用蒸汽和二氧化碳采出粘性烃的方法

专利名称：用蒸汽和二氧化碳采出粘性烃的方法
技术领域：
本发明一般性地涉及采出高粘性烃的方法，具体涉及将部分饱和的蒸 汽泵送到井底燃烧器以使所述蒸汽过热并将蒸汽和二氧化碳注入水平或垂
直的破裂带(fracturedzone)。
背景技术：
全世界存在大量的粘性烃储矿(reservoir)。这些储矿包含极粘的 烃，通常称为"焦油"、"重油"或"超重油"，其在100°F下测量的粘 度通常为3000-1000000厘泊。高粘度使得烃的回收困难且昂贵。对于浅层 焦油沙采用露天开采。对于更深的储矿，已经采用原位加热重油来降低粘 度。
在一种技术中，部分饱和的蒸汽从表面处的蒸汽发生器注入矿井。通 过在蒸汽注入后使储矿浸透选定的时间然后对其进行开采，可以从注入蒸 汽的该矿井采出重油。当产量降低时，操作者重复上述过程。可能需要井 下泵将被加热的重油泵送到表面。在此情况下，需要每次在注入蒸汽之前 将泵从矿井中取出，然后在注入之后再置入使其重新工作。也可以通过与 注入器矿井隔开的第二矿井来采出重油。
另一种技术使用两个水平的矿井，其中一个矿井位于另一个矿井上方 数英尺的位置并与其平行。每个矿井都具有割缝衬管。蒸汽被连续注入上 方井孔以加热重油并使其流入下方井孔。其它建议包括将蒸汽连续注入被 垂直采出井包围的垂直注入井。
美国专利6016867公开了使用一个或更多个注入和采出井孔。还原气 体、氧化气体和蒸汽的混合物被供给到位于注入井孔中的井下燃烧装置。 还原气体、氧化气体混合物进行燃烧生成过热蒸汽和热气体，用于注入地 层以使重质原油或沥青转化和升级为轻质烃。过热蒸汽的温度足以引起热解和/或加氢减粘(如果存在氢)，这在原位增大了烃的API重力并且降低
了粘度。'867专利声称，替代性的还原气体可以主要由氢以及少量的一氧
化碳、二氧化碳和烃气组成。
'867专利还公开了在注入蒸汽之前使地层破裂。'867专利同时公开了 注入和采出发生在同一矿井中的循环工艺和包括通过井下燃烧器将蒸汽泵 送到包围采出井的矿井中的连续驱动工艺。在连续驱动工艺中，'867专利 教导了将破裂带延伸至相邻的矿井。

发明内容
井下燃烧器被固定在矿井中。操作者将燃料(例如氢)泵送到燃烧器 中，并通过独立于燃料的管道将氧泵送到燃烧器中。操作者使燃料在燃烧 器中燃烧并在燃烧器中生成过热蒸汽，这优选通过将部分饱和的蒸汽泵送 至燃烧器来实现。部分饱和的蒸汽将燃烧器冷却而变得过热。操作者还将 二氧化碳泵送到燃烧器的燃烧室中或其周围，并将二氧化碳和过热蒸汽注 入地层以加热其中的烃。
优选地，操作者首先使矿井破裂以形成水平或垂直的直径有限的破裂 带。破裂带优选不与相邻矿井的任何排水区或破裂带交叉。破裂带周围的 未破裂地层防止了气态产品在浸泡期间从破裂带渗漏。在浸泡期间，操作 者可以将燃料和蒸汽间歇地泵送至燃烧器，从而在破裂带中保持期望的压 力值。
在浸泡期间过后，操作者开启井头处的阀门以使烃流入井孔并沿矿井 向上流动。在此过程中经受了热解和/或加氢减粘的粘性烃流至表面用于进 一步处理。优选地，破裂带中由蒸汽、二氧化碳和残余氢气生成的溶解气 体导致了流动发生。也可以使用井下泵。二氧化碳提高了产量，这是因为 二氧化碳比蒸汽或氢或其混合物更易溶于重质烃。这种溶解使烃的粘度下 降，并且二氧化碳增加了更多溶解气体以驱动采出。优选地，将返回到表 面的二氧化碳、氢气和热水部分与回收的烃分离并循环。在某些储矿中， 蒸汽与碳酸盐在岩层中反应并释放二氧化碳，但是释放量仅为进入重油储 矿的二氧化碳的所需量的一小部分。
