тепловое расширение подземного трубопровода передают к устью скважины. Расширение может быть поглощено одним или несколькими скользящими уплотнениями в устье скважины. Уплотнения могут включать в себя уплотнительные прокладки Grafoil, уплотнительные прокладки Stellite и/или уплотнительные прокладки Nitronic. В некоторых вариантах осуществления уплотнения включают в себя уплотнения компании BST Lift Systems, Inc. (г. Вентура, шт. Калифорния, США).
На фиг. 7 изображено устье 214 скважины со скользящим уплотнением 238. Устье 214 скважины может включать в себя сальниковое устройство и/или другое оборудование для управления давлением. Циркулирующая текучая среда может проходить через канал 244. Канал 244 может быть, по меньшей мере, частично окружен изолированным каналом 236. Использование изолированного канала 236 может устранить необходимость в жаропрочном скользящем уплотнении и необходимость в уплотнении от теплоносителя. Расширением канала 244 могут управлять на поверхности посредством расширительных петель, сильфонов, спирально свернутых или намотанных трубопроводов и/или скользящих соединений. В некоторых вариантах осуществления пакеры 256 между изолированным каналом 236 и обсадной трубой 216 герметизируют скважину от давления в пласте и удерживают газ для дополнительной изоляции. Пакеры 256 могут представлять собой надувные пакеры и/или приемные гнезда полированного штока. В отдельных вариантах осуществления пакеры 256 функционируют вплоть до температур около 600°С. В некоторых вариантах осуществления пакеры 256 включают в себя уплотнения компании BST Lift Systems, Inc. (г. Вентура, шт. Калифорния, США).
В некоторых вариантах осуществления тепловым расширением подземного трубопровода управляют на поверхности с помощью телескопического соединения, которое позволяет каналу с теплоносителем расширяться из пласта, чтобы поглотить тепловое расширение. Горячий теплоноситель может проходить из зафиксированного канала в канал теплоносителя в пласте. Обратный путь теплоносителя из пласта может проходить из канала теплоносителя в зафиксированный канал. Скользящее уплотнение между зафиксированным каналом и трубопроводом в пласте и скользящее уплотнение между устьем скважины и трубопроводом в пласте может вмещать расширение канала теплоносителя в телескопическом соединении.
На фиг. 8 приведена система, в которой теплоноситель в канале 244 передают в зафиксированный канал 258 или из него. Изолирующая трубка 236 может окружать канал 244. Между изолирующей трубкой 236 и устьем скважины 214 может располагаться скользящее уплотнение 238. Пакеры между изолирующей трубкой 236 и обсадной трубой 216 могут герметизировать устье скважины от пластового давления. Уплотнения 284 теплоносителя могут быть расположены между участком зафиксированного канала 258 и каналом 244. Уплотнения 284 теплоносителя могут быть прикреплены к зафиксированному каналу 258. Результирующее телескопическое соединение позволяет изолирующей трубке 236 и каналу 244 смещаться относительно устья 214 скважины, чтобы вместить тепловое расширение трубопровода, расположенного в пласте. Канал 244 также может смещаться относительно зафиксированного канала 258, чтобы вместить тепловое расширение. Уплотнения 284 теплоносителя могут быть неизолированными и пространственно отделенными от теплоносителя, чтобы поддерживать уплотнения теплоносителя при сравнительно низких температурах.
В некоторых вариантах осуществления тепловое расширение обслуживают на поверхности с помощью телескопического соединения, где канал теплоносителя может свободно перемещаться, а зафиксированный канал представляет собой часть устья скважины. На фиг. 9 приведена система, в которой зафиксированный канал 258 прикреплен к устью 214 скважины. Зафиксированный канал 258 может включать в себя изолирующую трубку 236. Уплотнения 284 теплоносителя могут быть присоединены к верхнему участку канала 244. Уплотнения 284 теплоносителя могут быть неизолированными и пространственно отделенными от теплоносителя, чтобы поддерживать уплотнения теплоносителя при сравнительно низких температурах. Канал 244 может перемещаться относительно зафиксированного канала 258 без необходимости в скользящем уплотнении в устье 214 скважины.
