Нагреватель с ограничением температуры, в котором используется фазовое преобразование ферромагнитного материала

Нагреватель с ограничением температуры, в котором используется фазовое преобразование ферромагнитного материала

Иллюстрации

Показать все

Реферат

Правительство США имеет определенные права на это изобретение в соответствии с соглашением №ERD-05-2516 между UT-Battelle LLC, работающей по генеральному контракту №DE-ACO5-00OR22725 для Министерства энергетики, и Shell Exploration and Production Company.

Область техники, к которой относится изобретение Настоящее изобретение относится в основном к нагревателям со свойствами ограничения температуры. Конкретные варианты осуществления относятся к нагревателям, используемым при обработке подземных пластов, таких, как углеводородсодержащие пласты, для добычи углеводородов, водорода и/или других продуктов из пласта.

Уровень техники

Углеводороды, получаемые из подземных пластов, часто используются в качестве энергетических ресурсов, в качестве исходного сырья и в качестве потребительских продуктов. Беспокойство по поводу истощения имеющихся углеводородных ресурсов и беспокойство по поводу снижения качества добываемых углеводородов в целом привело к разработке процессов более эффективного извлечения, обработки и/или использования имеющихся углеводородных ресурсов. Для удаления углеводородных материалов из подземных пластов можно использовать процессы, проводимые in situ. Для обеспечения облегченного удаления углеводородного материала из подземного пласта может потребоваться изменение химических и/или физических свойств углеводородного материала в подземном пласте. Химические и физические изменения могут включать в себя реакции in situ, которые дают удаляемые флюиды, изменения композиций, изменения растворимости, изменения плотности, фазовые изменения и/или изменения скорости углеводородного материала в пласте. Флюиды могут быть, но не в ограничительном смысле, газом, жидкостью, эмульсией, суспензией и/или потоком твердых частиц, которые имеют характеристики течения, аналогичные течению жидкости.

Нагреватели могут быть установлены в стволах скважин для нагрева пласта во время проведения процесса in situ. Примеры процессов, проводимых in situ, проиллюстрированы в патентах США №№2634961 (Ljungstrom), 2732195 (Ljungstrom), 2780450 (Ljungstrom), 2789805 (Ljungstrom), 2923535 (Ljungstrom) и 4886118 (Van Meurs и др.).

Нагрев пластов горючих сланцев описан в патентах США №№2923535 (Ljungstrom) и 4886118 (Van Meurs и др.). К пласту горючих сланцев можно прикладывать нагрев, чтобы провести пиролиз керогена в пласте. Нагрев может также приводить к разрыву пласта, увеличивая проницаемость пласта. Повышенная проницаемость может обеспечить движение флюидов пласта в эксплуатационную скважину, по которой флюиды удаляются из пласта горючих сланцев. Например, в некоторых процессах, которые описал Ljungstrom, кислородсодержащую газовую среду вводят в проницаемый слой, предпочтительно еще горячий после стадии предварительного нагрева, чтобы инициировать сгорание.

Для нагрева подземного пласта можно использовать источник тепла. Для нагрева подземного пласта посредством излучения и/или проводимости, можно использовать электрические нагреватели. Электрический нагреватель может осуществлять резистивный нагрев элемента. В патенте США №2548360 (Germain) описан электрический нагревательный элемент, помещенный в вязкую нефть в стволе скважины. Этот нагревательный элемент нагревает нефть и делает ее более жидкой, обеспечивая выкачивание нефти из скважины. В патенте США №4716960 (Eastlund и др.) описана электрическая нагревательная труба нефтяной скважины, работающая за счет пропускания по этой трубе тока относительно низкого напряжения для предотвращения образования твердых частиц. В патенте США №5065818 (Van Egmond) описан электрический нагревательный элемент, который зацементирован в ствол скважины без кожуха, окружающего этот нагревательный элемент.

В патенте США №6023554 (Vinegar и др.) описан электрический нагревательный элемент, который расположен в обсадной трубе. Этот нагревательный элемент генерирует излучаемую энергию, которая нагревает обсадную трубу. Между обсадной трубой и пластом можно поместить гранулированный твердый наполнитель. Обсадная труба может нагревать наполнитель за счет теплопроводности, а он, в свою очередь, нагревает пласт за счет теплопроводности.

