ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНОЕ НАГРЕВАНИЕ МНОЖЕСТВА СЛОЕВ УГЛЕВОДОРОДСОДЕРЖАЩЕГО ПЛАСТА
SUCCESSIVE HEAT OF MULTITUDE LAYERS OF HYDROCARBON CONTAINING BED

Настоящее изобретение в общем относится к способам и системам добычи углеводородов, водорода и/или других продуктов из различных подземных пластов, таких как пласты, содержащие углеводороды. В частности, определенные варианты осуществления изобретения относятся к способу последовательной во времени обработки множества слоев пласта, содержащего углеводороды.
Уровень техники
Углеводороды, добываемые из подземных пластов, часто используются в качестве энергетических ресурсов, сырья и потребительских товаров. Озабоченность по поводу истощения углеводородных ресурсов и ухудшения общего качества добываемых углеводородов привела к разработке способов более эффективной добычи, обработки и/или использования доступных углеводородных ресурсов. Для извлечения углеводородных материалов из подземных пластов могут быть использованы процессы, осуществляемые на месте залегания. Для того чтобы легче извлекать углеводородный материал из подземного пласта может потребоваться изменить химические и/или физические свойства углеводородного материала. Изменения химических и физических свойств могут включать в себя реакции in situ, в результате которых получаются извлекаемые флюиды, изменение состава, изменение растворяющей способности, изменение плотности, фазовые превращения и/или изменение вязкости углеводородного материала пласта. Флюид может представлять собой, помимо прочего, газ, жидкость, эмульсию, суспензию и/или поток твердых частиц, характеристики которого аналогичны характеристикам потока жидкости.
Крупные месторождения тяжелых углеводородов (необработанная нефть и/или битум), содержащихся в сравнительно проницаемых пластах (например, в нефтеносных песках) обнаружены в Северной Америке, Южной Америке, Африке и Азии. Битум можно добывать на поверхности и обогащать до легких углеводородов, таких как сырая нефть, лигроин, керосин и/или газойль. Процессы дробления на поверхности могут дополнительно отделять битум от песка. Отделенный битум может быть преобразован в легкие углеводороды с использованием обычных способов нефтепереработки. Добыча и обогащение нефтеносных песков обычно существенно дороже добычи легких углеводородов из обычных нефтеносных пластов.
Добыча углеводородов на месте залегания из нефтеносного песка может быть осуществлена посредством нагревания и/или нагнетания газа в пласт. В патенте US №5211230 Остаповича (Ostapovich) и др. и патенте US №5339897 Лета (Leaute) описана горизонтальная добывающая скважина, расположенная в нефтеносном пласте. Вертикальная труба может быть использована для нагнетания окисляющего газа в пласт с целью сжигания in situ.
В патенте US №2780450 Люнгстрома (Ljungstrom) описано нагревание битумных пластов горных пород, направленное на переработку или крекинг жидкого нефтеобразного вещества в нефти и газы.
В патенте US №4597441 Bea (Ware) и др. описано одновременное соприкосновение в пласте нефти, теплоты и водорода. Гидрогенизация может улучшить нефтеотдачу пласта.
В патенте US №5046559 Гландта (Glandt) и патенте US №5060726 Гландта и др. описано предварительное нагревание части пласта нефтеносного песка между нагнетательной скважиной и добывающей скважиной. Для добычи углеводородов из добывающей скважины пар может быть закачен в пласт через нагнетательную скважину.
Как отмечено выше, прилагаются значительные усилия, направленные на разработку способов и систем экономически целесообразной добычи углеводородов, водорода и/или других продуктов из пластов, содержащих углеводороды. Тем не менее в настоящий момент все еще существует большое количество пластов, содержащих углеводороды, из которых невозможно добывать углеводороды, водород и/или другие продукты экономически целесообразным способом. Таким образом, существует необходимость в улучшенных способах и системах добычи углеводородов, водорода и/или других продуктов из различных пластов, содержащих углеводороды. В частности, существует необходимость в одном или более способе обработки пластов с двумя или более углеводородными слоями, отделенными непроницаемыми слоями. Последовательная во времени разработка слоев может улучшить рентабельность обработки таких пластов.
Раскрытие изобретения
Описанные варианты осуществления изобретения в общем относятся к системам, способам и нагревателям, предназначенным для обработки подземного пласта. Описанные варианты осуществления изобретения в общем относятся к нагревателям, содержащим новые компоненты. Такие нагреватели могут быть получены с использованием описанных систем и способов.
В определенных вариантах осуществления изобретения предложена одна или более систем, способов и/или нагревателей. В некоторых вариантах осуществления изобретения системы, способы и/или нагреватели используются для обработки подземного пласта.
В определенных вариантах осуществления изобретения предложен способ обработки пласта, содержащего углеводороды, заключающийся в том, что в течение первого промежутка времени теплоту подводят к первому углеводородному слою в пласте от первого нагревателя, расположенного в отверстии в пласте, причем отверстие и первый нагреватель содержат, по существу, горизонтальную или наклонную часть, расположенную в первом углеводородном слое в пласте и, по меньшей мере, одну соединительную часть, простирающуюся между, по существу, горизонтальной или наклонной частью и поверхностью; извлекают, по меньшей мере, одну соединительную часть первого нагревателя из отверстия; размещают изоляционный материал в отверстии, так что изоляционный материал, по меньшей мере, частично изолирует слой, в котором расположена, по существу, горизонтальная или наклонная часть первого нагревателя;
формируют дополнительную, по существу, горизонтальную или наклонную часть отверстия во втором углеводородном слое, причем указанная дополнительная часть простирается, по меньшей мере, от одной из соединительных частей отверстия;
размещают второй нагреватель в дополнительной, по существу, горизонтальной части отверстия и подводят теплоту ко второму углеводородному слою от второго нагревателя.
