专利名称：地下加热装置的制作方法
地下加热装置
背景技术：
在世界各地存在广泛分布的烃储层，其在可预见的将来代表用于世界经济持续发展的关键能源。这些储层时常包含粘性的烃混合物-被称为“焦油”、“重油”或“超重油”， 其在大约37. 5°C处测量时典型地具有在大约3000至1000000厘泊范围内的粘性。许多承载烃的地质岩层包含这种烃混合物，其因为烃内容物的高的粘性而不允许烃内容物迅速地流向井筒以便开采。在某些烃储层中，例如油页岩储层中，烃成分必须热分解成更低分子量的化合物，以便实现从储层中对其进行回收。在某些情况下，必须将储层加热至超过300°C 的温度，以便实现烃储层中的烃的甚至部分开采。已知三种不同类型的工艺用于增强从地下烃储层中进行烃开采。这些工艺可通常被分类为热工艺、化学工艺和互溶驱替工艺。一种知名的已知的热工艺涉及“原地”燃烧技术，其中用作其自身的燃料源的储层通过注入井进行点燃，并且燃烧区域从注入井朝着生产井进行扩散。燃烧可通过注入井的位置和在燃烧区域中实现燃烧所需要的外源氧气的传送模式而受到一定程度的控制。因为所涉及的燃料的性质和复杂性，这种原地燃烧技术产生了复杂的各种燃烧产物气体，其必须进行小心地管理，以防止它们被不受控制地释放到生活环境中。在储层中和储层周围的热传导现象在烃回收速率方面可起到关键性的作用，并且这种速率可能受到储层的烃成分经历焦化的倾向的进一步的限制。从热源至储层的热传递速率可能受到焦化温度和承载烃的储层的周围温度的限制。因而，涉及加热烃储层的方法必须使抵抗储层的烃成分的焦化温度而将热量引入储层的速率与可将热量从热源传导至储层中的速率达成平衡。因此需要一种地下加热装置，其利用清洁的燃料，例如天然气，并实现将相当大的热量从该装置受控制地传送至储层中，从而可将焦化减到最小，同时最大限度地增加烃回收的效率。
发明内容
在一个方面，本发明提供了一种地下加热装置，其包括(a)限定了燃烧导管的燃烧导管套；(b)至少两个设置在燃烧导管套中的燃烧器；(c)至少一个燃料供给导管，其构造为用以将可燃燃料供给至少一个燃烧器；(d)至少一个氧气供给导管，其构造为用以将氧气供给至少一个燃烧器；和(e)燃烧产物气体出口。该至少两个燃烧器的特征是至少一千英尺的燃烧器间的距离和至少每小时3. 41百万英制热单位(BTU)的燃烧功率。在另一方面，本发明提供了一种用于加热地下区域的方法，其包括(i)创建用于地下加热装置的容纳空腔；(ii)安装地下加热装置；以及(iii)操作地下加热装置。这种地下加热装置包括(a)限定了燃烧导管的燃烧导管套；(b)至少两个设置在燃烧导管套中的燃烧器；(c)至少一个燃料供给导管，其构造为用以将可燃燃料供给至少一个燃烧器； (d)至少一个氧气供给导管，其构造为用以将氧气供给至少一个燃烧器；和(e)燃烧产物气体出口。该至少两个燃烧器的特征是至少一千英尺的燃烧器间的距离和至少每小时3. 41百万BTU的燃烧功率。在又一方面，本发明提供了一种用于页岩油回收的方法，其包括(i)创建用于地下加热装置的容纳空腔；(ii)将地下加热装置安装在容纳空腔中；以及(iii)操作地下加热装置。这种地下加热装置包括(a)限定了燃烧导管的燃烧导管套；(b)至少两个设置在燃烧导管套中的燃烧器；(c)至少一个燃料供给导管，其构造为用以将可燃燃料供给至少一个燃烧器；(d)至少一个氧气供给导管，其构造为用以将氧气供给至少一个燃烧器；和(e) 燃烧产物气体出口。该至少两个燃烧器的特征是大约1000英尺的燃烧器间的距离，且其中第一燃烧器的热输出是间隔开大约1000英尺的燃烧器间的距离的下一燃烧器的热输出的大约1. 5至大约2. 5倍。