Некоторые нагреватели могут выходить из строя или отказывать из-за «горячих пятен» в пласте. Если температура вдоль любой точки нагревателя превышает или почти превышает максимальную рабочую температуру нагревателя, может потребоваться уменьшение мощности, подаваемой на весь нагреватель в целом, чтобы избежать отказа нагревателя и/или перегрева пласта в «горячих пятнах» в пласте или около них. Некоторые нагреватели не могут обеспечить равномерный нагрев вдоль длины нагревателя до тех пор, пока нагреватель не достигнет определенного предела температуры. Некоторые нагреватели не нагревают подземный пласт эффективно.

Поэтому выгодно иметь нагреватель, который обеспечивает равномерный нагрев вдоль длины нагревателя, нагревает поверхностный пласт эффективно, обеспечивает автоматическую коррекций температуры, когда участок пласта достигает выбранной температуры, и/или обладает, по существу линейными магнитными свойствами и большим коэффициентом мощности при температуре ниже выбранной температуры. Может оказаться выгодным использование нагревателей, которые ограничивают температуру на уровне температуры Кюри ферромагнитного материала в нагревателе или близком к этой температуре и/или на уровне, находящемся в пределах диапазона температуры фазового превращения ферромагнитного материала или близком к этому диапазону. Использование температуры Кюри и/или диапазона температуры фазового превращения ферромагнитного материала увеличивает диапазон металлургических композиций, которые можно использовать в нагревателях с ограничением температуры.

Сущность изобретения

Варианты осуществления, описываемые здесь, относятся в основном к системам, способам и нагревателям для обработки подземного пласта. Варианты осуществления, описываемые здесь, также относятся в основном к нагревателям, которые содержат новые композиции. Такие нагреватели можно получать путем использования систем и способов, описываемых в данной заявке.

В определенных вариантах осуществления, изобретение обеспечивает одну или более (один или более) систем, способов и/или нагревателей. В некоторых вариантах осуществления системы, способы и/или нагреватели используются для обработки подземного пласта.

В определенных вариантах осуществления, изобретение обеспечивает нагреватель, содержащий ферромагнитный проводник и электрический проводник, электрически соединенный с ферромагнитным проводником, причем конфигурация нагревателя обеспечивает первое количество тепла при более низкой температуре и конфигурация нагревателя обеспечивает второе, уменьшенное количество тепла, когда нагреватель достигает выбранной температуры или входит в диапазон выбранной температуры, при которой ферромагнитный проводник претерпевает фазовое превращение.

В дополнительных вариантах осуществления признаки из конкретных вариантов осуществления могут быть объединены с признаками из других вариантов осуществления. Например, признаки из одного варианта осуществления могут быть объединены с признаками любого из других вариантов осуществления.

В дополнительных вариантах осуществления, обработка подземного пласта осуществляется с использованием любого из способов, систем или нагревателей, описываемых здесь.

В дополнительных вариантах осуществления возможно внесение дополнительных признаков в описываемые здесь конкретные варианты осуществления.

Краткое описание чертежей

Преимущества настоящего изобретения могут стать очевидными для специалистов в данной области техники, ознакомившихся с нижеследующим подробным описанием, приводимым со ссылками на прилагаемые чертежи, при этом:

на фиг.1 изображена иллюстрация стадий нагрева углеводородсодержащего пласта;

на фиг.2 показано схематическое изображение варианта осуществления участка системы термической обработки in situ, предназначенной для обработки углеводородсодержащего пласта;

на фиг.3, 4 и 5 показаны изображения сечений варианта осуществления нагревателя с ограничением температуры и с внешним проводником, имеющим ферромагнитную секцию и неферромагнитную секцию;

на фиг.6, 7, 8 и 9 показаны изображения сечений варианта осуществления нагревателя с ограничением температуры и с внешним проводником, имеющим ферромагнитную секцию и неферромагнитную секцию, расположенные внутри оболочки;

на фиг.10 изображен вариант осуществления нагревателя с ограничением температуры, в котором опорный элемент обеспечивает большую часть отводимого тепла при температуре ниже температуры Кюри ферромагнитного проводника;