В других вариантах осуществления изобретения признаки конкретных вариантов осуществления изобретения могут быть совмещены с признаками других вариантов осуществления изобретения. Например, признаки одного варианта осуществления изобретения могут быть совмещены с признаками любого другого варианта осуществления изобретения.
В других вариантах осуществления изобретения обработка подземного пласта осуществляется с использованием любых описанных способов, систем или нагревателей.
В других вариантах осуществления изобретения к описанным конкретным вариантам осуществления изобретения могут быть добавлены дополнительные признаки.
Краткое описание чертежей
Достоинства настоящего изобретения будут ясны специалистам в рассматриваемой области после прочтения подробного описания, содержащего ссылки на приложенные чертежи, на которых:
фиг.1 - вид, показывающий этапы нагревания пласта, содержащего углеводороды;
фиг.2 - схематический вид варианта осуществления части системы тепловой обработки in situ, предназначенной для обработки углеводородсодержащего пласта;
фиг.3А и 3В - виды, показывающие вариант осуществления, направленный на использование и-образных стволов скважин для последовательного во времени нагревания двух слоев в углеводородсодержащем пласте;
фиг.4А и 4В - виды, показывающие вариант осуществления, направленный на использование горизонтальных стволов скважин для последовательного во времени нагревания двух слоев в углеводородсодержащем пласте.
Хотя изобретение не исключает различные модификации и альтернативные формы, далее для примера на чертежах показаны и подробно описаны конкретные варианты осуществления изобретения.
Чертежи могут быть выполнены не в масштабе. Тем не менее необходимо понимать, что чертежи и подробное описание не ограничивает изобретение конкретной описанной формой, а, наоборот, изобретение подразумевает все модификации, эквиваленты и альтернативы, не выходящие за рамки объема и существа настоящего изобретения, которые определены в прилагаемой формуле изобретения.
Подробное описание изобретения
Последующее описание в общем относится к системам и способам обработки углеводородов в пластах. Такие пласты обрабатывают с целью добычи углеводородных продуктов, водорода и других продуктов.
«Пласт» включает в себя один или несколько слоев, содержащих углеводороды, один или несколько неуглеводородных слоев, покрывающий слой и/или подстилающий слой. «Углеводородными слоями» называются слои пласта, которые содержат углеводороды. Углеводородные слои могут содержать неуглеводородные материалы и углеводородные материалы. «Покрывающий слой» и/или «подстилающий слой» содержат один или несколько различных типов непроницаемых материалов. Например, покрывающий и/или подстилающий слои могут представлять собой скалу, сланцевую глину, алевритоглинистую породу или плотную карбонатную горную породу, не пропускающую влагу. В некоторых вариантах осуществления процессов тепловой обработки на месте залегания покрывающий и/или подстилающие слои могут включать в себя содержащий углеводороды слой или содержащие углеводороды слои, которые сравнительно непроницаемы и не подвергаются воздействию температур при процессах тепловой обработки на месте залегания, в результате которых характеристики содержащих углеводороды слоев покрывающего и/или подстилающего слоев значительно изменяются. Например, подстилающий слой может содержать сланцевую глину или алевритоглинистую породу, но при осуществлении процесса тепловой обработки на месте залегания подстилающий слой не нагревают до температуры пиролиза. В некоторых случаях покрывающий слой и/или подстилающий слои могут быть до некоторой степени проницаемыми.
«Пластовыми флюидами» называют флюиды, присутствующие в пласте, и они могут содержать флюид, полученный в результате пиролиза, синтез-газ, подвижные углеводороды и воду (пар). Пластовые флюиды могут содержать углеводородные флюиды, а также неуглеводородные флюиды. Под «подвижными флюидами» понимают флюиды пласта, содержащего углеводороды, которые способны течь в результате тепловой обработки пласта. «Добытыми флюидами» называют флюиды, извлеченные из пласта.
«Источник тепла» представляет собой любую систему, подводящую теплоте, по меньшей мере, к части пласта, теплота передается в основном в результате радиационного теплообмена и/или кондуктивной передачи тепла. Например, источник тепла может содержать электрические нагреватели, такие как изолированный проводник, удлиненный элемент и/или проводник, расположенный в трубе. Также источник тепла может содержать системы, вырабатывающие теплоту в результате горения топлива вне пласта или в нем. Эти системы могут быть внешними горелками, забойными газовыми горелками, беспламенными распределенными камерами сгорания и природными распределенными камерами сгорания. В некоторых вариантах осуществления изобретения теплота, подведенная к одному или нескольким источникам тепла или выработанная в нем, может подводиться от других источников энергии. Другие источники энергии могут непосредственно нагревать пласт или энергия может сообщаться передающей среде, которая непосредственно или косвенно нагревает пласт. Ясно, что один или несколько источников тепла, которые передают теплоту пласту, могут использовать различные источники энергии. Таким образом, например, для заданного пласта некоторые источники теплоты могут подводить теплоту от резистивных нагревателей, некоторые источники тепла могут обеспечивать нагревание благодаря камере сгорания, а другие источники тепла могут подводить теплоту из одного или нескольких источников энергии (например, энергия от химических реакций, солнечная энергия, энергия ветра, биомасса или другие источники возобновляемой энергии). Химическая реакция может включать в себя экзотермические реакции (например, реакцию окисления). Также источник тепла может включать в себя нагреватель, который подводит теплоту в зону, расположенную рядом с нагреваемым местом, таким как нагревательная скважина, или окружающую это место.
