专利名称：用于加热地下地层的循环传热流体系统的制作方法
技术领域：
本发明总体涉及用于从各种地下地层(例如含烃地层)生产烃、氢和/或其它产品的方法和系统。特别地，某些实施例涉及用于在就地转化过程期间加热地层的一部分的闭环循环系统。
背景技术：
从地下地层中所获得的烃通常用作能量源、原料以及消费品。对可用烃资源衰竭的关注和对产出烃的总体质量下降的关注，导致开发出了用于更有效地回收、处理和/或使用可用烃资源的方法。就地处理可用于从地下地层移出烃材料。可能需要改变地下地层中的烃材料的化学和/或物理性能，以使烃材料更容易从地下地层移出。化学和物理变化可包括地层中烃材料的生成可移出流体的就地反应、成分变化、溶解度变化、密度变化、相变和/或粘度变化。流体可以是，但是不限于，气体、液体、乳状液、浆液和/或具有与液体流类似的流动特性的固体颗粒流。
许多不同类型的井或井眼可用于使用就地热处理方法来处理含烃地层。在一些实施例中，竖直和/或基本上竖直的井用于处理地层。在一些实施例中，水平或基本水平的井 (诸如J形井和/或L形井)和/或u形井用于处理地层。在一些实施例中，水平井、竖直井和/或其它组合的组合用于处理地层。在某些实施例中，井延伸穿过地层的上覆岩层到达地层的含烃层。在一些情况下，井中的热损失到上覆岩层中。在一些情况下，用于支承水平井眼或u形井眼中的加热器和/或生产设备的地面和上覆岩层的基础结构尺寸和/或数量很大。
Sandberg等人的美国专利7，575，052描述了一种就地热处理方法，该方法采用循环系统加热一个或多个处理区。循环系统可使用经过地层中的管道的已加热的液态传热流体以将热传递至地层。
Vinegar等人的美国专利申请公开2008-01352M描述了一种用于就地热处理过程的系统和方法，该就地热处理过程采用循环系统来加热一个或多个处理区。循环系统使用经过地层中的管道的已加热的液态传热流体以将热传递至地层。在一些实施例中，管道布置在至少两个井眼中。
Nguyen等人的美国专利申请公开2009-00卯476描述了一种用于地下地层的加热系统，该加热系统包括位于地下地层中的开口内的导管。绝缘导体位于导管中。材料在导管中、在绝缘导体的一部分与导管的一部分之间。该材料可以是盐。该材料在加热系统的工作温度下是流体。热从绝缘导体传递至流体，从流体传热递至导管，以及从导管传递至地下地层。
对于提出用于从含烃地层中经济地产出烃、氢和/或其它产品的方法和系统已经付出了巨大的努力。但是，目前仍然存在许多不能从其中经济地产出烃、氢和/或其它产品的含烃地层。因而，仍需要改进的方法和系统，以相对于采用地面基设备回收烃的方法而言，减少用于处理地层的能量消耗、减少来自处理过程的排出物、便于加热系统的安装和/或减少损失到上覆岩层的热损失。
发明内容
在此描述的实施例总体涉及用于处理地下地层的系统和方法。
在一些实施例中，本发明提供了一种用于加热地下地层的方法，包括从多个加热器向地层供给热；使加热器中的一个或多个的一部分移出配备有滑动密封件的井口，以调节加热器的热膨胀。
在一些实施例中，本发明提供了一种用于加热地下地层的方法，包括从多个加热器向地层供给热；和使用一个或多个滑配接头使所述加热器中的一个或多个的一部分移出井口。
在一些实施例中，本发明提供了一种用于调节地层中加热器的热膨胀的方法，包括加热地层中的加热器；将加热器的一部分提升离开地层以调节加热器的热膨胀。
在一些实施例中，本发明提供了一种用于加热地下地层的系统，包括多个定位于地层中的加热器，所述加热器构造用于向地层提供热；和与加热器的一部分联接的至少一个提升器，所述提升器构造用于将加热器的部分提升离开地层以调节加热器的热膨胀。
在另外的实施例中，特定实施例的特征可与其它实施例的特征组合。例如，一个实施例的特征可与任一其它实施例中的特征组合。在另外的实施例中，使用在此所述的方法和系统中的任一个来实现处理地下地层。在另外的实施例中，附加特征可添加到在此所述的特定实施例中。