на фиг.11 и 12 изображены варианты осуществления нагревателей с ограничением температуры, в каждом из которых рубашка обеспечивает большую часть отводимого тепла при температуре ниже температуры Кюри ферромагнитного проводника;

на фиг.13 изображены экспериментальные расчеты выраженных в массовых процентах долей фаз феррита и аустенита в зависимости от температуры для сплава железа ТС3;

на фиг.14 изображены экспериментальные расчеты выраженных в массовых процентах долей фаз феррита и аустенита в зависимости от температуры для сплава железа FM-4;

на фиг.15 изображены температура Кюри и диапазон температуры фазового превращения для нескольких сплавов железа;

на фиг.16 изображены экспериментальные расчеты выраженных в массовых процентах долей фаз феррита и аустенита в зависимости от температуры для железокобальтового сплава с 5,63 масс.% кобальта и 0,4 масс.% марганца;

на фиг.17 изображены экспериментальные расчеты выраженных в массовых процентах долей фаз феррита и аустенита в зависимости от температуры для железокобальтового сплава с 5,63 масс.% кобальта, 0,4 масс.% марганца и 0,01% углерода;

на фиг.18 изображены экспериментальные расчеты выраженных в массовых процентах долей фаз феррита и аустенита в зависимости от температуры для железокобальтового сплава с 5,63 масс.% кобальта, 0,4 масс.% марганца и 0,085% углерода;

на фиг.19 изображены экспериментальные расчеты выраженных в массовых процентах долей фаз феррита и аустенита в зависимости от температуры для железокобальтового сплава с 5,63 масс.% кобальта, 0,4 масс.% марганца, 0,085% углерода и 0,4% титана;

на фиг.20 изображены экспериментальные расчеты выраженных в массовых процентах долей фаз феррита и аустенита в зависимости от температуры для железохромовых сплавов, имеющих 12,25 масс.% хрома, 0,01% углерода, 0,5 масс.% марганца и 0,5 масс.% кремния.

Хотя в изобретение можно внести модификации и воплотить его в альтернативных формах, конкретные варианты его осуществления показаны в качестве примера на чертежах и могут быть подробно описаны ниже. Чертежи могут быть выполнены не в масштабе. Вместе с тем, следует понять, что чертежи и их подробное описание не предназначено для ограничения изобретения описываемой конкретной формой, а наоборот, нужно считать изобретение охватывающим все модификации, эквиваленты и альтернативы, находящиеся в рамках существа и объема притязаний настоящего изобретения, ограничиваемых прилагаемой формулой изобретения.

Осуществление изобретения

Нижеследующее описание относится в основном к системам и способам обработки углеводородов в пластах. Такие пласты можно обрабатывать для получения углеводородных продуктов, водорода и других продуктов.

Термин «переменный ток (ПТ)» относится к изменяющемуся во времени току, который меняет направление, по существу, синусоидально. ПТ обеспечивает поток электрических зарядов при наличии скин-эффекта в ферромагнитном проводнике.

В контексте нагревательных систем со сниженным отводимым теплом, а также соответствующих устройств и способов, термин «автоматически» означает, что такие системы, устройства и способы функционируют без использования внешнего управления (например, внешних контроллеров, таких, как контроллер с датчиком температуры и контуром обратной связи, пропорционально-интегрально-дифференциальньш (ПИД) контроллер или контроллер с предсказанием).

«Температура Кюри» - это температура, выше которой ферромагнитный материал теряет все свои ферромагнитные свойства. Помимо потери всех своих ферромагнитных свойств при температуре выше температуры Кюри, ферромагнитный материал начинает утрачивать свои ферромагнитные свойства, когда через этот ферромагнитный материал пропускается возрастающий электрический ток.

Термин «пласт» включает в себя один или более углеводородных слоев, один или более водородных слоев, покрывающие породы и/или нижележащие породы. «Углеводородные слои» относятся к слоям в пласте, которые содержат углеводороды. Углеводородные слои могут содержать не углеводородный материал и углеводородный материал. Термины «покрывающие породы» и/или «нижележащие породы», включают в себя один или более разных типов непроницаемых материалов. Например, покрывающие породы и/или нижележащие породы могут включать в себя скальную породу, сланец, аргиллит или влажный/плотный карбонат. В некоторых вариантах осуществления процессов термической обработки in situ покрывающие породы и/или нижележащие породы могут включать в себя углеводородсодержащие слои, которые относительно непроницаемы и не подвержены воздействию температур во время процессов термической обработки in situ, что приводит к изменениям важных характеристик углеводородсодержащих слоев покрывающих пород и/или нижележащих пород. Например, нижележащая порода может содержать сланец или аргиллит, но не может обеспечивать нагрев до температур пиролиза во время процесса термообработки in situ. В некоторых случаях покрывающая порода может содержать сланец или аргиллит, и/или нижележащая порода может быть в некоторой степени проницаемой.