«Нагреватель» - это любая система или источник тепла, предназначенный для выработки теплоты в скважине или рядом со стволом скважины. К нагревателям относят, помимо прочего, электрические нагреватели, горелки, камеры сгорания, в которых в реакцию вступает материал пласта или материал, добываемый в пласте, и их комбинации.
Под «углеводородами» обычно понимают молекулы, образованные в основном атомами углерода и водорода. Углеводороды также могут содержать другие элементы, такие как, например, галогены, металлические элементы, азот, кислород и/или серу. Углеводородами являются, например, кероген, битум, пиробитум, масла, природные минеральные воски и асфальтиты. Углеводороды могут располагаться в природных вмещающих породах в земле или рядом с ними. Вмещающими породами, помимо прочего, являются осадочные горные породы, пески, силицилиты, карбонатные горные породы и другие пористые среды. «Углеводородные флюиды» - это флюиды, содержащие углеводороды. Углеводородные флюиды могут содержать, увлекать с собой или быть увлеченными неуглеводородными флюидами, такими как водород, азот, угарный газ, диоксид углерода, сероводород, вода и аммиак.
Под «процессом переработки in situ» понимается процесс нагревания углеводородсодержащего пласта от источников тепла, при этом указанный процесс направлен на повышение температуры, по меньшей мере, части пласта, выше температуры пиролиза, с целью получения в пласте флюида, являющегося результатом пиролиза.
Под «процессом тепловой обработки in situ» понимается процесс нагревания пласта, содержащего углеводороды, с помощью источников тепла, направленный на повышение температуры, по меньшей мере, части пласта выше температуры, в результате которой получается подвижный флюид, происходит легкий крекинг и/или пиролиз материала, содержащего углеводороды, так что в пласте вырабатываются подвижные флюиды, флюиды, являющиеся результатом легкого крекинга и/или флюиды, являющиеся результатом пиролиза.
Под «u-образным стволом скважины» понимают ствол скважины, который начинается от первого отверстия в пласте, проходит, по меньшей мере, часть пласта и заканчивается вторым отверстием в пласте. В этом случае форма ствола скважины, который считается «u-образным», может иметь вид буквы «v» или «u», при этом ясно, что «ножки» буквы «u» необязательно параллельны друг другу или перпендикулярны «нижней части» буквы «u».
Под термином «ствол скважины» понимается отверстие в пласте, изготовленное бурением или введением трубы в пласт. Поперечное сечение ствола скважины может быть, по существу, круглым или каким-либо другим. Здесь термины «скважина» и «отверстие», когда говорится об отверстии в пласте, могут быть заменены термином «ствол скважины».
С целью добычи многих различных продуктов углеводороды в пласте могут быть обработаны разными способами. В определенных вариантах осуществления изобретения углеводороды в пластах обрабатывают поэтапно. На фиг.1 изображены этапы нагревания пласта, содержащего углеводороды. На фиг.1 также показан пример зависимости количества («Y») нефтяного эквивалента в баррелях на тонну (ось y) пластовых флюидов, добытых из пласта, от температуры («T») нагретого пласта в градусах Цельсия (ось x).
При проведении этапа 1 нагревания происходит десорбция метана и испарение воды. Нагревание пласта на этапе 1 может быть выполнено настолько быстро, насколько возможно. Например, когда пласт, содержащий углеводороды, изначально нагрет, углеводороды в пласте десорбируют адсорбированный метан. Из пласта можно добывать десорбированный метан. Если далее нагревать пласт, содержащий углеводороды, то вода из пласта, содержащего углеводороды, испарится. В некоторых содержащих углеводороды пластах вода может занимать от 10% до 50% порового объема пласта. В других пластах вода занимает большую или меньшую часть порового объема. Обычно вода в пласте испаряется при температуре от 160°С до 285°С при абсолютных давлениях от 600 кПа до 7000 кПа. В некоторых вариантах осуществления изобретения выпаренная вода изменяет смачиваемость пласта и/или увеличивает давление в пласте. Изменения смачиваемости и/или увеличенное давление могут влиять на протекание реакций пиролиза или других реакций в пласте. В определенных вариантах осуществления изобретения выпаренную воду добывают из пласта. В других вариантах осуществления изобретения выпаренную воду используют для извлечения пара и/или дистилляции в пласте или вне пласта. Извлечение воды из пласта и увеличение порового объема пласта увеличивает пространство для хранения углеводородов в поровом объеме.
В определенных вариантах осуществления изобретения после этапа 1 нагревания проводят дальнейшее нагревание пласта, так что температура в пласте достигает (по меньшей мере) температуры начала пиролиза (такой, как температура на нижнем крае температурного диапазона этапа 2). На протяжении этапа 2 углеводороды в пласте могут подвергаться пиролизу. Диапазон температур пиролиза изменяется в зависимости от типа углеводородов в пласте. Диапазон температур пиролиза может составлять от 250°С до 900°С. Диапазон температур пиролиза для получения нужных продуктов может составлять только часть всего диапазона температур пиролиза. В некоторых вариантах осуществления изобретения диапазон температур пиролиза для получения нужных продуктов может составлять от 250°С до 400°С или от 270°С до 350°С. Если температура углеводородов в пласте растет медленно в диапазоне от 250°С до 400°С, то получение продуктов пиролиза может, по существу, завершиться при приближении значения температуры к 400°С. Средняя температура углеводородов может расти со скоростью меньше 5°С в день, меньше 2°С в день, меньше 1°С в день или меньше 0,5°С в день, находясь в диапазоне температур пиролиза, необходимых для получения нужных продуктов. Нагревание углеводородсодержащего пласта несколькими источниками тепла может установить перепады температур вокруг источников тепла, благодаря которым температура углеводородов в пласте медленно поднимается в диапазоне температур пиролиза.