当参照附图阅读以下详细说明时，本发明的这些以及其它特征、方面和优势将变得更好理解，其中在所有附图中相似的符号表示相似的部件，其中图1是根据本发明一个实施例的地下加热装置的示意图。部件清单10地下加热装置；12燃烧导管套；14燃烧器；16燃烧器间的距离；18燃料供给导管；20氧气供给导管；22燃烧产物气体出口；24压缩机；26 泵；沘燃料；30燃烧导管；34 出口管。
具体实施例方式在以下说明书和所附的权利要求中将对许多词语进行引用，它们将被限定为具有以下含义。除非上下文中明确地做出其它规定，单数形式“一”、“一个”和“该”包括复数个所
指对象。“可选的”或“可选地”意味着接下来所述的事件或情况可能发生或可能不发生，而且该描述包括事件发生的情形和其不发生的情形。还应该懂得，诸如“顶部”、“底部”、“向外”、“向内”等等的词语都是方便性的用词， 并且不应被认为是限制性词语。此外，无论何时说本发明的特定特征包括一组元件中的若干个元件中的至少一个及其组合，或由一组元件中的若干个元件中的至少一个及其组合组成时，都应该懂得，该特征可包括该元件组的任何元件或由该元件组的任何元件组成(或者以单独的方式，或者结合该元件组的任何其它元件)。本文中使用的近似语句在整个说明书和权利要求中可用于修饰任何数量表述，其可在不导致与其相关的基本功能发生变化的条件下准许进行变化。因此，由诸如“大约”的一个词语或多个词语修饰的值不应局限于所规定的精确值。在某些情况下，近似语句可与用于测量该值的仪器的精度相对应。类似地，“无”可结合某事物使用，并且可包括相当少的数量或痕量，但仍然被认为是没有所修饰的事物。如以下详细论述的那样，本发明的实施例包括一种地下加热装置，其包括(a)限定了燃烧导管的燃烧导管套；(b)至少两个设置在燃烧导管套中的燃烧器；(c)至少一个燃料供给导管，其构造为用以将可燃燃料供给至少一个燃烧器；(d)至少一个氧气供给导管， 其构造为用以将氧气供给至少一个燃烧器；和(e)燃烧产物气体出口。该至少两个燃烧器的特征是至少一千英尺的燃烧器间的距离和至少每小时3. 41百万BTU的燃烧功率。在本发明的一个实施例中，如图1所示，地下加热装置10包括燃烧导管套12。燃烧导管套12典型地限定了燃烧导管30。在一个实施例中，燃烧导管套12由至少一种材料构成，该至少一种材料选自由钢、不锈钢、因科镍合金和高耐腐蚀性合金组成的材料组。在另一个实施例中，燃烧导管套12由钢管构成。燃烧导管套12具有设置在该燃烧导管套中的至少两个燃烧器14。燃烧器14是选自电加热器、煤气燃烧装置、无焰分布式燃烧器、天然分布式燃烧器(natural distributed combustor)或热气体携带导管中的至少一个。在一个实施例中，燃烧器14是低排放的天然气燃烧器，例如在先进的燃气涡轮中所找到的那些燃烧器。在一个实施例中，该至少两个燃烧器14是串联联接的。在另一个实施例中，该至少两个燃烧器14是并联联接的。典型地， 该至少两个燃烧器14间隔开一段竖直距离，并允许较大的受热面积的覆盖。地下加热装置 10包括至少两个燃烧器，其设置在燃烧导管套12中，并由燃烧器间的距离16表示其特征。 在一个实施例中，在该至少两个燃烧器14之间的燃烧器间的距离16是至少一千英尺。