На фиг. 10 изображен вариант осуществления уплотнений 284. Уплотнения 284 могут включать в себя набор 260 уплотнений, присоединенных к корпусу 262 пакера. Корпус 262 пакера может быть соединен с каналом 244 с использованием посадочных клиньев 264 пакера и уплотнения 266 изоляции пакера. Набор 260 уплотнений может примыкать к полированному участку 268 канала 258. В некоторых вариантах осуществления используют кулачковые ролики 270 для обеспечения опоры для набора 260 уплотнений. Например, если боковые нагрузки слишком большие для набора уплотнений. В некоторых вариантах осуществления к корпусу 262 присоединены скребки 272. Скребки 272 могут использоваться для очистки полированного участка 268, когда канал 258 вставляют через уплотнение 284. Скребки 272 могут быть размещены на верхней стороне уплотнений 284, если потребуется. В некоторых вариантах осуществления набор 260 уплотнений держат под нагрузкой для более хорошего контакта с помощью дугообразной пружины или другого предварительно нагруженного средства, чтобы усилить сжатие уплотнений.
В некоторых вариантах осуществления уплотнения 284 и канал 258 вместе проходят в канал 244. Блокировочные механизмы, такие как шпиндели, могут использоваться для закрепления уплотнений и каналов на месте. На фиг. 11 изображен вариант осуществления уплотнений 284, канала 244 и канала 258, закрепленных с помощью блокировочных механизмов 274. Блокировочные механизмы 274 включают в себя изоляционные уплотнения 276 и блокировочные плашки 278. Блокировочные механизмы 274 могут быть задействованы, когда уплотнения 284 и канал 258 входят в канал 244.
Когда блокировочные механизмы 274 примыкают к выбранному участку канала 244, пружины в блокировочных механизмах активируются и открывают и прикладывают изоляционные уплотнения 276 к поверхности канала 244 непосредственно над блокировочными плашками 278. Блокировочные механизмы 274 позволяют отводить изоляционные уплотнения 276, когда узел перемещается в канале 244. Изоляционные уплотнения открывают и прикладывают, когда профиль канала 244 задействует блокировочные механизмы.
Штифты 280 закрепляют блокировочные механизмы 274, уплотнения 280, канал 244 и канал 258 на месте. В отдельных вариантах осуществления штифты 280 разблокируют узел после выбранной температуры, чтобы допустить перемещение (смещение) каналов. Например, штифты 280 могут быть выполнены из материалов, которые термически деградируют (например, плавятся) при температуре, превосходящей желаемую.
В некоторых вариантах осуществления блокировочные механизмы 274 устанавливают на место с использованием мягких металлических уплотнений (например, мягкие металлические фрикционные уплотнения обычно используют для установки вставных штанговых насосов в тепловых скважинах). На фиг. 12 изображен вариант осуществления, где блокировочные механизмы устанавливают на место, используя мягкие металлические уплотнения 282. Мягкие металлические уплотнения 282 работают путем сжатия под действием сокращения внутреннего диаметра канала 244. Использование мягких металлических уплотнений может увеличить срок службы узла по сравнению со сроком службы при использовании эластомерных уплотнений.
В отдельных вариантах осуществления подъемные системы соединены с трубопроводом нагревателя, который выходит из пласта. Подъемные системы могут поднимать участки нагревателя из пласта, чтобы вместить тепловое расширение. На фиг. 13 изображено представление U-образной скважины 22, при этом в скважине расположен нагреватель 220. Скважина 222 может включать в себя обсадную трубу 216 и нижние уплотнения 286. Нагреватель 220 может включать в себя изолированные участки 288 с нагревательным участком 290, примыкающим к обрабатываемой области 240. Подвижные уплотнения 284 могут быть соединены с верхним участком нагревателя 220. Подъемные системы 292 могут быть соединены с изолированными участками 288 над устьем 214 скважины. Нереактивный газ (например, азот и/или углекислый газ) может быть введен в кольцеобразную область 294 под землей между обсадной трубой 216 и изолированными участками 288, чтобы предотвратить подъем газообразного пластового флюида к устью 214 скважины и обеспечить изолирующий газовый слой. Изолированные участки 288 могут представлять собой каналы в канале, при этом теплоноситель системы циркуляции протекает через внутренний канал. Внешний канал каждого изолированного участка 288 может иметь по существу более низкую температуру, чем внутренний канал. Более низкая температура внешнего канала позволяет использовать внешние каналы в качестве нагруженных несущих элементов для подъема нагревателя 220. Различие расширения внешнего канала и внутреннего канала может быть уменьшено с помощью внутренних сильфонов и/или скользящих уплотнений.