Скорость увеличения температуры в диапазоне температур пиролиза для получения нужных продуктов может влиять на качество и количество пластовых флюидов, добываемых из содержащего углеводороды пласта. Медленное увеличение температуры в диапазоне температур пиролиза с целью получения нужных продуктов может препятствовать подвижности молекул с большими цепями в пласте. Медленное увеличение температуры в диапазоне температур с целью получения нужных продуктов может ограничить реакции между подвижными углеводородами, в результате которых могут получаться нежелательные продукты. Медленное увеличение температуры пласта в диапазоне температур пиролиза с целью получения нужных продуктов может позволить добывать из пласта высококачественные углеводороды с высокой плотностью, измеряемой в градусах Американского нефтяного института. Медленное увеличение температуры пласта в диапазоне температур пиролиза с целью получения нужных продуктов может позволить извлекать большое количество углеводородов, присутствующих в пласте, в качестве углеводородного продукта.
В некоторых вариантах осуществления тепловой обработки in situ вместо того, чтобы медленно нагревать в нужном диапазоне температур, до нужной температуры нагревают часть пласта. В некоторых вариантах осуществления изобретения нужная температура составляет 300°С, 325°С или 350°С. В качестве нужной температуры могут быть выбраны другие значения температуры. Наложение теплоты от источников тепла позволяет сравнительно быстро и эффективно установить в пласте нужную температуру. Можно регулировать подведение энергии в пласт из источников тепла с целью поддержания, по существу, нужного значения температуры в пласте. По существу, нужное значение температуры нагретой части пласта поддерживают до тех пор, пока реакция пиролиза не ослабнет так, что добыча нужных пластовых флюидов из пласта не станет экономически невыгодной. Части пласта, подвергаемые реакции пиролиза, могут включать в себя области, температура которых находится в диапазоне температур пиролиза благодаря теплопередаче только от одного источника тепла.
В определенных вариантах осуществления изобретения из пласта добывают пластовые флюиды, включая флюиды, полученные в результате пиролиза. По мере увеличения температуры пласта может уменьшаться количество конденсирующихся углеводородов в добытых пластовых флюидах. При высоких температурах из пласта может добываться в основном метан и/или водород. При нагревании содержащего углеводороды пласта по всему диапазону температур пиролиза, при приближении к верхнему пределу диапазона температур пиролиза из пласта могут добываться только небольшие количества водорода. После исчерпания всего доступного водорода обычно из пласта может добываться минимальное количество флюидов.
После пиролиза углеводородов в пласте все еще может присутствовать большое количество углерода и некоторое количество водорода. Значительная часть углерода, остающегося в пласте, может быть добыта из пласта в виде синтез-газа. Получение синтез-газа может происходить во время этапа 3 нагревания, изображенного на фиг.1. Этап 3 может включать в себя нагревание содержащего углеводороды пласта до температуры, достаточной для получения синтез-газа. Например, синтез-газ может вырабатываться в диапазоне температур примерно от 400°С до примерно 1200°С; примерно от 500°С до примерно 1100°С или примерно от 550°С до примерно 1000°С. Когда флюид для получения синтез-газа вводят в пласт, температура нагретой части пласта определяет состав синтез-газа, получаемого в пласте. Получаемый синтез-газ можно извлекать из пласта через добывающую скважину или добывающие скважины.
Полная энергоемкость флюидов, добываемых из содержащего углеводороды пласта, может оставаться сравнительно постоянной на всем протяжении процесса пиролиза и получения синтез-газа. При протекании пиролиза при сравнительно низких температурах значительная часть добываемого флюида может представлять собой конденсирующиеся углеводороды, которые отличаются высокой энергоемкостью. Тем не менее при более высоких температурах пиролиза меньшая часть пластового флюида может представлять собой конденсирующиеся углеводороды. Из пласта может добываться больше неконденсирующихся пластовых флюидов. Энергоемкость на единицу объема добываемого флюида может немного уменьшаться при получении преимущественно неконденсирующихся пластовых флюидов. При получении синтез-газа энергоемкость на единицу объема полученного синтез-газа значительно уменьшается по сравнению с энергоемкостью флюида, полученного в результате пиролиза. Тем не менее объем полученного синтез-газа во многих примерах значительно увеличивается, компенсируя, тем самым, уменьшенную энергоемкость.
На фиг.2 показан схематический вид варианта осуществления части системы тепловой обработки in situ, предназначенной для обработки содержащего углеводороды пласта. Система тепловой обработки in situ может содержать барьерные скважины 200. Барьерные скважины используют для образования барьера вокруг области обработки. Барьер препятствует течению флюида в область обработки и/или из нее. Барьерные скважины включают в себя, помимо прочего, водопонижающие скважины, скважины создания разряжения, коллекторные скважины, нагнетательные скважины, скважины для заливки раствора, замораживающие скважины или их комбинации. В некоторых вариантах осуществления изобретения барьерные скважины 200 представляют собой водопонижающие скважины. Водопонижающие скважины могут удалять жидкую воду и/или препятствовать проникновению жидкой воды в нагреваемую часть пласта или в нагреваемый пласт. В варианте осуществления изобретения с фиг.2 показаны барьерные скважины 200, расположенные только вдоль одной стороны источников 202 тепла, но обычно барьерные скважины окружают все источники 202 тепла, используемые или планируемые к использованию для нагревания области обработки пласта.