Термин «флюиды пласта» относится к флюидам, присутствующим в пласте и может включать в себя флюиды пиролизации, синтез-газ, мобилизованный углеводород и воду (водяной пар). Флюиды пласта могут включать в себя углеводородные флюиды, а также не углеводородные флюиды. Термин «мобилизованный флюид» относится к флюидам в углеводородсодержащем пласте, которые оказываются способными течь в результате термической обработки пласта. Термин «добываемые флюиды» относится к флюидам, добываемым из пласта.

«Источник тепла» - это любая система для обеспечения нагрева, по меньшей мере, участка пласта посредством теплопередачи за счет теплопроводности и/или излучения тепла. Например, источник тепла может включать в себя электрические нагреватели, такие, как изолированный проводник, удлиненный элемент и/или проводник, расположенный в трубе. Источник тепла может также включать в себя системы, которые генерируют тепло за счет сгорания топлива снаружи или внутри пласта. Эти системы могут быть поверхностными нагревателями, скважинными газовыми горелками, камерами беспламенного сгорания с распределенными параметрами и камерами естественного сгорания с распределенными параметрами. В некоторых вариантах осуществления, тепло, обеспечиваемое в одном или более источников тепла или генерируемое в нем или в них, можно подводить посредством других источников энергии. Другие источники энергии могут обеспечивать прямой нагрев пласта, или энергия может подаваться в передающую среду, которая обеспечивает прямой или косвенный нагрев пласта. Следует понимать, что один или более источников тепла, которые подают тепло в пласт, могут использовать разные источники энергии. Так, например, для данного пласта некоторые источники тепла могут подавать тепло из электрических резистивных нагревателей, некоторые источники тепла могут подводить тепло сгорания, а некоторые источники тепла могут подводить тепло еще одного или нескольких других источников энергии (например, химических реакций, солнечной энергии, энергии ветра, биомассы или других источников возобновляемой энергии). Химическая реакция может включать в себя экзотермическую реакцию (например, реакцию окисления). Источник тепла может также включать в себя нагреватель, который подводит тепло в зону, расположенную вблизи или вокруг места нагрева, такую, как скважина, в которой находится нагреватель.

«Нагреватель» - это любая система или любой источник тепла в скважине или области около ствола скважины. Нагреватели могут быть, но не в ограничительном смысле, электрическими нагревателями, горелками, камерами сгорания, которые реагируют с материалом, находящемся в пласте или добываемом из него, и/или их комбинациями.

«Углеводороды» в общем случае определяются как вещества, молекулы которых образованы в основном атомами углерода и водорода. Углеводороды также могут включать в себя другие элементы, такие, как, но не в ограничительном смысле, галогены, металлические элементы, азот, кислород и/или сера. Углеводороды могут быть, но не в ограничительном смысле, керогеном, битумом, пиробитумом, разновидностями нефти, природными минеральными парафинами и асфальтитами. Углеводороды могут находиться в матрицах минералов или рядом с этими матрицами в почве. Матрицы могут включать в себя, но не в ограничительном смысле, осадочную породу, пески, силицилиты, карбонаты, диатомиты и другие пористые среды. «Углеводородные флюиды» - это флюиды, которые включают в себя углеводороды. Углеводородные флюиды могут увлекать с собой не углеводородные флюиды или их могут увлекать с собой не углеводородные флюиды, такие, как водород, азот, монооксид углерода, диоксид углерода, сульфид водорода, вода и аммиак.

Термин «процесс конверсии in situ» относится к процессу нагрева углеводородсодержащего пласта с помощью источников тепла для подъема температуры, по меньшей мере, участка пласта выше температуры пиролиза, вследствие чего в пласте образуется флюид пиролизации.