根据下述详细描述并参照附图，本发明的优点对本领域的技术人员来说可变得显而易见，附图中 图1显示了用于处理含烃地层的就地热处理系统的一部分的一个实施例的示意图。
图2示出了用于加热地层的一部分的传热流体循环系统的一个实施例的示意图。
图3示出了 L形加热器的一个实施例的示意图，该L形加热器与传热流体循环系统一起使用以加热地层的一部分。
图4示出了竖直加热器的一个实施例的示意图，该竖直加热器与传热流体循环系统一起使用以加热地层的一部分，其中，加热器的热膨胀在地面下方进行调节。
图5示出了竖直加热器的另一个实施例的示意图，该竖直加热器与传热流体循环系统一起使用以加热地层的一部分，其中，加热器的热膨胀在地面上方和下方进行调节。
图6示出了利用绝缘水泥的上覆岩层隔热的一个实施例的剖视图。
图7示出了利用隔热套的上覆岩层隔热的一个实施例的剖视图。
图8示出了利用隔热套和真空的上覆岩层隔热的一个实施例的剖视图。
图9示出了用于调节热膨胀的波纹管一个实施例的视图。
图IOA示出了具有用于调节热膨胀的膨胀环圈的管道的一个实施例的视图。
图IOB示出了具有用于调节热膨胀的盘绕或卷绕管道的管道的一个实施例的视图。
图IOC示出了具有封装在隔热容箱中的用于调节热膨胀的盘绕或卷绕管道的管道的一个实施例的视图。
图11示出了在上覆岩层中的大直径套管内的隔热管道的一个实施例的视图。
图12示出了在上覆岩层中的大直径套管内的隔热管道用于调节热膨胀的一个实施例的视图。
图13示出了具有滑动密封件、填料箱或允许加热器的一部分相对于井口运动的其它压力控制设备的井口的一个实施例的视图。
图14示出了具有与井口上方的固定导管相互作用的滑配接头的井口的一个实施例的视图。
图15示出了具有与井口联接的固定导管相互作用的滑配接头的井口的一个实施例的视图。
图16示出了具有密封件的传热流体循环系统的一个实施例的示意图。
图17示出了具有密封件的传热流体循环系统的另一个实施例的示意图。
图18示出了具有锁定机构和密封件的传热流体循环系统的一个实施例的示意图。
图19示出了具有定位于井眼中的热传热流体循环系统的U形井眼的一个实施例的视图。
图20示出了用于邻近处理区的传热流体循环系统的导管中导管加热器的一个实施例的端视图。
图21示出了用于加热加热器的各部分以重新开始加热器中传热流体的流动的一个实施例的视图。
图22示出了定位于地层中的传热流体循环系统的导管中导管加热器的一个实施例的示意图。
图23示出了邻近上覆岩层的导管中导管加热器的一个实施例的剖视图。
图M示出了用于液态传热流体的循环系统的一个实施例的示意图。
虽然本发明易于具有多种修改和替代形式，但是其具体实施例在附图中以实例方式进行显示，并且可在此进行详细描述。附图可不按比例绘制。但是，应该理解的是，附图和详细描述不旨在将本发明限制为所公开的特别形式，而是相反地，旨在覆盖落入由所附权利要求所限定的本发明的精神和范围内的所有修改、等同物和替代形式。
具体实施例方式下述描述总体涉及用于处理地层中的烃的系统和方法。这些地层可被处理以生产烃产品、氢和其它产品。
"API重力指标”表示在15. 50C (60° F)时的API重力指标。API重力指标由美国材料试验协会方法(ASTM Method)D6822或ASTM Method D1298确定。
“流体压力”是由地层中的流体产生的压力。“静岩压力”(有时称为“静岩应力”) 是地层中与上覆岩层块的单位面积的重量相等的压力。“流体静压”是由水柱施加在地层中的压力。
“地层”包括一个或多个含烃层、一个或多个非烃层、上覆岩层和/或下伏岩层。“烃层”指地层中的含烃层。烃层可包含非烃材料和烃材料。“上覆岩层”和/或“下伏岩层” 包括一种或多种不同类型的不可渗透材料。例如，上覆岩层和/或下伏岩层可包括岩石、页岩、泥岩或润湿/致密的碳酸盐岩。在一些就地热处理过程的实施例中，上覆岩层和/或下伏岩层可包括一层或多层含烃层，所述含烃层在就地热处理过程中是相对不可渗透的并且不受温度影响，所述就地热处理导致上覆岩层和/或下伏岩层的含烃层的性能发生显著变化。例如，下伏岩层可含有页岩或泥岩，但是不允许下伏岩层在就地热处理过程期间加热到热解温度。在一些情形中，上覆岩层和/或下伏岩层可以是稍微可渗透的。