6当产量降至足够低时，操作者可以重复将来自燃烧器的蒸汽、二氧化 碳和燃烧产物注入破裂带的过程。操作者也可以再次破裂地层从而扩大破 裂带。


图1为根据本发明采出重油的矿井和工艺的示意图2示出了与相邻矿井紧邻的图1的矿井，该相邻矿井也可以根据本 发明进行采出；
图3为本发明的工艺中采用的燃烧装置的示意图。
具体实施例方式
参见图1，矿井ll基本上垂直延伸穿过数个地层，其中至少一个包括 重油或焦油地层15。覆盖地层13位于油地层15上方。重油地层15位于 下伏地层17上方。重油地层15通常为包含极粘烃的焦油沙，极粘烃的粘 度例如为3000-1000000 cp。覆盖地层13可以是各种地质层，例如密封重 油地层15并使其具有相对高的破裂压力的厚且致密的石灰石。下伏地层 17也可以是厚且致密的石灰石或者某些其它类型的地层。
如图1所示，矿井具有套管，套管在重油地层15的至少部分中具有 穿孔或槽缝19。而且，矿井优选被破裂以形成破裂带21。在破裂过程 中，操作者通过穿孔19泵送流体并对重油地层15施加大于其裂层压力的 压力。该压力使地层15内部产生通常从矿井11径向延伸的裂缝，从而使 流体可以流入破裂带21。用于造成破裂的注入流体可以是常规流体，通常 包含水、各种添加剂以及支撑剂材料(例如沙粒或陶瓷小球)，或者在某 些情况下可以使用蒸汽本身。
在本发明的一种实施方式中，操作者控制破裂流体的注入速率和破裂 过程的持续时间，从而限制包围矿井11的破裂带21的扩展范围或尺寸。 破裂带21具有相对小的初始直径或周界21a。限制破裂带21的周界21a， 以使其不会与延伸到同一重油地层15中的相邻矿并23的任何现有的或计 划的破裂带或排水区25 (图2)相交叉。此外，在优选方法中，操作者会在随后增大矿井11周围的破裂带21，因此在不与相邻矿井23的排水区 25交叉的条件下，初始周界21a应为后来的破裂带21扩大而留有余地。 相邻的矿井23先前可以任选地进行一个或更多个与矿井11相同的破裂过 程，或者操作者可以计划今后以与矿井11相同的方式进行破裂。因此， 破裂带周界21a不与破裂带25交叉。优选地，破裂带周界21a延伸至小于 矿井11与23之间的距离的一半。破裂带21被重油地层15在周界21a外 侧以及破裂带21上方和下方的未破裂部分包围。形成破裂带21的破裂过 程可以在安装下面讨论的井下燃烧器29之前或之后进行。如果在安装井 下燃烧器29之后进行，则破裂流体将通过燃烧器29被泵送。
在图1中，采出树(production tree)或井头(wellhead)27位于矿井11的 表面。采出树27与一条或多条管道相连，用于将燃料37、蒸汽38、氧39 和二氧化碳40向下经矿井11引至燃烧器29。燃料37可以是氢、甲垸、 合成气或某些其它燃料。燃料37可以是气体或液体。优选地，蒸汽38是 部分饱和的蒸汽，其水蒸气含量高达约50%。水蒸气含量可以更高，甚至 可将水而非蒸汽泵下矿井11 (尽管这样做会使效率较低)。井头27还与 用于将氧向下输送到矿井ll的管道(如标号39表示)连接。燃料37和蒸 汽38可以混合并沿同一管道相下输送，但输送燃料37的管道应当独立于 输送氧39的管道。