Термин «процесс термической обработки in situ» относится к процессу нагрева углеводородсодержащего пласта с помощью источников тепла для подъема температуры, по меньшей мере, участка пласта выше температуры, что приводит к мобилизованному флюиду, легкому крекингу и/или пиролизу углеводородсодержащего материала, и поэтому в пласте происходит образование мобилизованного флюида, флюидов легкого крекинга и/или флюида пиролизации.

Термин «изолированный проводник» относится к удлиненному материалу, который способен проводить электричество и который покрыт, полностью или частично, электроизолирующим материалом.

«Пиролиз» - это разрыв химических связей вследствие нагрева. Например, пиролиз может включать в себя превращение соединения в одно или более других веществ только за счет тепла. Чтобы вызвать пиролиз, можно передавать тепло в секцию пласта.

Термин «флюиды» или «продукты пиролиза» относится к флюидам, получающимся, по существу, во время пиролиза углеводородов. Флюиды, получаемые посредством реакций пиролиза, могут быть смешаны с другими флюидами в пласте. Эту смесь и следует рассматривать как флюид пиролизации или продукт пиролиза. В том смысле, в каком он употребляется в данном описании, термин «зона пиролиза» относится к объему пласта (например, относительно проницаемого пласта, такого, как пласт битуминозных песков), который вступает в реакцию или реагирует, образуя флюид пиролизации.

Термин «изменяющийся во времени ток» относится к электрическому току, который обеспечивает поток электрических зарядов при наличии скин-эффекта в ферромагнитном проводнике и имеет амплитуду, которая изменяется со временем. Измеряющийся во времени ток включает в себя переменный ток (ПТ) и модулированный постоянный ток (ПоТ).

«Соотношение пределов диапазона изменения параметров» - это соотношение наибольшего сопротивления по переменному току или модулированному постоянному току при температуре ниже температуры Кюри и наименьшего сопротивления при температуре выше температуры Кюри для заданного тока.

Термин «ствол скважины» относится к скважине в пласте, созданной посредством бурения или введения трубы в пласт. Ствол скважины может иметь, по существу, круглое поперечное сечение или другую форму поперечного сечения. В том смысле, в каком они употребляются здесь, термины «скважина» и «отверстие», когда они употребляются применительно к отверстию в пласте, можно использовать взаимозаменяемо с термином «ствол скважины».

Углеводороды в пластах можно обрабатывать различными способами для получения разных продуктов. В определенных вариантах осуществления, углеводороды в пластах обрабатываются постадийно. На фиг.1 изображены стадии нагрева углеводородсодержащего пласта. На фиг.1 также изображен пример выхода («Y») в баррелях нефтяного эквивалента на тонну (ось «у») пластовых флюидов их пласта в зависимости от температуры («Т») нагретого пласта в градусах Цельсия (ось «х»).

Во время нагрева на стадии 1 происходит десорбция метана и испарение воды. Посредством стадии 1 можно проводить быстрый нагрев пласта. Например, когда углеводородсодержащий пласт подвергают начальному нагреву, углеводороды в пласте десорбируют абсорбированный метан. Десорбированный метан можно добывать из пласта. Если углеводородсодержащий пласт продолжают нагревать, то в углеводородсодержащем пласте испаряется вода. В некоторых углеводородсодержащих пластах вода может занимать от 10% до 50% объема пор в пласте. В других пластах вода занимает большие или меньшие доли объема пор. Вода, как правило, испаряется в пласте между 160°С и 285°С при абсолютных давлениях от 600 кПа до 7000 кПа. В некоторых вариантах осуществления, испаренная вода дает изменения смачиваемости в пласте и/или повышенное пластовое давление. Изменения смачиваемости в пласте и/или повышенное пластовое давление могут влиять на реакции пиролиза или другие реакции в пласте. В определенных вариантах осуществления испаренную воду удаляют из пласта. В других вариантах осуществления испаренную воду используют для экстракции водяным паром и/или дистилляции в пласте или снаружи пласта. Удаление воды из пласта и увеличение объема пор в пласте увеличивают пространство для накопления углеводородов в объеме пор.