“地层流体”是指存在于地层中的流体，并且可包括热解流体、合成气、流动的烃和水(蒸汽)。地层流体可包括烃流体以及非烃流体。术语“流动的流体”是指含烃地层中的由于地层的热处理而能够流动的流体。“产出流体”是指从地层移出的流体。
“热源”是用于基本上通过传导和/或辐射传热向地层的至少一部分提供热的任何系统。例如，热源可包括导电材料和/或包括电加热器，诸如绝缘导体、细长部件和/或布置在导管中的导体。热源还可包括通过燃烧地层外部或地层中的燃料来产生热的系统。所述系统可以是地表燃烧器、井下气体燃烧器、无焰分布式燃烧器和自然分布式燃烧器。在一些实施例中，一个或多个热源所提供或产生的热可由其它能量源提供。所述其它能量源可直接加热地层，或者所述能量可施加到直接或间接地加热地层的传递介质。应该理解的是， 将热施加到地层的一个或多个热源可使用不同的能量源。因而，例如，对于给定地层，一些热源可由导电材料(电阻加热器)提供热，一些热源可通过燃烧提供热，一些热源可由一个或多个其它能量源(例如，化学反应、太阳能、风能、生物质或其它可再生能量源)提供热。 化学反应可包括放热反应(例如氧化反应)。热源还可包括向加热位置(诸如加热器井) 附近或周围的区域提供热的导电材料和/或加热器。
“加热器”是用于在井中或井眼区域附近产生热的任何系统或热源。加热器可以是，但不限于，电加热器、燃烧炉、与地层中的材料或从地层产出的材料发生反应的燃烧器、 和/或它们的组合。
“重烃”是粘性烃流体。重烃可以包括高粘性烃流体，诸如重油、焦油和/或浙青。 重烃可以包括碳和氢，以及较低浓度的硫、氧和氮。其它元素也可以微量存在于重烃中。重烃可通过API重力指标分类。重烃通常具有低于约20°的API重力指标。例如，重油通常具有约10-20°的API重力指标，而焦油通常具有低于约10°的API重力指标。重烃的粘性在15°时通常大于约100厘泊。重烃可包括芳烃或其它复杂的环烃。
重烃可在相对可渗透的地层中找到。相对可渗透的地层可包括例如夹杂于砂或碳酸盐岩中的重烃。相对于地层或地层的一部分，“相对可渗透的”被定义为10毫达西或以上 (例如10或100毫达西)的平均渗透性。相对于地层或地层的一部分，“相对低渗透性”被定义为小于约10毫达西的平均渗透性。1达西等于约0.99平方微米。不可渗层通常具有小于约0.1毫达西的渗透性。
包含重烃的某些类型地层还可包括，但并不限于，天然矿物蜡或天然浙青岩。“天然矿物蜡”典型地存在于大致管状的矿脉中，这些矿脉可具有数米宽、数千米长和数百米深。“天然浙青岩”包括具有芳族成分的固体烃，并典型地存在于大矿脉中。从诸如天然矿物蜡和天然浙青岩的地层中就地回收烃可包括熔融以形成液态烃和/或从地层中对烃进行溶解采矿。
“烃”通常定义为主要由碳和氢原子形成的分子。烃还可包括其它元素，例如，但不限于，卤素、金属元素、氮、氧和/或硫。烃可以是，但不限于，油母、浙青、焦浙青、油类、天然矿物蜡和浙青岩。烃可位于大地中的矿物基体中或与矿物基体相邻。基体可包括，但不限于，沉积岩、砂、沉积石英岩、碳酸盐岩、硅藻土和其它多孔介质。“烃流体”是包括烃的流体。 烃流体可包括夹带非烃流体或被夹带在非烃流体中的流体，所述非烃流体诸如为氢、氮、一氧化碳、二氧化碳、硫化氢、水和氨。
“就地转化过程”是指通过热源加热含烃地层以将地层的至少一部分的温度升高到热解温度以上以使得在地层中产生热解流体的过程。
“就地热处理过程”是指使用热源加热含烃地层以将地层的至少一部分的温度升高到导致含烃材料地层的流体流动、降粘和/或热解的温度以上以使得在地层中产生流动的流体、降粘的流体和/或热解流体的过程。
“绝缘导体”是指任何能够导电的并且全部或部分地由电绝缘材料覆盖的细长物体。