Источники 202 тепла расположены, по меньшей мере, в части пласта. Источники 202 тепла могут представлять собой нагреватели, такие как изолированные проводники, нагревательные устройства с проводником в трубе, беспламенные горелки, беспламенные распределенные камеры сгорания и/или природные распределенные камеры сгорания. Источники 202 тепла могут также представлять собой нагреватели других типов. Источники 202 тепла подводят теплоту, по меньшей мере, к части пласта с целью нагревания углеводородов в пласте. Энергия может подаваться к источнику 202 тепла по линиям 204 питания. Линии 204 питания могут конструктивно различаться в зависимости от типа источника тепла или источников тепла, используемых для нагревания пласта. Линии 204 питания для источников тепла могут передавать электричество для электрических нагревателей, могут транспортировать топливо для камер сгорания или могут перемещать жидкий теплоноситель, циркулирующий в пласте. В некоторых вариантах осуществления изобретения электричество для процесса тепловой обработки in situ может поставляться атомной электростанцией или атомными электростанциями. Использование атомной энергии может позволить уменьшить или полностью исключить выбросы диоксида углерода в ходе процесса тепловой обработки in situ.
Добывающие скважины 206 используются для удаления пластового флюида из пласта. В некоторых вариантах осуществления изобретения добывающая скважина 206 может содержать источник тепла. Источник тепла, расположенный в добывающей скважине, может нагревать одну или несколько частей пласта в самой добывающей скважине или рядом с ней. В некоторых вариантах осуществления процесса тепловой обработки in situ количество теплоты, подводимой к пласту от добывающей скважины, на метр добывающей скважины меньше количества теплоты, подводимого к пласту от источника тепла, который нагревает пласт, на метр источника теплоты. Теплота, подводимая к пласту от добывающей скважины, может увеличить проницаемость пласта рядом с добывающей скважиной благодаря парообразованию и удалению жидкой фазы флюидов рядом с добывающей скважиной и/или благодаря увеличению проницаемости пласта рядом с добывающей скважиной вследствие образования макро- и микротрещин.
В некоторых вариантах осуществления изобретения источник тепла в добывающей скважине 206 позволяет извлекать из пласта паровую фазу пластовых флюидов. Подвод теплоты к добывающей скважине или через добывающую скважину может: (1) препятствовать конденсации и/или обратному потоку добываемого флюида, когда такой добываемый флюид перемещается в добывающей скважине близко к покрывающему слою, (2) увеличить подвод теплоты в пласт, (3) увеличить темп добычи для добывающей скважины по сравнению с добывающей скважиной без источника теплоты, (4) препятствовать конденсации соединений с большим количеством атомов углерода (С6 и больше) в добывающей скважине и/или (5) увеличить проницаемость пласта у добывающей скважины или рядом с ней.
Подземное давление в пласте может соответствовать давлению флюида в пласте. Когда температура в нагретой части пласта увеличивается, то давление в нагретой части может увеличиваться в результате увеличенной выработки флюидов и испарения воды. Управление скоростью извлечения флюидов из пласта может позволить управлять давлением в пласте. Давление в пласте может быть определено в нескольких различных местах, например, рядом с добывающими скважинами или у них, рядом с источниками тепла или у них или у контрольных скважин.
В некоторых содержащих углеводороды пластах добыча углеводородов из пласта сдерживается до тех пор, пока, по меньшей мере, некоторое количество углеводородов пласта не подверглось пиролизу. Пластовый флюид можно добывать из пласта тогда, когда качество пластового флюида соответствует выбранному уровню. В некоторых вариантах осуществления изобретения выбранный уровень качества представляет собой плотность в градусах Американского нефтяного института (АНИ), которая составляет, по меньшей мере, примерно 20°, 30° или 40°. Запрет на добычу до тех пор, пока, по меньшей мере, часть углеводородов не подверглась пиролизу, может увеличить переработку тяжелых углеводородов в легкие углеводороды. Запрет на добычу в начале может минимизировать добычу тяжелых углеводородов из пласта. Добыча значительных объемов тяжелых углеводородов может потребовать дорогого оборудования и/или уменьшения срока эксплуатации производственного оборудования.
После достижения температур пиролиза и разрешения добычи из пласта давление в пласте можно изменять с целью изменения и/или управления составом добываемых пластовых флюидов с целью регулирования процента конденсирующегося флюида относительно неконденсирующегося флюида в пластовом флюиде и/или с целью регулирования плотности в градусах АНИ добываемого пластового флюида. Например, уменьшение давления может привести к добыче большей доли конденсирующегося компонента флюида. Конденсирующийся компонент флюида может содержать больший процент олефинов.
В некоторых вариантах осуществления процесса тепловой обработки in situ давление в пласте может поддерживаться достаточно высоким для содействия добыче пластового флюида с плотностью более 20° в градусах АНИ. Поддержание повышенного давления в пласте может препятствовать оседанию пласта во время тепловой обработки in situ. Поддержание повышенного давления может способствовать добыче паровой фазы флюидов из пласта. Добыча паровой фазы из пласта может позволить уменьшить размеры коллекторных труб, используемых для транспортировки флюидов, добытых из пласта. Поддержание повышенного давления может уменьшить или исключить необходимость сжатия пластовых флюидов на поверхности с целью транспортировки флюидов по трубам до установок обработки.
Как ни удивительно, но поддержание повышенного давления в нагретой части пласта может позволить добывать большие количества углеводородов улучшенного качества и со сравнительно малой молекулярной массой. Давление может поддерживаться таким, что добытый пластовый флюид содержит минимальное количество соединений, в которых углеродное число превышает выбранное углеродное число. Выбранное углеродное число может составлять самое большее 25, самое больше 20, самое большее 12 или самое большее 8. Некоторые соединения с большим углеродным числом могут быть в пласте захвачены паром и могут быть извлечены из пласта с паром. Поддержание повышенного давления в пласте может препятствовать захвату паром соединений с большим углеродным числом и/или полициклических углеводородных соединений. Соединения с большим углеродным числом и/или полициклические углеводородные соединения могут оставаться в пласте в жидкой фазе в течение значительных периодов времени. Эти значительные периоды времени могут предоставлять достаточное количество времени для пиролиза соединения с целью получения соединений с меньшим углеродным числом.