在另一个实施例中，该至少两个燃烧器14之间的燃烧器间的距离16在大约1000英尺至大约 3000英尺的范围内。在又一个实施例中，该至少两个燃烧器14之间的燃烧器间的距离16 是大约2000英尺。在一个实施例中，该至少两个燃烧器14可相对于燃烧导管套12而独立地移动。在另一个实施例中，燃烧器附连在移动平台上，例如导轨上，其中移动平台附连在燃烧导管套12的内表面上。典型地，燃烧器14具有至少大约每小时3. 41百万BTU的燃烧功率。在另一个实施例中，燃烧器14具有在大约每小时3. 41百万BTU至大约每小时10. 23百万BTU范围内的燃烧功率。在又一个实施例中，该至少两个燃烧器14中的各个具有大约每小时3. 41BTU 的燃烧功率。在一个实施例中，该至少两个燃烧器中的各个可具有相似的燃烧功率。在一个备选实施例中，该至少两个燃烧器中的各个可具有不同的燃烧功率。地下加热装置10包括燃料供给导管18，其构造为用以将燃料供给至少一个燃烧器14。地下加热装置10包括氧气供给导管20，其构造为用以将氧气供给至少一个燃烧器 14。如图1中所示，在一个实施例中，燃料供给导管18和氧气供给导管20可彼此平行放置 (例如并排的排列类型)。在另一个实施例中，燃料供给导管18和氧气供给导管20可形成同心对。在某些说明性的实施例中(图1)，燃料供给导管18可具有分支，以便将燃料供给设置在燃烧导管套12中的燃烧器14。
典型地，为地下加热装置10所采用的燃料是一种可燃燃料，其可选自天然气、烃 (例如甲烷、丙烷等等)、合成气体(例如包括氢气和一氧化碳的混合物)、与较重成分(例如乙烷、丙烷、丁烷或一氧化碳)混合的天然气、甲烷和空气的预混合物、柴油、燃用油、煤油类型的射流燃料。在一个实施例中，可燃燃料是液态燃料。在另一个实施例中，液态燃料是射流燃料。在某些实施例中，燃料还可包括非可燃性气体，例如氮气。在某些实施例中， 燃料还可包括来自煤或重油的气化工艺的产物。通常，在燃料和氧化剂的混合物于燃烧器 14中开始燃烧之后，燃料的成分可能发生变化，以增强燃烧器14的操作稳定性。在一个实施例中，燃料供给导管18将天然气提供给至少一个燃烧器14。在另一个实施例中，燃料供给导管18将燃用油提供给至少一个燃烧器14。在一个实施例中，通过泵26将燃料引入燃料供给导管18中。燃料供给导管18可将燃料供给至少一个设置在燃烧导管套12中的燃烧器14中。在某些说明性的实施例中(图1)，燃料供给导管18可具有分支，使得燃料供给导管18的分支将燃料供给设置在燃烧导管套12中的燃烧器14。在某些实施例中，可采用多个燃料供给导管，以使得能在不影响其它燃烧器的条件下中断对一个或多个燃烧器的燃料的供给。典型地，多个燃料供给导管18还可帮助在起动期间和当建立起燃烧器的稳定操作时调整供给燃烧器14的燃料的量。在一个实施例中，燃料供给导管 18可将相等量的燃料供给设置在燃烧导管套12中的多个燃烧器14。在又一个实施例中， 燃料供给导管18可将各不相同的量的燃料供给设置在燃烧导管套12中的多个燃烧器14。 在一个实施例中，供给该多个燃烧器14的相邻燃烧器的燃料的量可从第一燃烧器减少至相邻的第二燃烧器等等。在不同的实施例中，燃料供给导管18还可包括一个或多个孔(未显示)，以便有选择地控制沿着燃料供给导管18的压力损失。地下加热装置10包括氧气供给导管20。在一个实施例中，限定了燃烧导管30的燃烧导管套12构造为用作氧气供给导管20。典型地，氧气供给导管20还可携带如下气体 该气体选自空气、惰性气体(例如氩气)、氮气、富含氧气的空气、氧气和一种或多种气体的合成混合物。