“热解”是由于施加热而导致化学键的断裂。例如，热解可包括仅通过热将化合物转变为一种或多种其它物质。热可被传递到地层的一部段以引起热解。
“热解流体”或“热解产品，，是指基本上在烃的热解期间产生的流体。通过热解反应产生的流体可与地层中的其它流体混合。混合物被认为是热解流体或热解产品。如在此所使用的，“热解区”是指被反应或进行反应以形成热解流体的地层体(例如，相对可渗透的地层，诸如浙青砂地层)。
“热的叠加”是指从两个或更多个热源向地层的选定部段提供热，以使得在热源之间的至少一个位置处的地层温度受热源影响。
“浙青砂地层”是烃主要以夹带在矿物颗粒结构或其它主岩岩性(例如砂或碳酸盐岩)中的重烃和/或焦油形式存在的地层。浙青砂地层的实例包括例如阿萨巴斯卡 (Athabasca)地层，格罗斯蒙特(Grosmont)地层以及和平河(Peace River)地层，这三个地层均在加拿大的艾伯塔省，以及包括位于委内瑞拉的奥斯诺科河带的i^aja地层。
“限温加热器”通常是指将热输出调节(例如，减少热输出)到规定温度以上而无需使用外部控制器的加热器，所述外部控制器诸如为温度控制器、功率调节器、整流器或其它装置。限温加热器可以是AC(交流电流)或调制(例如“斩波”)DC(直流)供电的电阻加热器。
层的“厚度”指的是层横截面的厚度，其中横截面与层的表面垂直。
“U形井眼”是指从地层中的第一开口延伸穿过地层的至少一部分并且从地层中的第二开口穿出的井眼。在本文中，井眼可以仅大体上呈“V”形或“U”形，对于视为“U”形的井眼，“U”形的“腿”应该理解成不需要彼此平行或垂直于“U”的底部。
“改质”是指提高烃的质量。例如，改质重烃可导致提高重烃的API重力指标。
“降粘”是指在热处理期间解开分子和/或在热处理期间将大分子破坏成小分子， 这导致了流体粘性的下降。
除非另作说明，“粘度”是指在40°C时的动态粘度。粘度通过ASTM Method D445确定。
术语“井眼”是指通过钻井或将导管插入地层中而在地层中形成的孔。井眼可具有基本上圆形的横截面或其它横截面形状。如在此所使用的，术语“井”和“开口，，在指地层中的开口时可与术语“井眼”互换使用。
可以各种方式处理地层，以生产出许多不同的产品。不同的阶段或过程可用于在就地热处理过程期间处理地层。在一些实施例中，地层的一个或多个部段进行溶解采矿，以从这些部段中移出可溶矿物。可在就地热处理过程之前、期间和/或之后对矿物进行溶解采矿。在一些实施例中，进行溶解采矿的一个或多个部段的平均温度可被保持在约120°C以下。
在一些实施例中，一个或多个地层部分被加热，以便从这些部段移出水和/或从这些部段中移出甲烷和其它挥发性烃。在一些实施例中，在移出水和挥发性烃的过程中，平均温度可从环境温度上升到约220°C以下的温度。
在一些实施例中，地层的一个或多个部段被加热到允许地层中的烃运动和/或降粘的温度。在一些实施例中，地层的一个或多个部段的平均温度可被升高到这些部段中的烃流动的温度(例如，从100°C到250°C范围内的温度、从120°C到240°C范围内的温度或者从150°C到230°C范围内的温度)。
在一些实施例中，一个或多个部段被加热到允许在地层中进行热解反应的温度。 在一些实施例中，地层的一个或多个部段的平均温度可被升高到烃在这些部段中的热解温度(例如从230°C到900°C范围内的温度、从240°C到400°C范围内的温度或者从250°C到 350°C范围内的温度)。
利用多个热源加热含烃地层可在热源周围形成热梯度，所述热源将地层中烃的温度以期望的加热速度升高到期望的温度。温度升高经过用于期望产品的流动温度范围和/ 或热解温度范围的速率可影响从含烃地层产生的地层流体的质量和数量。将地层温度缓慢升高经过流动温度范围和/或热解温度范围可允许从地层中生产出高质量、高API重力指标的烃。将地层温度缓慢升高经过流动温度范围和/或热解温度范围可允许移出存在于地层中的大量烃以作为烃产品。