Пластовый флюид, извлекаемый из добывающих скважин 206, может быть перекачен по коллекторному трубопроводу 208 до обрабатывающих установок 210. Также пластовые флюиды могут быть добыты из источников 202 теплоты. Например, флюид может быть добыт из источника 202 теплоты с целью регулирования давления в пласте рядом с источниками теплоты. Флюид, добытый из источников 202 теплоты, может быть перекачен по трубе или трубопроводу до коллекторного трубопровода 208 или добытый флюид может быть перекачен по трубе или трубопроводу непосредственно к обрабатывающим установкам 210. Обрабатывающие установки 210 могут содержать блоки сепарации, блоки проведения реакций, блоки обогащения, топливные ячейки, турбины, контейнеры для хранения и/или другие системы и блоки, предназначенные для обработки добытых пластовых флюидов. В обрабатывающих установках, по меньшей мере, из части углеводородов, добытых из пласта, можно получать транспортное топливо. В некоторых вариантах осуществления изобретения транспортное топливо может представлять собой реактивное топливо, такое как JP-8.
На фиг.3А и 3В показан вариант осуществления изобретения, использующий, по существу, u-образный ствол скважины для последовательного во времени нагревания двух слоев пласта, содержащего углеводороды. В вариантах осуществления изобретения, показанных на фиг.3А и 3В, изображен один нагреватель, тем не менее, ясно, что обычно в углеводородном слое расположено несколько нагревателей и для простоты на чертежах изображен только один нагреватель. На фиг.3А в углеводородном слое 214А между отверстиями 212 выполнено отверстие 212А. В определенных вариантах осуществления изобретения отверстие 212А является, по существу, горизонтальным отверстием в углеводородном слое 214А. В некоторых вариантах осуществления изобретения отверстие 212А является наклонным отверстием в углеводородном слое 214А (например, слой может быть наклонен и отверстие наклонено так, чтобы быть, по существу, параллельным этому слою). Отверстия 212 представляют собой отверстия (например, в целом вертикально расположенные отверстия), которые отходят от поверхности в углеводородный слой 214А. Углеводородный слой 214А может быть отделен от углеводородного слоя 214В непроницаемой областью 216. В определенных вариантах осуществления изобретения углеводородный слой 214В является верхним слоем или слоем, который расположен на меньшей глубине по сравнению с углеводородным слоем 214А. В некоторых вариантах осуществления изобретения углеводородный слой 214В является нижним слоем или слоем, который расположен на большей глубине по сравнению с углеводородным слоем 214А. В определенных вариантах осуществления изобретения непроницаемая область 216 обеспечивает, по существу, непроницаемый раздел, который препятствует течению флюида между углеводородным слоем 214А и углеводородным слоем 214В. В определенных вариантах осуществления изобретения (например, в пласте нефтеносного сланца) углеводородный слой 214А насыщеннее углеводородами по сравнению с углеводородным слоем 214В.
Как показано на фиг.3А, нагревательный элемент 218А расположен в отверстии 212А в углеводородном слое 214А. Обсадная труба 220 покрывающего слоя расположена вдоль в целом вертикальных стенок отверстия 212 в углеводородном слое 214В. Когда нагревательный элемент 218А подводит тепло к углеводородному слою 214А, обсадная труба 220 покрывающего слоя препятствует подводу тепла в углеводородный слой 214В. Нагревательный элемент 218А используют для подвода тепла к углеводородному слою 214А. Пластовые флюиды (такие как подвижные углеводороды, углеводороды, подвергшиеся пиролизу, и/или вода) могут быть добыты из углеводородного слоя 214А, когда нагревательный элемент 218А нагревает слой и/или после этого нагревания.
Нагревательный элемент 218А может подводить теплоту к углеводородному слою 214А в течение выбранного промежутка времени (например, первого промежутка времени). Длительность выбранного промежутка времени может зависеть от нескольких факторов, в том числе, помимо прочего, от характеристик или свойств пласта, имеющих место в настоящем или будущих экономических факторов или капитальных затрат. Например, для пласта нефтеносного сланца насыщенность углеводородами углеводородного слоя 214А может составлять примерно 0,12 л/кг (30,5 галлонов/тонн) и слой нагревают в течение примерно 25 лет. Добыча пластовых флюидов из углеводородного слоя 214А может продолжаться до тех пор, пока темпы добычи не уменьшатся до экономически нецелесообразного значения.
После нагревания углеводородного слоя 214А в течение выбранного промежутка времени нагревательный элемент 218А отключают. После отключения нагревательного элемента 218А за нагревательный элемент можно сильно потянуть (например, дернуть) вверх, так что нагревательный элемент разорвется в соединениях 222. На поверхности можно тянуть одновременно за оба конца нагревательного элемента 218А, так что соединения 222 разорвутся примерно одновременно. Соединения 222 могут быть слабыми звеньями, разрывающимися при приложении к ним выбранного или значительного тянущего усилия. Например, соединения 222 могут представлять собой разрушаемые механические соединения частей нагревательного элемента. Далее, верхние части нагревательного элемента 218А вытягивают из пласта, а, по существу, горизонтальная часть нагревательного элемента 218А остается в отверстии 212А, как показано на фиг.3В.
В некоторых вариантах осуществления изобретения может разрываться только одно соединение 222, так что можно извлечь верхнюю часть, расположенную выше этого одного соединения, а оставшиеся части нагревателя могут быть извлечены, если тянуть за противоположный конец нагревателя. Таким образом, из пласта может быть извлечен весь нагревательный элемент 218А.