В определенных вариантах осуществления, после нагрева на стадии 1 пласт дополнительно нагревают, вследствие чего температура в пласте достигает (по меньшей мере) начальной температуры пиролизации (такой, как температура нижней точки диапазона температур, показанного в качестве стадии 2). Диапазон температур пиролиза изменяется в зависимости от типов углеводородов в пласте. Диапазон температур пиролиза может включать в себя температуры между 250°С и 900°С. Диапазон температур пиролиза для добычи желаемых продуктов может занимать лишь часть полного диапазона температур пиролиза. В некоторых вариантах осуществления, диапазон температур пиролиза для получение желаемых продуктов может включать в себя температуры между 250°С и 400°С или температуры между 270°С и 350°С. Если температура углеводородов в пласте медленно поднимается в диапазоне температур от 250°С до 400°С, получение продуктов пиролиза может, по существу, завершиться, когда температура достигает 400°С. Для получения желаемых продуктов, среднюю температуру углеводородов можно поднимать в диапазоне температур пиролиза со скоростью менее 5°С в сутки, менее 2°С в сутки, менее 1°С или менее 0,5°С в сутки. Нагрев углеводородсодержащего пласта с помощью множества источником тепла может обеспечить установление температурных градиентов около источников тепла, которые медленно поднимают температуру углеводородов в пласте в диапазоне температур пиролиза.

Скорость увеличения температуры в диапазоне температур пиролиза для желаемых продуктов может влиять на качество и количество пластовых флюидов, добываемых из углеводородсодержащего пласта. Медленный рост температуры в диапазоне температур пиролиза для желаемых продуктов может препятствовать мобилизации молекул с большой цепью в пласте. Медленный рост температуры в диапазоне температур пиролиза для желаемых продуктов может ограничить реакции между мобилизованными углеводородами, которые дают нежелательные продукты. Медленный рост температуры пласта в диапазоне температур пиролиза для желаемых продуктов может обеспечить добычу высококачественных углеводородов большой плотности, выражаемой в градусах Американского нефтяного института (API), из пласта. Медленный рост температуры пласта в диапазоне температур пиролиза для желаемых продуктов может обеспечить извлечение углеводородов, присутствующих в пласте, в качестве углеводородного продукта.

В некоторых вариантах осуществления обработки in situ, участок пласта нагревают до желаемой температуры вместо медленного повышения температуры в диапазоне температур. В некоторых вариантах осуществления, желаемая температура составляет 300°С, 325°С или 350°С. В качестве желаемой температуры можно выбрать и другие температуры. Суперпозиция тепла из нескольких источников тепла обеспечивает относительно быстрое и эффективное установление желаемой температуры в пласте. Энергию, вводимую в пласт из источников тепла, можно регулировать для поддержания температуры в пласте, по существу, на уровне желаемой температуры. Нагретый участок пласта поддерживают, по существу, на уровне желаемой температуры до тех пор, пока не прекратится пиролиз, вследствие чего добыча желаемых пластовых флюидов из пласта становится неэкономичной. Части пласта, которые подвергаются пиролизу, могут включать в себя области, нагретые до температур пиролиза посредством теплопередачи лишь от одного источника тепла.

В определенных вариантах осуществления, из пласта добывают пластовые флюиды, включающие в себя флюиды пиролизации. Когда температура пласта увеличивается, количество конденсируемых углеводородов в добываемом пластовом флюиде может уменьшаться. При высоких температурах пласт может давать главным образом метан и/или водород. Если углеводородсодержащий пласт нагревают по всему диапазону пиролиза в целом, этот пласт может давать лишь малые количества водорода вблизи верхнего предела диапазона пиролиза. После расходования всего имеющегося водорода обычно будет иметь место минимальный объем добычи флюида из пласта.

После пиролиза углеводородов, в пласте может по-прежнему присутствовать большое количество углерода и некоторое количество водорода. Значительную часть углерода, остающегося в пласте, можно добыть из пласта в форме синтез-газа. Генерирование синтез-газа может иметь место во время нагрева на стадии 3, изображенной на фиг.1. Стадия 3 может включать в себя нагрев углеводородсодержащего пласта до температуры, достаточной для генерирования синтез-газа. Например, синтез-газ можно получать в диапазоне температур от примерно 400°С до примерно 1200°С, от примерно 500°С до примерно 1100°С, или от примерно 550°С до примерно 1000°С. Температура нагретого участка пласта при введении в пласт флюида, генерирующего синтез-газ, определяет композицию синтез-газа, получаемого в пласте. Генерируемый синтез-газ можно извлекать из пласта по эксплуатационной скважине или эксплуатационным скважинам.