在一些就地热处理的实施例中，代替将温度缓慢地加热经过温度范围的是将地层的一部分加热到期望的温度。在一些实施例中，期望的温度是300°C、325°C或350°C。可选择其它温度作为期望的温度。
叠加来自热源的热允许在地层中相对快速有效地建立期望温度。从热源输入地层中的能量可被调节以使地层中的温度基本上保持在期望温度。
流动和/或热解产品可通过生产井从地层生产出。在一些实施例中，一个或多个部段的平均温度升高到流动温度，并且烃从生产井生产出。在生产之后，由于流动降低到选定值以下，一个或多个部段的平均温度可被升高到热解温度。在一些实施例中，在达到热解温度之前不进行大量生产的情况下，一个或多个部段的平均温度可被升高到热解温度。包含热解产品的地层流体可通过生产井生产出。
在一些实施例中，一个或多个部段的平均温度可被升高到足够高的温度，以便允许在流动和/或热解之后进行合成气体生产。在一些实施例中，烃可被升高至足够高温度， 以便在达到足以允许进行合成气生产的温度之前不进行大量生产情况下允许进行合成气生产。例如，合成气体可在从约400°C到约1200°C、从约500°C到约1100°C或者从约550°C 到约1000°C的温度范围内产生。合成气产生流体(例如蒸汽和/或水)被引入到这些部段中以产生合成气。合成气可从生产井中生产出。
溶解采矿、挥发性烃和水的移出、使烃流动、热解烃、产生合成气和/或其它过程可在就地热处理过程中进行。在一些实施例中，一些过程可在就地热处理之后进行。这些过程可包括，但不限于，从已处理的部段回收热、将流体(例如，水和/或烃)存储在先前已处理的部段中和/或将二氧化碳隔绝在先前已处理的部段中。
图1描绘了用于处理含烃地层的就地热处理系统的一部分的一个实施例的示意图。该就地处理系统可包括障壁井100。障壁井用于在处理区周围形成障壁。所述障壁抑制流体流入和/或流出处理区。障壁井包括，但是不限于，脱水井、真空井、俘获井、注入井、 灌浆井、冷冻井或它们的组合。在一些实施例中，障壁井100是脱水井。脱水井可去除液态水和/或阻止液态水进入待加热的地层部分或正在被加热的地层。在图1所示的实施例中， 障壁井100显示为仅沿热源102的一侧延伸，但是障壁井通常环绕所使用的或将要使用的所有热源102，以加热地层的处理区。
热源102设置在地层的至少一部分中。热源102可包括导电材料。在一些实施例中，加热器例如为绝缘导体、导体在导管中的加热器、地表燃烧器、无焰分布式燃烧器和/ 或自然分布式燃烧器。热源102还可包括其它类型的加热器。热源102向地层的至少一部分提供热，以加热地层中的烃。能量可通过供给管线104供应给热源102。供给管线104可根据一种或多种用于加热地层的热源而在结构上有所不同。用于热源的供给管线104可传输用于导电材料或电加热器的电，可传输用于燃烧器的燃料，或者可传输在地层中循环的热交换流体。在一些实施例中，用于就地热处理过程的电可由一个或多个核电站提供。使用核动力可使得降低或消除从就地热处理过程释放的二氧化碳。
加热地层可引起地层的渗透性和/或孔隙率增大。渗透性和/或孔隙率的增大可通过由于水的汽化和移出、烃的移出和/或断裂的形成而使地层中的矿体减小而产生。由于地层的增大的渗透性和/或孔隙率，流体可更容易地在地层受热部分中流动。由于增大的渗透性和/或孔隙率，地层受热部分中的流体可运动通过地层相当长的距离。相当长的距离根据各种因素可以是IOOOm以上，该各种因素诸如是地层的渗透性、流体的性质、地层的温度和允许流体运动的压力梯度。流体在地层中行进相当长距离的能力允许生产井106 在地层中相对远地间隔开。
生产井106用于从地层移出地层流体。在一些实施例中，生产井106包括热源。 生产井中的热源可在生产井处或生产井附近加热地层的一个或多个部分。在一些就地热处理过程的实施例中，由每米生产井从生产井提供给地层的热量小于由加热地层的每米热源提供给地层的热量。从生产井提供给地层的热可通过汽化和移出生产井附近的液相流体和 /或通过由形成大量和/或极微小的断裂而增大生产井附近的地层的渗透性来增大生产井附近的地层渗透性。