由于二氧化碳40在与蒸汽混合时具有腐蚀性，因此其优选通过独立 于蒸汽38的管道的管道向下流动。如果燃料通过独立于蒸汽38的管道输 送，则二氧化碳40可以与燃料37混合。与燃料37混合的二氧化碳40的 百分比不应过高从而阻碍燃料燃烧。如果燃料是合成气、甲垸或另一种 烃，则燃烧器29中的燃烧过程产生二氧化碳。在某些情况下，燃烧过程 所产生的二氧化碳的量可能足够，从而不需要将二氧化碳泵至井下。
燃料37、蒸汽38、氧39和二氧化碳40的管道可以包括盘管或采出 管件的螺纹接头。二氧化碳40的管道可包括矿井11的套管中的环隙。
燃烧装置或燃烧器29被固定在矿井11中，用于接收燃料37、蒸汽 38、氧39和二氧化碳40的流。选择燃烧器29的直径，以使其可被安装在 常规矿井套管内，该直径通常为约7-9英寸，但可以更大。如图3所示，封隔器和锚定装置31位于燃烧器29上方，以使矿井11在封隔器31上方 的套管与封隔器31下方的套管间形成密封。燃料37、蒸汽38、氧39和 二氧化碳40的管道密封性地延伸穿过封隔器31。因此，封隔器31使燃烧 器29周围的压力与矿井11中封隔器31上方的任何压力隔离。燃烧器29 具有由夹套35包围的燃烧室33，夹套35可被认为是燃烧器29的一部 分。燃料37和氧39进入燃烧室33以使燃料燃烧。蒸汽38也可流入燃烧 室33以冷却燃烧器29。优选地，二氧化碳40流过夹套35，这有助于冷 却燃烧室33，或者，由于二氧化碳不燃烧，可使其流过燃烧室33，这也 会冷却室33。如果燃料37是氢， 一部分氢可以转向流过夹套35。蒸汽38 可流过夹套35，但因为腐蚀效应而优选不用二氧化碳40混合。
燃烧器29点火并燃烧至少部分燃料37，这在燃烧器29中产生高温。 在不存在冷却剂的条件下，该温度对于燃烧器29来说很可能过高，从而 无法长时间耐受。流入燃烧室33的蒸汽38降低了该温度。而且优选地， 有少量过量的燃料37流入燃烧室33。过量的燃料不燃烧，而燃料37只在 燃烧时释放热量，因此燃烧室33中的温度降低。过量的燃料在不燃烧的 状态下通过燃烧室33而变得较热，这从燃烧室33中转移了一部分热量。 此外，流过夹套35的二氧化碳40以及可能流过夹套35的所有氢气使燃烧 室33冷却。美国专利5163511中示出了一种用于燃烧燃料并将蒸汽和燃 烧产物注入地层的井下燃烧器。
蒸汽38、燃料37的过量部分以及二氧化碳40使燃烧室33内的温度 降至例如约1600°F，而将流过燃烧器29的部分饱和的蒸汽的温度升至过 热水平。过热蒸汽的温度高于其露点，因此不含水蒸气。包含过热蒸汽、 过量燃料、二氧化碳和其它燃烧产物的气态产物43优选以约550-700°F的 温度离开燃烧器29。
由于在表面处施加至燃料37、蒸汽38、氧39和二氧化碳40的压 力，热的气态产物43被注入破裂带21。破裂带21中的裂缝增大了这些流 体的接触表面积，从而加热地层并溶解到重油中以使油的粘度降低并生成 溶解气，以有利于驱动油在采出循环过程中返回矿井。地层15的未破裂 周围部分基本上是不能被气态产物43渗透的，这是因为未加热的重油或焦油不具有足以被置换的流动性。因此，未加热的重油地层15的周围部
分可以在破裂带21周围形成一个容器，从而长时间地阻止热气体产物43 渗漏，足以使破裂带21内的重油发生重要的改质反应。