Суммарный запас энергии флюидов, добываемых их углеводородсодержащего пласта, может оставаться относительно постоянным на всем протяжении пиролиза и генерирования синтез-газа. Во время пиролиза при относительно низких пластовых температурах, значительная часть добываемых флюидов может представлять собой конденсируемые углеводороды, которые обладают большим запасом энергии. Вместе тем, при более высоких температурах пиролиза меньшая часть пластовых флюидов может включать в себя конденсируемые углеводороды. Тогда из пласта можно добывать больше неконденсируемых пластовых флюидов. Запас энергии на единицу объема добываемых флюидов может немного снизиться во время генерирования главным образом неконденсируемых пластовых флюидов. Во время генерирования синтез-газа, запас энергии на единицу объема получаемого синтез-газа значительно снижается по сравнению с запасом энергии флюидов пиролизации. Вместе с тем, объем получаемого синтез-газа будет во многих случаях существенно увеличиваться, тем самым компенсируя уменьшенный запас энергии.

На фиг.2 показано схематическое изображение варианта осуществления участка системы термической обработки in situ, предназначенной для обработки углеводородсодержащего пласта. Система обработки in situ может включать в себя барьерные скважины 200. Барьерные скважины используются для образования барьера вокруг зоны обработки. Барьер препятствует протеканию флюида в зону обработки и из нее. Барьерные скважины включают в себя, но не в ограничительном смысле, водопонижающие скважины, вакуумные скважины, улавливающие скважины, нагнетательные скважины, цементировочные скважины, замороженные скважины или их комбинации. В некоторых вариантах осуществления барьерные скважины 200 являются водопонижающими скважинами. Водопонижающие скважины могут удалять воду из участка пласта, подлежащего нагреву, или нагреваемого пласта, и/или препятствовать попаданию воды в жидком виде на такой участок или в такой пласт.В варианте осуществления, изображенном на фиг.2, барьерные скважины 200 показаны проходящими только вдоль одной стороны источников 202 тепла, но в типичном случае барьерные скважины окружают все источники 202 тепла или должны использоваться для нагрева зоны обработки пласта.

Источники 202 тепла находятся, по меньшей мере, на участке пласта. Источники 202 тепла могут включать в себя нагреватели, такие, как изолированные проводники, поверхностные горелки, камеры беспламенного сгорания с распределенными параметрами и/или камеры естественного сгорания с распределенными параметрами. Источники 202 тепла подводят тепло, по меньшей мере, к участку пласта для нагрева углеводородов в пласте. Энергию в источники 202 тепла можно подавать по линиям 204 питания. Линии 204 питания могут быть конструктивно разными в зависимости от типа источника тепла или источников тепла, используемого или используемых для нагрева пласта. Линии 204 питания для источников тепла могут передавать электричество для электрических нагревателей, могут транспортировать топливо для камер сгорания или могут транспортировать теплообменную текучую среду, которая циркулирует в пласте. В некоторых вариантах осуществления, электричество для процесса термической обработки in situ можно обеспечивать посредством атомной электростанции или атомных электростанций. Использование атомной энергии может обеспечить уменьшение или исключение выбросов диоксида углерода, обусловленных процессом термической обработки in situ.

Эксплуатационные скважины 206 используются для удаления 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 около нее. В некоторых вариантах осуществления процесса термической обработки in situ количество тепла, подводимого к пласту из эксплуатационной скважины, приходящееся на метр эксплуатационной скважины, меньше, чем количество тепла, подаваемого в пласт из источника тепла, который нагревает пласт, приходящееся на метр источника тепла. Тепло, подаваемое в скважину, может увеличивать проницаемость пласта рядом с эксплуатационной скважиной путем испарения и удаления флюида в жидкой фазе рядом с эксплуатационной скважиной и/или путем увеличения проницаемости пласта рядом с эксплуатационной скважиной за счет формирования макро- и/или микроразрывов.