在一些实施例中，生产井106中的热源允许从地层中移出地层流体的汽相。在生产井处或通过生产井提供热可用于(1)在该生产流体邻近上覆岩层在生产井中运动时抑制该生产流体的冷凝和/或逆流；(2)增加输入到地层中的热；(3)与没有热源的生产井相比提高生产井的产率；⑷抑制生产井中高碳数(C6及以上)化合物的冷凝；和/或(5)增大生产井处或生产井附近的地层的渗透性。
地层中的地下压力可对应于在地层中产生的流体压力。随着地层的受热部分中的温度升高，受热部分中的压力可由于就地流体的热膨胀、增加的流体生成和水的汽化而增大。控制从地层移出流体的速率可允许控制地层中的压力。地层中的压力可在很多不同的位置处确定，诸如在生产井附近或在生产井处、在热源附近或在热源处、或在监控井处。
在一些含烃地层中，从地层生产烃受到抑制，直到已经使地层中的至少一些烃流动和/或热解。当地层流体具有选定质量时，地层流体可从地层产出。在一些实施例中，选定质量包括至少约20°、30°或40°的API重力指标。直到使至少一些烃流动和/或热解， 抑制生产才可加快重烃向轻烃的转化。抑制初期产量可使从地层产出的重烃的量最小。生产大量重烃可能需要昂贵的设备和/或缩短生产设备的寿命。
在一些实施例中，可允许增加由在地层中产生的流动流体、热解流体或其它流体的膨胀所产生的压力，尽管通向生产井106的开放路径或任何其它压力降可能仍然不存在于地层中。可允许流体压力朝向岩石静压力增加。含烃地层中的断裂可在流体接近岩石静压力时形成。例如，可在地层的受热部分中从热源102至生产井106形成断裂。受热部分中断裂的产生可释放该部分中的一些压力。地层中的压力可能不得不保持低于选定压力以便抑制不想要的生产、上覆岩层或下伏岩层的断裂和/或烃在地层中的焦化。
在达到流动和/或热解温度且允许从地层进行生产之后，地层中的压力可发生变化，用于改变和/或控制产出的地层流体的成分、用于控制地层流体中可冷凝流体相对于不可冷凝流体的百分比、和/或用于控制正在产出的地层流体的API重力指标。例如，降低压力可导致产出较大的可冷凝流体组分。可冷凝流体组分可含有较大百分比的烯烃。
在一些就地热处理过程的实施例中，地层中的压力可保持足够高以促使产出API 重力指标大于20°的地层流体。在地层中保持增大的压力可在就地热处理期间抑制地层塌陷。保持增大的压力可减少或消除对在地表处压缩地层流体以将收集管道中的流体输送到处理设备的需要。
令人惊讶的是，在地层的受热部分中保持增加的压力可允许产生质量提高且相对低分子量的大量烃。压力可保持成使得产出的地层流体具有极小量的所选碳数以上的化合物。所选碳数可以是至多25、至多20、至多12或至多8。一些高碳数化合物可夹带在地层中的蒸气中并且可与蒸气一起从地层移出。在地层中保持增大的压力可抑制在蒸气中夹带高碳数化合物和/或多环烃化合物。高碳数化合物和/或多环烃化合物可在地层中在相当长时间保持为液相。相当长时间可为化合物提供足够长的时间进行热解以形成低碳数化合物。
从生产井106产出的地层流体可通过收集管道108输送到处理设备110。地层流体还可从热源102产出。例如，流体可从热源102产出以控制邻近热源的地层中的压力。从热源102产出的流体可通过生产管或管道输送到收集管道108，或者产出流体可通过生产管或管道直接输送到处理设备110。处理设备110可包括分离单元、反应单元、改质单元、 燃料室、涡轮、存储容器和/或其它用于处理产出的地层流体的系统和单元。处理设备可将从地层产出的烃的至少一部分形成运输燃料。在一些实施例中，运输燃料可以是航空燃料 (jet fuel)，诸如 JP-8。