在另一个实施例中，氧气供给导管20可携带包含按重量计至少大约70%的氧气的气体。在又一个实施例中，氧气供给导管20可携带包含按重量计至少大约90%的氧气的气体。在图1所示的说明性的实施例中，氧气供给导管20构造为接受来自压缩机M的输出。在一个实施例中，燃料供给导管18联接在将燃料释放在燃烧器中的至少一个燃料喷口或燃料开口(未显示)上，并且氧气供给导管20联接在将包含氧气的气体(例如空气、氧气或氧气与一种或多种气体的合成混合物)释放在燃烧器14中的至少一个氧气(空气)喷嘴/氧气开口(未显示)上。在另一个实施例中，除了调整分别流入燃烧器14中的燃料和氧气的流量之外，该至少一个燃料喷口或氧气喷嘴调整燃烧器14内部的压力。在一个实施例中，燃料和氧气的混合物可被设置在燃烧导管套12中的点火器(未显示)点燃， 例如该点火器可以是小形明火燃烧装置、电加热导线或火花塞装置。一旦被点燃，火焰就可扩散到燃烧器14的燃烧区域/反应区域中。在一个实施例中，燃烧器14中的各个燃烧器14可独立地操作，即燃烧器可独立地打开或关闭，而不会影响地下加热装置10中的其它燃烧器的状态。因而，在一个实施例中， 在操作期间，沿着燃烧导管套12所限定的轴线而定位于命名为1的基准位置上的第一燃烧器被打开(即相关联的燃料喷口和氧气(空气)喷嘴打开，并且从中出现的氧气-燃料混合物燃烧)，而沿着燃烧导管套12所限定的轴线而定位在第一燃烧器附近的第二燃烧器被关闭(即相关联的燃料喷口和氧气(空气)喷嘴是关闭的)。在又一个实施例中，在任何给定时间，在该至少一个燃烧器14上所产生的热量的量可通过改变诸如可燃燃料的压力、氧气的压力的参数或改变氧气与可燃燃料的比而独立地变化。在一个实施例中，第一燃烧器的热输出是下一燃烧器的热输出的大约1至大约5倍。在另一个实施例中，第一燃烧器的热输出是下一燃烧器的热输出的大约1. 5至大约2. 5倍。在不同的实施例中，该至少一个燃料喷口和相关联的氧气(空气)喷嘴受到控制， 使其根据需要而打开、部分地打开或关闭。传统的控制系统可被采用。在一个实施例中，燃烧装置的机械构件(例如燃料喷口、相关联的氧气(空气)喷嘴、以及燃烧装置点火器)和一组操作传感器(火焰开/关传感器、阀门开/关传感器、温度传感器、压力传感器、点火器开/关传感器)通过绝缘的控制电缆而联接在控制器上，控制电缆沿着燃烧导管套12的轴线并在燃烧导管套12中排列。在一个实施例中，地下加热装置10还可包括多个传感器(未显示)。在一个实施例中，传感器是温度传感器。在一个实施例中，温度传感器可设置在地下加热装置10中。在另一个实施例中，温度传感器可设置在地下加热装置10的燃烧导管套12的外表面之外。在另一个实施例中，温度传感器构造为用以将数据提供给控制系统。在一个实施例中，燃烧器14可包括三个区域(未显示)，其包括混合区域、点火区域和反应区域。反应区域还可被称为燃烧区域，因为燃烧发生在反应区域中。在另一个实施例中，存在于燃烧器14中的三个区域可以容易地区分开。在一个实施例中，氧气和燃料进入燃烧器14的混合区域中。燃料和氧气的可燃混合物从混合区域传送到包括点火器的火焰区域中，点火器启动燃料和氧气的反应以提供热量和燃烧产物气体。典型地，因而产生的燃烧产物气体可流过燃烧导管30。在图1所示的另一个实施例中，由于燃烧器14中的反应而形成的燃烧产物气体通过出口管34而从燃烧导管30中除去。