Подъемные системы 292 могут включать в себя гидравлические подъемники, автоматизированные катушки колтюбинга и/или системы подъема с противовесом, способные поддерживать нагреватель 220 и перемещать изолированные участки 288 в пласт или из него. Если подъемные системы 292 включают в себя гидравлические подъемники, то внешние каналы изолированных участков 288 могут поддерживаться прохладными посредством специальных гладких переходников. Гидравлические подъемники могут включать в себя два набора клиновых захватов. Первый набор клиновых захватов может быть соединен с нагревателем. Гидравлические подъемники могут поддерживать постоянное давление на нагревателе на полном ходе гидравлического цилиндра. Второй набор клиновых захватов может периодически устанавливаться на внешний канал, в то время как гидравлический цилиндр возвращается в исходной положение. Подъемные системы 292 также могут включать в себя тензометры и системы управления. Тензометры могут быть присоединены к внешнему каналу изолированных участков 288, либо тензометры могут быть присоединены к внутренним каналам изолированных участков ниже изоляции. Присоединить тензометры к внешнему каналу может быть проще, а соединение может быть более надежным.
Перед началом нагревания для систем управления могут быть установлены заданные значения с использованием подъемных систем 292 для подъема нагревателя 220, так что участки нагревателя контактируют с обсадной трубой 216 в изогнутых участках скважины 222. Натяжение, когда нагреватель 220 поднят, можно использовать в качестве заданного значения для системы управления. В других вариантах осуществления заданное значение выбирают другим способом. Когда начинают нагревание, нагревательный участок 290 начнет расширяться, и некоторый участок нагревателя будет расширяться горизонтально. Если расширение прижимает нагреватель 220 к обсадной трубе 216, то вес нагревателя будет опираться на точки контакта изолированных участков 288 и обсадной трубы. Натяжение, измеряемое подъемной системой 292, будет стремиться к нулю. Дополнительное тепловое расширение может привести к тому, что нагреватель 220 согнется и испортится. Вместо того чтобы позволить нагревателю 220 прижиматься к обсадной трубе 216, гидравлические подъемники подъемных систем 292 могут сместить части изолированных участков 288 вверх и из пласта, чтобы держать нагреватель сверху обсадной трубы. Системы управления подъемных систем 292 могут поднять нагреватель 220, чтобы поддерживать натяжение, измеряемое тензометрами, близкое к заданному значению. Подъемная система 292 также может быть использована, чтобы заново ввести изолированные участки 288 в пласт, когда пласт остывает, чтобы предотвратить повреждение нагревателя 220 во время теплового сжатия.
В отдельных вариантах осуществления тепловое расширение нагревателя завершается за сравнительно небольшой промежуток времени. В некоторых вариантах осуществления положение нагревателя фиксируют относительно устья скважины после того, как завершится тепловое расширение. Подъемные системы могут быть удалены от нагревателей и использованы на других нагревателях, которые еще не были нагреты. Подъемные системы можно заново присоединить к нагревателям, когда пласт остывает, чтобы учесть тепловое сокращение нагревателей.
В некоторых вариантах осуществления подъемными системами управляют, исходя из гидравлического давления подъемников. Изменения в натяжении трубы могут привести к изменению гидравлического давления. Система управления может поддерживать гидравлическое давление, по существу равное заданному значению гидравлического давления, чтобы обеспечить аккомодацию теплового расширения нагревателя в пласте.
В отдельных вариантах осуществления к трубопроводу, который выходит из пласта, присоединено натяжное колесо (подвижное колесо). Колесо может поднимать участки нагревателя из пласта для аккомодации теплового расширения и обеспечения натяжения нагревателя, чтобы предотвратить сгибание нагревателя в пласте. На фиг. 14 изображена U-образная скважина 222, при этом в скважине расположен нагреватель 220, соединенный с натяжным колесом 296. Скважина 222 может включать в себя обсадную трубу 216 и нижние уплотнения 286. Нагреватель 220 может включать в себя изолированные участки 288 с нагревательным участком 290, примыкающим к обрабатываемой области 240.