在某些实施例中，热源、热源动力源、生产设备、供给管线和/或其它热源或生产支承设备布置在隧道(tunnels)中，以使得较小尺寸的热源和/或较小尺寸的设备能够用于处理地层。将这些设备和/或结构布置在隧道中同样可减少用于处理地层的能量源成本，减少来自处理过程的排出物，便于加热系统的安装，和/或与采用地面基设备进行烃回收过程相比减少损失到上覆岩层的热损失。例如这些隧道可以为基本上水平隧道和/或倾斜隧道。
在一些就地处理过程的实施例中，使用循环系统来加热地层。使用用于含烃地层的就地热处理的循环系统可减少用于处理地层的能量成本，减少来自该处理过程的排出物，和/或便于加热系统的安装。在某些实施例中，该循环系统是闭环循环系统。图2示出了使用循环系统加热地层的系统的示意图。该系统可用于加热烃，所述烃位于土地中较深处并且位于相对较大范围的地层中。在一些实施例中，烃可位于地面以下100m、200m、300m 或更深。该循环系统还可用于加热并没有深入地中的烃。烃可存在于纵长延伸高达1000m、 3000m、5000m或更多米的地层中。该循环系统的加热器可相对于相邻的加热器布置，以使得循环系统的加热器之间的热叠加允许地层的温度至少升高到地层中的含水地层流体的沸点以上。
在一些实施例中，加热器200通过钻出第一井眼然后钻出与第一个井眼相连的第二井眼而形成于地层中。管道可布置在u形井眼中，以形成u形加热器200。加热器200通过管道连接到传热流体循环系统202。在一些实施例中，加热器以三角形图案布置。在一些实施例中，使用了其它规则的或不规则的图案。生产井和/或注入井也可位于地层中。生产井和/或注入井可具有与加热器200的加热部分类似、长的基本水平部段，或者生产井和 /或注入井可其它方式定向(例如，这些井可以是竖直定向的井、或者包括一个或多个倾斜部分的井)。
如图2所示，传热流体循环系统202可包括供热装置204、第一热交换器206、第二热交换器208和流体推进器210。供热装置204将传热流体加热到高温。供热装置204可以是炉子、太阳能收集器、化学反应器、核反应堆、燃料室和/或其它能够向传热流体供给热的高温源。如果传热流体是气体，则流体推进器210可以是压缩机。如果传热流体是液体，流体推进器210可以是泵。
在离开地层212之后，传热流体经过第一热交换器206和第二热交换器208到达流体推进器210。第一热交换器206在离开地层212的传热流体与离开流体推进器210的传热流体之间的传热，以升高进入供热装置204的传热流体的温度，以及降低离开地层212 的流体的温度。第二热交换器208进一步降低了传热流体的温度。在一些实施例中，第二传热流体208包括用于传热流体的储存罐或者是用于传热流体的储存罐。
传热流体从第二热交换器208流到流体推进器210。流体推进器210可位于供热装置204之前，以使得流体推进器不必在高温下工作。
在一个例中，传热流体是二氧化碳。供热装置204是将传热流体加热到从约700°C 到约920°C、从约770°C到约870°C、或者从约800°C到约850°C范围内的温度的炉子。在一个实施例中，供热装置204将传热流体加热到约820°C的温度。传热流体从供热装置204流到加热器200。热从加热器200传热到邻近加热器的地层212。离开地层212的传热流体的温度可处于从约350°C到约580°C范围内的温度、从约400°C到约530°C范围内的温度、或者从约450°C到约500°C范围内的温度。在一个实施例中，离开地层212的传热流体的温度是约480°C。用于形成传热流体循环系统202的管道的冶金性可被改变，以显著地降低管道的成本。可从供热装置204到温度足够低的位置处使用高温钢，以使得可从该温度足够低的位置到第一热交换器206使用较为廉价的钢。若干不同等级的钢可用于形成传热流体循环系统202的管道。