在一个实施例中，燃烧产物气体可在其沿着燃烧导管套12的长度流动时提供热量。除了燃烧器14中所产生的热量之外，沿着燃烧导管套12的长度而由燃烧产物气体所提供的热量可增加通过热传递的外壳而从燃烧导管套12传递给岩层的热量的量。在一个实施例中，燃烧导管套12构造为容纳热传递物质，例如有机的热传递液体或熔盐，它们用于将燃烧器14中所产生的热量更均勻地传递给该岩层。在各种实施例中，燃烧产物气体34在燃烧导管套12中进行热交换之后通过出口管34中的燃烧产物气体出口 22而被引导至气体处理单元。在另一个实施例中，燃烧产物气体出口 22构造为用以将燃烧产物气体34的样本传送给气体分析器。气体分析器的非限制性的示例包括气相色谱仪和金属氧化物传感器。在又一个实施例中，燃烧产物气体出口 22构造为在平行于燃烧导管套12的方向上返回燃烧产物气体34的至少一部分。本领域中的普通技术人员将懂得，燃料和空气管道(即燃料供给导管18和氧气供给导管20)可紧密靠近地下加热装置10的燃烧区域，并且热量存在流向地下加热装置10 的中心以及从地下加热装置10向外辐射的倾向。由于分别来自燃料供给导管18和氧气供给导管20的燃料和包含氧气的气体的向外流动，所以在地下加热装置10的操作期间可将各个导管中的温度保持在相对较低的温度。较低的流速和较低的压力损失是在燃料和包含氧气的气体供给导管中主导(prevailing)的相对较低温度的结果。本发明的另一方面提供了一种用于加热地下区域的方法，其包括(a)创建用于地下加热装置10的容纳空腔；(b)安装地下加热装置10 ；和(C)操作地下加热装置10。在一个实施例中，可在烃储层中创建容纳空腔。这里使用的词语“烃”被限定为一种包括碳和氢的化合物。然而，包含烃的储层可能包含许多成分，包括不同于碳和氢的元素，例如卤族、氮、氧、金属、硫和硒。可存在于烃储层中的成分的非限制性示例包括直链和支链烃，例如廿烷(C2tl直链烃)和植烷(C^1支链烃)、浙青、焦油、矿物、浙青岩、油母岩。烃储层典型地包含在地质基质中，例如沉积岩、含油砂岩、沉积石英岩、碳酸盐、硅藻土。在一个实施例中，烃储层是一种地下的粘性的含油岩层。在一个实施例中，烃储层包含在重油焦油砂岩层中。在另一个实施例中，烃储层包含在页岩油岩层中。在一个实施例中，容纳空腔可以是地下的，定位在冻原下，海底或以内陆为基地的油井下。本发明提供的方法可结合广泛的各种各样的烃回收技术来实践，包括竖直回收、水平回收和蒸汽辅助的重力流泄(SAGD) 技术。在另一个实施例中，可在近地面区域中创建容纳空腔。可适用的近地面区域的示例包括但不局限于建筑活动区域、容水区域、水上运输区域(例如市政送水和废水去除)和水处理区域，例如市政水处理工厂。在一个实施例中，地下加热装置10可在加压环境中进行操作。在另一个实施例中，其能够在变化的燃料和氧气压力下在几千英尺的长度上进行操作。在一个实施例中，地下加热装置10可以平行于地表的方式降低至容纳空腔中。在某些实施例中，地下加热装置 10可以相对地表成角度的方式降低至容纳空腔中。在另一个实施例中，地下加热装置10可以相对地表处于竖直位置的方式降低至容纳空腔中。在又一方面，本发明提供了一种用于页岩油回收的方法，其包括(i)创建用于地下加热装置的容纳空腔；(ii)将地下加热装置安装在容纳空腔中；以及(iii)操作地下加热装置。这种地下加热装置包括(a)限定了燃烧导管的燃烧导管套；(b)至少两个设置在燃烧导管套中的燃烧器；(c)至少一个燃料供给导管，其构造为用以将可燃燃料供给至少一个燃烧器；(d)至少一个氧气供给导管，其构造为用以将氧气供给至少一个燃烧器；和(e) 燃烧产物气体出口。