В некоторых вариантах осуществления длина нагревателя по горизонтали оставляет, по меньшей мере, 8000 футов (около 2400 м), а вертикальные участки имеют глубину, по меньшей мере, 1000 футов (около 300 м) или, по меньшей мере, около 1500 футов (примерно 450 м). В отдельных вариантах осуществления нагреватель 220 включает в себя трубу, внешний диаметр которой составляет примерно 3,5 дюйма или больше (например, трубу диаметром около 5,625 дюйма). В отдельных вариантах осуществления нагреватель 220 включает в себя спирально свернутую трубу. Нагреватель 220 может включать в себя такие материалы, как углеродистая сталь, 9% хромистая сталь (такая, как сталь марки Р91 или Т91), или 12% хромистая сталь (такая, как нержавеющая сталь марки 410, 410Cb или 410Nb).
В отдельных вариантах осуществления верхние участки нагревателя 220 соединены с натяжными колесами 296 на каждом конце нагревателя. В некоторых вариантах осуществления верхние участки нагревателя 220 наматывают на натяжные колеса 296 и разматывают с них. Например, нагреватель 220 может иметь участки, наматывающиеся на натяжное колесо, в то время как другой участок выходит с того же колеса 296. Один или несколько концов нагревателя 220 соединяют с системой 226 циркуляции после наматывания на натяжное колесо 296. В отдельных вариантах осуществления концы нагревателя 220 соединяют с системой 226 циркуляции (например, концы нагревателя соединяют с системой циркуляции, используя неподвижное соединение (в соединении не происходит никакого движения). Колеса 296 допускают выполнение неподвижных соединений с концами нагревателя 220 без использования какого-либо подвижного уплотнения, находящегося в контакте с горячими текучими средами, выходящими из системы 226 циркуляции.
В некоторых вариантах осуществления натяжные колеса 296 имеют диаметр примерно от 10 футов (около 3 м) до 30 футов (около 9 м) или от 15 футов (около 4,5 м) до 25 футов (около 7,6 м). В отдельных вариантах осуществления натяжные колеса 296 имеют диаметр около 20 футов (примерно 6 м).
В отдельных вариантах осуществления натяжные колеса 296 обеспечивают натяжение нагревателя 220. В отдельных вариантах осуществления натяжные колеса 296 обеспечивают постоянное натяжение нагревателя 220. В некоторых вариантах осуществления натяжение прикладывают путем размещения концевых участков нагревателя 220 в подвижной дуге. Натяжным колесам 296 может быть позволено перемещаться вверх и вниз (например, вверх и вниз вдоль стенки в вертикальной плоскости) при натяжении нагревателя 220. Например, для аккомодации расширения натяжные колеса 296 могут перемещаться вверх и вниз примерно на 40 футов (около 12 м) или на любую другую подходящую величину в зависимости от ожидаемого расширения нагревателя 220. В некоторых вариантах осуществления натяжные колеса 296 могут перемещаться в горизонтальной плоскости (налево и направо параллельно поверхности пласта). Допуская перемещение вверх и вниз во время натяжения, можно предотвратить или сократить степень сгибания нагревателя 220 из-за теплового расширения нагревателя.
Следует понимать, что изобретение не ограничено определенными описанными системами, которые, конечно, можно изменять. Также следует понимать, что используемая в этом документе терминология применяется только для описания отдельных вариантов осуществления и не предназначена для ограничения. Используемые в этом описании формы единственного числа включают в себя формы множественного числа, если обратное не указано явно. Таким образом, например, упоминание слова "сердцевина" включает в себя сочетание двух или более сердцевин, а упоминание слова "материал" включает в себя смеси материалов.
В виду этого описания специалистам в области техники станут понятны дополнительные модификации и альтернативные варианты осуществления различных аспектов изобретения. Соответственно, это описание следует истолковывать только как иллюстративное, используемое для доведения до специалистов в области техники общего способа реализации изобретения. Следует понимать, что показанные и описанные в этом документе формы изобретения приняты в качестве предпочтительных вариантов осуществления. Элементы и материалы, проиллюстрированные и описанные в этом документе, могут быть заменены, части и процессы могут быть выполнены в обратном порядке, а определенные признаки изобретения могут быть использованы независимо, как очевидно специалистам в области техники, после получения преимущества этого описания изобретения. В элементы, описанные в этом документе, могут быть внесены изменения, не отклоняясь от сущности и объема изобретения, описанного в прилагаемой формуле изобретения.