После извлечения верхних частей нагревательного элемента 218А из отверстий 212, в них можно расположить заглушки 224 в выбранных местах углеводородного слоя 214В, как показано на фиг.3В. В определенных вариантах осуществления изобретения заглушки 224 расположены в отверстиях 212 у непроницаемой области 216 или рядом с ней. Заглушки 224 могут содержать изоляционные материалы, такие как, по существу, непроницаемые материалы или другие материалы, которые препятствуют течению флюида между углеводородными слоями в пласте в отверстиях 212 (например, заглушки могут изолировать углеводородный слой 214А). В некоторых вариантах осуществления изобретения в отверстиях 212 над заглушками 224 располагают уплотнение 226. В некоторых вариантах осуществления изобретения в отверстиях 212 располагают уплотнение 226, при этом в отверстиях не предусмотрено заглушек. Уплотнение 226 может содержать, по существу, непроницаемые материалы или другие материалы, которые препятствуют течению флюида.
После расположения заглушек 224 и/или уплотнения 226 в отверстиях 212, в углеводородном слое 214В может быть сформировано, по существу, горизонтальное отверстие 212В. Отверстие 212В может быть пробито (например, пробурено) в обсадной трубе 220 в стенке отверстия 212. В определенных вариантах осуществления изобретения отверстие 212В является, по существу, горизонтальным отверстием в углеводородном слое 214В. В некоторых вариантах осуществления изобретения отверстие 212В является наклонным отверстием в углеводородном слое 214В (например, слой может быть наклонен и отверстие наклонено так, чтобы быть, по существу, параллельным этому слою). Далее нагревательный элемент 218В располагают в отверстии 212В. Нагревательный элемент 218В может быть использован для подвода теплоты к углеводородному слою 214В. Пластовые флюиды, такие как углеводороды, подвергшиеся пиролизу, и/или подвижные углеводороды, можно добывать из углеводородного слоя 214В во время нагревания слоя с помощью нагревательного элемента 218В или после проведения нагревания.
В определенных вариантах осуществления изобретения отверстие 212 является горизонтальным отверстием с одним концом, которое выполнено в углеводородном слое 214А (например, это отверстие содержит только один открытый конец на поверхности пласта). На фиг.4А и 4В показан вариант осуществления изобретения, используемый в горизонтальных стволах скважин с одним концом и предназначенный для последовательного во времени нагревания двух слоев пласта, содержащего углеводороды. В вариантах осуществления изобретения, показанных на фиг.4А и 4В, изображен один нагреватель, тем не менее, ясно, что обычно в углеводородном слое расположено несколько нагревателей и для простоты на чертежах изображен только один нагреватель.
На фиг.4А в углеводородном слое 214А выполнено отверстие 212А, отходящее от отверстия 212. В определенных вариантах осуществления изобретения отверстие 212А является, по существу, горизонтальным отверстием в углеводородном слое 214А и оно заканчивается в этом слое. В некоторых вариантах осуществления изобретения отверстие 212А является наклонным отверстием в углеводородном слое 214А (например, слой может быть наклонен и отверстие наклонено так, чтобы быть, по существу, параллельным этому слою). Отверстие 212 представляет собой отверстие (например, в целом вертикально расположенное отверстие), которое проходит от поверхности в углеводородный слой 214А. Углеводородный слой 214А может быть отделен от углеводородного слоя 214В непроницаемой областью 216. В определенных вариантах осуществления изобретения углеводородный слой 214В является верхним слоем или слоем, который расположен на меньшей глубине по сравнению с углеводородным слоем 214А. В других вариантах осуществления изобретения углеводородный слой 214В является нижним слоем или слоем, который расположен на большей глубине по сравнению с углеводородным слоем 214А. В определенных вариантах осуществления изобретения непроницаемая область 216 обеспечивает, по существу, непроницаемый раздел, который препятствует течению флюида между углеводородным слоем 214А и углеводородным слоем 214В. В определенных вариантах осуществления изобретения (например, в пласте нефтеносного сланца) углеводородный слой 214А насыщеннее углеводородами по сравнению с углеводородным слоем 214В.
Как показано на фиг.4А, нагревательный элемент 218А расположен в отверстии 212А в углеводородном слое 214А. Обсадная труба 220 покрывающего слоя расположена вдоль в целом вертикальных стенок отверстия 212 в углеводородном слое 214В. Когда нагревательный элемент 218А подводит теплоту к углеводородному слою 214А, обсадная труба 220 покрывающего слоя препятствует подводу теплоты в углеводородный слой 214В. Нагревательный элемент 218А используют для подвода тепла к углеводородному слою 214А. Пластовые флюиды (такие как подвижные углеводороды, углеводороды, подвергшиеся пиролизу, и/или вода) могут быть добыты из углеводородного слоя 214А во время того, как нагревательный элемент 218А нагревает слой и/или после этого нагревания.
Нагревательный элемент 218А может подводить теплоту к углеводородному слою 214А в течение выбранного промежутка времени. Длительность выбранного промежутка времени может зависеть от нескольких факторов, в том числе, помимо прочего, от характеристик или свойств пласта, имеющих место в настоящем или будущих экономических факторов или капитальных затрат. Например, для пласта нефтеносного сланца насыщенность углеводородами углеводородного слоя 214А может составлять примерно 0,12 л/кг (30,5 галлонов/тонн) и слой нагревают в течение примерно 25 лет. Добыча пластовых флюидов из углеводородного слоя 214А может продолжаться до тех пор, пока темпы добычи не уменьшатся до экономически нецелесообразного значения.