如果燃料37包含氢，则被注入的未燃烧部分会有利地抑制在破裂带 21中形成焦炭。被注入的氢可全部来自供给至燃烧室33的未燃烧的过量 氢，或者其可以是转向流过夹套35的氢。然而，氢不像二氧化碳那样溶 解在油中。另一方面，二氧化碳极易溶于油，因而溶解在重油中，从而降 低烃的粘度并增加溶解气。在二氧化碳40通过燃烧器29时升高其温度， 将热量输送至地层，这降低了与热量接触的烃的粘度。而且，注入的二氧 化碳40使储矿内的溶解气增多。保持热气态产物43的高注入温度(优选 约700°F)，可强化热解和加氢减粘(如果存在氢)，这导致重油的API 重力在原位增大。
模拟表明，将二氧化碳和氢注入已破裂的重油储矿是有益的。在三个 模拟中，对比了二氧化碳相对于被注入的蒸汽和氢为1%、 10%和25% (摩尔比)的情况。对比采用两年的循环操作，每个循环浸泡21天。结 果如下
模拟 ％C02 累积采出的油 蒸汽/油比率
1，未破裂 0 3030 14.3
2，破裂 1 9561 13.2
3，破裂 10 20893 8.99
4，破裂 25 22011 5.65
上述结果表明，对于产量和蒸汽/油比，25%的二氧化碳优于10%的二 氧化碳。优选地，注入储矿的二氧化碳百分比为10%-25%或更大但至少为 5%，所述百分比为相对于被注入的蒸汽和氢的摩尔比。
在优选方法中，燃料37、蒸汽38、氧39和二氧化碳40到燃烧器的 输送以及热气态产物43到破裂带21的注入同时发生，持续一段选定的时 间，例如七天。当气态产物43被注入破裂带21时，破裂带21的温度和压
10力升高。在注入期结束时，容许破裂带21被浸泡一段选定的时间，例如
21天。在浸泡期间，操作者可将燃料37、蒸汽38、氧39和二氧化碳40 泵至燃烧器29，在其中燃烧，然后将热燃烧气体43注入地层15，以在破 裂带21中保持期望的压力水平并且将热量损失转移给周围的地层。在浸 泡期间不再注入热气态流体43。
然后，操作者开始采出油，这由储矿压力以及优选额外的溶解气压力 驱动。油优选沿采出管线向上采出出来，采出管线也可以是泵送燃料37、 蒸汽38或二氧化碳40的管道之一。优选地，燃烧器29保持在适当位置， 而油流过燃烧器29的部件。或者，矿井11可在数英尺外(优选不超过约 50英尺)包括第二个井孔，油沿此独立的井孔而非包含燃烧器29的井孔 向上流动。第二井孔可以完全独立于第一井孔并与其平行，或者第二井孔 可以是与主井孔相交并从主井孔延伸的侧钻井孔。
只要操作者认为可行，即可继续油采出，可达35天或更久。当产量 降至足够低时，操作者可以任选地重复注入和采出循环而无论是否另外破 裂。在随后的注入和采出循环中扩展破裂以增大破裂带21的周界21a，然 后重复上述注入和采出循环，这可能是可行的。优选地，这种额外的破裂 操作可以在不移除燃烧器29的条件下进行，但是可以根据需要移除燃烧 器29。只要破裂带21不与相邻矿井23的破裂带或排水区25 (图2)相交 叉，即可重复上述工艺。
通过将破裂带21的直径从相对小的周界逐渐增至与相邻矿井23 (图 2)间距的一半，操作者可以有效地开采粘性烃地层15。对于每次新的破 裂操作，先前破裂的部分会为热气态产物43到矿井的注入以及烃到矿井 的流动提供流道。而且，先前破裂的部分保留来自热燃烧气体43先前注 入的热量。图l和2中的标号21b表示破裂带21在第二破裂过程之后的周 界。如果需要，在对矿井ll进行的同时，操作者可以对矿井23进行类似 的破裂、注入、浸泡和采出循环。只要是可行的，可以在进行或不进行额 外破裂的条件下重复注入和采出的循环。