В некоторых вариантах осуществления, источник тепла в эксплуатационной скважине 206 обеспечивает удаление паровой фазы пластовых флюидов из пласта. Обеспечение нагрева в эксплуатационной скважине или посредством нее может: (1) препятствовать конденсации и/или обратному течению добываемого флюида, когда добываемый флюид движется в эксплуатационной скважине вблизи покрывающих пород, добыча из которой экономически выгодна; (2) увеличивать тепло, вводимое в пласт; (3) увеличивать темп добычи из эксплуатационной скважины по сравнению с эксплуатационной скважиной без источника тепла; (4) препятствовать конденсации соединений с большим углеродным числом (С₆ и более) в эксплуатационной скважине; и/или (5) увеличивать проницаемость пласта в эксплуатационной скважине или вблизи нее.

Подземное давление в пласте может соответствовать давлению флюидов, создаваемому в пласте. Когда температуры на нагреваемом участке пласта увеличиваются, давление на нагреваемом участке может увеличиваться в результате интенсифицированного образования флюидов и испарения воды. Управление скоростью флюидов среды может обеспечить управление давлением в пласте. Давление в пласте можно определять в ряде разных мест, таких, как около эксплуатационных скважин или вблизи них, около источников тепла или в них, либо в контрольных скважинах.

В некоторых углеводородсодержащих пластах добыча углеводородов из пласта задерживается до тех пор, пока, по меньшей мере, некоторые углеводороды в пласте не окажутся пиролизованными. Пластовые флюиды можно добывать из пласта, когда эти пластовые флюиды имеют выбранное качество. В некоторых вариантах осуществления, выбранное качество включает в себя плотность, составляющую, по меньшей мере, 20°, 30° или 40° API. Задержка добычи до тех пор, пока, по меньшей мере, некоторые углеводороды в пласте не окажутся пиролизованными, может увеличивать конверсию тяжелых углеводородов в легкие углеводороды. Начальная задержка добычи может минимизировать добычу тяжелых углеводородов из пласта. Добыча существенных количеств тяжелых углеводородов может потребовать наличия дорогостоящего оборудования и/или вызвать снижение строка службы эксплуатационного оборудования.

После достижения температур пиролиза и обеспечения добычи из пласта, давление в пласте можно изменять для изменения композиции добываемого пластового флюида и/или управления ею с целью регулирования процентной доли конденсируемого флюида по сравнению с неконденсируемым флюидом в пластовом флюиде и/или регулирования выражаемой в градусах API плотностью добываемого пластового флюида. Например, уменьшение давления может привести к большей составляющей конденсируемого флюида. Составляющая конденсируемого флюида может содержать повышенную процентную долю олефинов.

В некоторых вариантах осуществления процессов термической обработки in situ, давление в пласте можно поддерживать достаточно высоким, чтобы способствовать добыче пластового флюида с плотностью более 20° API. Поддержание повышенного давления может препятствовать оседанию пласта во время термической обработки in situ. Получение паровой фазы может обеспечить снижение габаритов коллекторных трубопроводов, используемых для транспортировки флюидов, добываемых из пласта. Поддержание повышенного давления может уменьшить или исключить потребность в сжатии пластовых флюидов на поверхности для транспортировки этих флюидов в коллекторных трубопроводах к оборудованию для обработки.

Поддержание повышенного давления на нагретом участке пласта может неожиданно обеспечить добычу больших количеств углеводородов повышенного качества и относительно малой молекулярной массы. Давление можно поддерживать таким образом, что добываемый флюид будет иметь минимальное количество соединений, в которых углеродное число превышает выбранное. Выбранное углеродное число может составлять, по большей мере, 25, по большей мере, 20, по большей мере, 12 или, по большей мере, 8. Некоторые соединения с большим углеродным числом могут быть вовлечены в пар в пласте и могут быть извлечены из пласта с этим паром. Поддержание повышенного давления в пласте может препятствовать вовлечению соединений с большим углеродным числом в пар. Соединения с большим углеродным числом и/или полициклические углеводородные соединения могут оставаться в жидкой фазе в пласте в течение значительных периодов времени. Значительные периоды времени могут обеспечивать достаточное время для пиролиза соединений с образованием соединений, имеющих меньшее углеродное число.

Пластовые флюиды, добываемые из эксплуатационных скваж