После нагревания углеводородного слоя 214А в течение выбранного промежутка времени нагревательный элемент 218А отключают. После отключения нагревательного элемента 218А нагревательный элемент может быть извлечен из отверстия 212А. В некоторых вариантах осуществления изобретения одна или несколько частей нагревательного элемента 218А остаются в отверстии 212А. Например, части углеводородного слоя 214А могут зажимать или сжимать нагревательный элемент 218А, так что невозможно полностью извлечь нагревательный элемент из отверстия 212А. В таких случаях нагревательный элемент 218А может быть разорван в соединении 222 и верхнюю часть нагревательного элемента 218А вытягивают из пласта, а, по существу, горизонтальная часть нагревательного элемента 218А остается в отверстии 212А.
После извлечения нагревательного элемента 218А из отверстия 212 в отверстии 212 них можно расположить заглушку 224 в выбранном месте углеводородного слоя 214В, как показано на фиг.4В. В определенных вариантах осуществления изобретения заглушка 224 расположена в отверстии 212 у непроницаемой области 216 или рядом с ней. Заглушка 224 может содержать изоляционные материалы, такие как, по существу, непроницаемые материалы или другие материалы, которые препятствуют течению флюида между углеводородными слоями в пласте в отверстии 212 (например, заглушки могут изолировать углеводородный слой 214А). В некоторых вариантах осуществления изобретения в отверстии 212 над заглушкой 224 располагают уплотнение 226. В некоторых вариантах осуществления изобретения в отверстии 212 располагают уплотнение 226, при этом в отверстии не предусмотрено заглушки. Уплотнение 226 может содержать, по существу, непроницаемые материалы или другие материалы, которые препятствуют течению флюида.
После расположения заглушки 224 и/или уплотнения 226 в отверстии 212, в углеводородном слое 214В может быть сформировано, по существу, горизонтальное отверстие 212В. Отверстие 212В может отходить горизонтально от отверстия 212. В определенных вариантах осуществления изобретения отверстие 212В является, по существу, горизонтальным отверстием в углеводородном слое 214В, которое заканчивается в этом слое. В некоторых вариантах осуществления изобретения отверстие 212В является наклонным отверстием в углеводородном слое 214В (например, слой может быть наклонен и отверстие наклонено так, чтобы быть, по существу, параллельным этому слою). Отверстие 212В может быть пробито (например, пробурено) в обсадной трубе 220 в стенке отверстия 212. Далее нагревательный элемент 218В располагают в отверстии 212В. Нагревательный элемент 218В может быть использован для подвода теплоты к углеводородному слою 214В. Пластовые флюиды, такие как углеводороды, подвергшиеся пиролизу, и/или подвижные углеводороды, можно добывать из углеводородного слоя 214В во время нагревания слоя с помощью нагревательного элемента 218В или после проведения нагревания.
Описанное выше последовательное во времени нагревание углеводородных слоев 214А, 214В более экономически целесообразно по сравнению с добычей только из одного слоя с использованием вертикальных нагревателей, применяемых для одновременного подвода теплоты к слоям. Использование в целом вертикальных отверстий 212 для доступа к обоим углеводородным слоям в различные промежутки времени может сэкономить капитальные вложения, связанные с формированием отверстий в пласте и размещением наземных установок, подводящих питание к нагревательным элементам. Нагревание углеводородного слоя 214А до нагревания углеводородного слоя 214В может улучшить экономические показатели обработки пласта (например, чистую приведенную стоимость проекта обработки пласта). Кроме того, непроницаемая область 216 и уплотнение 226 могут обеспечить герметизацию углеводородного слоя 214А после нагревания и добычи углеводородов из этого слоя. Эта герметизация может быть полезной для завершения эксплуатации углеводородного слоя после его нагревания.
В некоторых вариантах осуществления изобретения теплота из углеводородного слоя 214А может быть извлечена и использована для нагревания углеводородного слоя 214В. Например, через отверстие 212А может циркулировать теплообменная среда, забирающая теплоту из углеводородного слоя 214А. Далее эта теплообменная среда можно быть использована прямо или косвенно (например, с использованием теплообменного устройства для осуществления теплопередачи другому нагреваемому флюиду) для подвода теплоты к углеводородному слою 214В. В некоторых вариантах осуществления изобретения теплоту, извлеченную из углеводородного слоя 214А, используют для снабжения питанием (например, электричеством) других нагревателей (например, нагревательного элемента 218В, используемого в углеводородном слое 214В).
В некоторых вариантах осуществления изобретения до начала нагревания углеводородного слоя 214В в слое 214А может быть осуществлена выработка синтез-газа или другие процессы последующей обработки. Например, диоксид углерода или другие материалы могут быть блокированы в углеводородном слое 214А до помещения заглушки или герметизации.
В свете настоящего описания специалистам в рассматриваемой области могут быть ясны дополнительные модификации и альтернативные варианты осуществления различных аспектов настоящего изобретения. Соответственно это описание надо рассматривать только как иллюстрацию, и оно приведено с целью обучения специалистов в рассматриваемой области общему способу осуществления этого изобретения. Ясно, что показанные и описанные формы изобретения надо рассматривать как предпочтительные в настоящее время варианты осуществления изобретения. Показанные и описанные элементы и материалы могут быть заменены, части и способы могут быть изменены и некоторые признаки изобретения могут быть использованы независимо, что ясно специалисту в рассматриваемой области после понимания описания настоящего изобретения. В описанные элементы могут быть внесены изменения, не выходящие за пределы объема и сущности изобретения, которые раскрыты в прилагаемой формуле изобретения. Кроме того, ясно, что описанные признаки независимо могут быть объединены в некоторых вариантах осуществления изобретения.