在破裂带21达到最大限制(将比周界21b更大)之前或之后，操作 者可能希望将矿井11转化为连续驱动系统。这种转化可在矿井11已被破裂数次之后发生，每次破裂均增大周界的尺寸。在连续驱动系统中，矿井 11或者是连续采出器或者是连续注入器。如果矿井11是连续注入器，则
井下燃烧器29会被连续地供给燃料37、蒸汽38、氧39和二氧化碳40， 这使燃料燃烧并将热气态产物43注入破裂带21 。热气态产物43例如以反 五点或反七点井网模式迫使油流至周围的采出井。每个周围的采出井具有 与注射井的破裂带21交叉的破裂带。如果矿井11是连续采出器，则燃料 37、蒸汽38、氧39和二氧化碳40会例如以正五点或正七点模式被泵至周 围注入井中的井下燃烧器29。周围注入井中的井下燃烧器29会燃烧燃料 并将热气态产物43注入破裂带，其中每个破裂带与采出井的破裂带连 接，从而迫使油流至采出井。
本发明具有显著的优点。二氧化碳以及蒸汽和未燃烧的燃料到地层中 的注入增加了得到的重油产量。在二氧化碳通过燃烧器时将其加热提高了 破裂的重油地层的温度。二氧化碳还增加了地层中的溶解气。破裂带周围 的未破裂的重油地层长时间地阻止了过量的燃料、蒸汽和其它燃烧产物渗 漏到相邻地层中或者渗漏至表面，足以使地层中的重油发生重要的改质反 应。该容器使过量燃料和流入破裂带的其它热气体的作用最大化。通过减 少从破裂带的渗漏，降低了燃料、氧和蒸汽的费用。而且，包含过量的燃 料提高了矿井处理的安全性。至少部分燃料、二氧化碳以及采出流体中包 含的热量可以被循环，
尽管仅仅展示了本发明的一种形式，但对本领域技术人员来说显而易 见的是，本发明并非如此局限，而是在不脱离本发明的范围的前提下容易 作出各种改变。例如，裂缝可以是垂直的而非水平的。此外，虽然图1所 示矿井为垂直井，但它也可以是水平井或斜井。在那些情形下，破裂带可 以是一个或更多个垂直或水平裂缝。燃烧器可以位于垂直或水平部分内 部。系统可以包括水平注入井和独立的水平采出井，该水平采出井具有位 于注入井的水平部分下方数英尺并与其平行的割缝衬管。在某些地层中， 可能需要破裂。
权利要求
1.一种用于从矿井采出粘性烃的方法，包括(a)将井下燃烧器固定在所述矿井中；(b)将燃料泵入所述矿井并在所述燃烧器中燃烧所述燃料；(c)在所述燃烧器中生成过热蒸汽；(d)将二氧化碳和所述过热蒸汽注入地层以加热其中的烃；然后(e)使所述烃从所述地层沿所述矿井向上流动。
2. 如权利要求1的方法，其中所述燃烧器只燃烧一部分的所述燃料， 并且其中步骤(d)还包括将所述燃料的未燃烧部分连同所述二氧化碳和 过热蒸汽一起注入所述地层。
3. 如权利要求1的方法，其中注入所述地层的二氧化碳相对于被注入 所述地层的所述过热蒸汽和所述燃烧器的任何燃烧产物的百分比为至少约 1%。
4. 如权利要求1的方法，其中注入所述地层的所述二氧化碳的至少一 部分是从表面沿所述矿井向下泵送的。
5. 如权利要求1的方法，还包括在步骤(d)之后且在步骤(e)之前，使所述地层浸泡选定的时间直 到开始步骤(e)。
6. 如权利要求1的方法，其中在步骤(d)中注入的所述二氧化碳成为所述地层中的溶解气并且导 致所述地层内的地层压力升高；和其中步骤(e)包括使用所述溶解气作为步骤(e)中的迫使所述烃流 入所述矿井并沿所述矿井向上流动的手段。
7. 如权利要求1的方法，其中步骤(c)包括将部分饱和的蒸汽泵至所 述燃烧器并使所述部分饱和的蒸汽的一部分流过包围所述燃烧器的夹套， 以使所述燃烧器冷却并将所述部分饱和的蒸汽转化为过热蒸汽。