在一些实施例中，晒盐(例如包含60wt% (重量百分比)的NaNO3和40wt%KN03) 用作循环流体系统中的传热流体。晒盐可具有约230°C的熔点和约565°C的工作温度上限。 在一些实施例中，LiNO3(例如，在约10%重量百分比与约30%重量百分比之间的LiNO3)可添加到晒盐中，以生产具有较宽工作温度范围和较低熔点的第三系盐混合物，只是第三系盐混合物与晒盐相比最大工作温度稍微下降。第三系盐混合物的较低熔点可降低预热要求并且允许使用加压水和/或加压盐水作为用于预热循环系统的管道的传热流体。由在 550°C时第三系盐混合物所引起的加热器的金属腐蚀率与由在565°C时晒盐所引起的加热器的金属腐蚀率相当。表1示出了晒盐和第三系盐混合物的熔点和工作温度上限。第三系盐混合物的含水溶液可在移出水时在没有凝固的情况下转变成熔盐，从而允许提供熔盐和 /或将熔盐以水溶液形式进行存储。
表 1
权利要求
1.一种用于加热地下地层的方法，包括从多个加热器向地层供给热；和使加热器中的一个或多个的一部分移出配备有滑动密封件的井口，以调节加热器的热膨胀。
2.如权利要求1所述的方法，其中从多个加热器供给热包括使传热流体流经一个或多个加热器。
3.如权利要求1所述的方法，其中加热器的移出井口的部分是隔热的。
4.如权利要求1所述的方法，还包括在由于热膨胀所引起的加热器长度发生显著变化停止之后固定加热器相对于加热器所经过的井口的位置。
5.一种用于加热地下地层的方法，包括从多个加热器向地层供给热；和使用一个或多个滑配接头使所述加热器中的一个或多个的一部分移出井口。
6.如权利要求5所述的方法，其中至少一个滑配接头的至少一部分包括至少一个滑动密封件，其中所述滑动密封件在空间上隔热。
7.如权利要求5所述的方法，其中从多个加热器供给热包括使传热流体流经一个或多个加热器。
8.如权利要求5所述的方法，其中加热器的移出井口的部分是绝缘的。
9.如权利要求5所述的方法，还包括在由于热膨胀所引起的加热器长度发生显著变化停止之后固定加热器相对于加热器所经过的井口的位置。
10.一种用于调节地层中加热器的热膨胀的方法，包括加热地层中的加热器；和将加热器的一部分提升离开地层以调节加热器的热膨胀。
11.如权利要求10所述的方法，其中至少一个滑配接头的至少一部分包括至少一个滑动密封件，其中所述滑动密封件在空间上隔热。
12.如权利要求10所述的方法，其中从多个加热器供给热包括使传热流体流经一个或多个加热器。
13.如权利要求10所述的方法，其中加热器的移出井口的部分是隔热的。
14.如权利要求10所述的方法，还包括在由于热膨胀所引起的加热器长度发生显著变化停止之后固定加热器相对于加热器所经过的井口的位置。
15.一种用于加热地下地层的系统，包括多个定位于地层中的加热器，所述加热器构造用于向地层提供热；和与加热器的一部分联接的至少一个提升器，所述提升器构造用于将加热器的部分提升离开地层以调节加热器的热膨胀。
16.如权利要求15所述的系统，其中从多个加热器供给热包括使传热流体流经一个或多个加热器。
17.如权利要求15所述的系统，其中至少一个提升器包括液压提升器。
18.如权利要求15所述的系统，还包括在至少一个提升器附近测量加热器的应变，以及基于所测量的应变控制由提升器施加给加热器的提升量。
19.如权利要求15所述的系统，还包括在加热加热器之前测量与加热器联接的提升器的第一液压压力，在开始加热之后控制提升器的液压压力以将提升器的液压压力保持为至少接近第一液压压力。
20.如权利要求15所述的系统，还包括在由于热膨胀所引起的加热器长度发生显著变化停止之后固定加热器相对于加热器所经过的井口的位置。
全文摘要
本发明描述了用于处理地下地层的系统和方法。一种用于加热地下地层的方法可包括从多个加热器向地层供给热；和使加热器中的一个或多个的一部分移出配备有滑动密封件的井口，以调节加热器的热膨胀。
文档编号E21B43/24GK102187055SQ200980140451
公开日2011年9月14日 申请日期2009年10月9日 优先权日2008年10月13日
发明者R·M·巴斯, A·M·G·L·克鲁斯, E·R·F·奥坎波斯, D·拉古, J·S·松, J·J·文迪托 申请人:国际壳牌研究有限公司