8. 如权利要求1的方法，还包括在步骤(c)之前或期间破裂所述地层以形成破裂带，所述破裂带被所述地层的未破裂部分包围；和当所述烃的流在步骤(e)中降至选定的最小水平时，再次破裂所述 地层以增大所述破裂带的尺寸。
9. 如权利要求1的方法，其中注入所述地层的二氧化碳的至少一部分从所述表面沿所述矿井向下泵送；和所述热量、氧和二氧化碳由独立的管道沿所述矿井向下泵送。
10. —种用于从矿井采出粘性烃的方法，包括(a) 破裂粘性烃地层以形成被未破裂带包围的破裂带；(b) 将井下燃烧器固定在所述矿井中；(C)将氢和氧供给至所述燃烧器并在所述燃烧器中燃烧所述氢的一部分；(d) 在所述燃烧器中生产蒸汽；(e) 在步骤(c)和(d)的同时，将二氧化碳沿所述矿井向下泵送并 将所述二氧化碳连同所述蒸汽和所述氢的未燃烧部分注入所述破裂带；和(f) 使烃从所述破裂带沿所述矿井向上流动。
11. 如权利要求10的方法，其中注入所述破裂带的二氧化碳相对于所 述蒸汽和所述氢的任何未燃烧部分的百分比为至少约1%。
12. 如权利要求10的方法，其中步骤(d)包括将部分饱和的蒸汽泵至所述燃烧器并使所述部分饱和 的蒸汽的一部分流过包围所述燃烧器的夹套，以使所述燃烧器冷却并将所 述部分饱和的蒸汽转化为过热蒸汽；和步骤(e)包括将所述二氧化碳泵送通过所述夹套。
13. 如权利要求10的方法，其中步骤(c)和(e)包括将所述氢、氧 和二氧化碳通过独立的管道泵入所述矿井。
14. 如权利要求10的方法，其中当所述烃的流在步骤(f)中降至选定 的最小水平时，重复步骤(a)以增大所述破裂带的尺寸。
15. 如权利要求10的方法，其中在步骤(a)中形成的所述破裂带具有 有限的周界，从而避免与相邻矿井的任何排水区交叉。
16. —种用于从包围矿井的烃地层采出粘性烃的方法，包括(a) 将井下燃烧器固定在所述矿井中，所述燃烧器包围有夹套；(b) 通过第一管道将氢泵至所述燃烧器，通过第二管道将氧泵至所 述燃烧器，在所述燃烧器中燃烧所述氢的一部分，并将所述氢的未燃烧部分注入所述烃地层；(c) 在步骤(b)的同时，将蒸汽泵送通过所述燃烧器的所述夹套，从而将所述夹套冷却并加热所述蒸汽，然后将所述蒸汽从所述夹套流入所述烃地层；(d) 在步骤(b)和(c)的同时，将二氧化碳泵送通过所述燃烧 器，并将所述二氧化碳注入所述烃地层；和(e) 在选定的时间间隔后停止步骤(b) 、 (c)和(d)，然后在所 述选定的时间间隔后，将所述烃沿所述矿井向上流动。
17. 如权利要求16的方法，其中步骤(c)包括将在所述第一管道中将 所述蒸汽连同所述氢一起泵送。
18. 如权利要求16的方法，其中步骤(d)包括通过独立于所述蒸汽 的管道泵送所述二氧化碳。
19. 如权利要求16的方法，其中步骤(d)中的二氧化碳相对于注入 烃地层的所述烃的未燃烧部分和所述蒸汽的百分比为至少约1%。
20. 如权利要求16的方法，其中步骤(d)包括将所述二氧化碳泵送 通过所述夹套。
全文摘要
使用井下燃烧器来开采重油地层。通过独立的管道将氢、氧和蒸汽泵至燃烧器，在其中燃烧至少部分氢并使燃烧产物进入地层。蒸汽将燃烧器冷却并成为过热蒸汽，与燃烧产物一起被注入地层。二氧化碳也被泵到井下并注入地层。
文档编号E21B43/24GK101553644SQ200780014387
公开日2009年10月7日 申请日期2007年2月19日 优先权日2006年2月21日
发明者查尔斯·H·威尔, 麦伦·I·库尔曼 申请人:世界能源系统有限公司