该至少两个燃烧器的特征为大约1000英尺的燃烧器间的距离，且其中，第一燃烧器的热输出是间隔开大约1000英尺的燃烧器间的距离的下一燃烧器的热输出的大约1.5至大约2. 5倍。本书面描述使用示例来公开本发明，包括最佳模式，并且还使本领域中的任何技术人员能够实践本发明，包括制造和利用任何装置或系统，以及执行任何所结合的方法。本发明的可获得专利保护的范围由权利要求限定，并且可包括本领域中的技术人员想到的其它示例。如果这些其它示例具有并非不同于权利要求字面语言的结构元件，或者如果它们包括与权利要求字面语言无实质差异的等效的结构元件，那么这些其它示例都意图处于权利要求的范围内。
权利要求
1.一种地下加热装置(10)，包括(a)燃烧导管套(12)，其限定了燃烧导管(30)；(b)至少两个燃烧器(14)，其设置在所述燃烧导管套(12)中，并且特征是至少一千英尺的燃烧器间的距离(16)和至少每小时3. 14百万BTU的燃烧功率；(c)至少一个燃料供给导管(18)，其构造为用以将可燃燃料供给至少一个燃烧器 (14)；(d)至少一个氧气供给导管(20)，其构造为用以将氧气供给至少一个燃烧器(14)；和(e)燃烧产物气体出口02)。
2.根据权利要求1所述的地下加热装置(10)，其特征在于，所述燃烧导管(30)用作所述氧气供给导管。
3.根据权利要求1所述的地下加热装置(10)，其特征在于，所述燃烧器(14)能够相对于所述燃烧导管套(1 而独立地移动。
4.根据权利要求1所述的地下加热装置(10)，其特征在于，还包括至少一个传感器，其构造为用以将数据提供给远程控制器。
5.根据权利要求1所述的地下加热装置(10)，其特征在于，所述燃烧导管套(1 由选自由钢管、不锈钢、因科镍合金和耐腐蚀合金组成的组的至少一种材料构成。
6.根据权利要求1所述的地下加热装置(10)，其特征在于，所述燃烧产物气体出口 (22)构造为在平行于所述燃烧导管套(30)的方向上返回所述燃烧产物气体(34)的至少一部分。
7.一种用于加热地下区域的方法，包括(i)创建用于地下加热装置(10)的容纳空腔；所述地下加热装置(10)包括(a)燃烧导管套(12)，其限定了燃烧导管(30) ； (b)至少两个燃烧器(14)，其设置在所述燃烧导管套 (12)中，并且特征为至少一千英尺的燃烧器间的距离(16)和至少每小时3. 14百万BTU的燃烧功率；(c)至少一个燃料供给导管(18)，其构造为用以将可燃燃料供给至少一个燃烧器(14) ； (d)至少一个氧气供给导管(20)，其构造为用以将氧气供给至少一个燃烧器(14)； 和(e)燃烧产物气体出口 (22)；( )将所述地下加热装置(10)安装在所述容纳空腔中；以及(iii)操作所述地下加热装置(10)。
8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，在烃储层中创建所述容纳空腔。
9.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，第一燃烧器的热输出是下一燃烧器的热输出的大约1.5至大约2. 5倍。
10.一种用于页岩油回收的方法，包括(i)创建用于地下加热装置(10)的容纳空腔；所述地下加热装置(10)包括(a)燃烧导管套(12)，其限定了燃烧导管(30) ； (b)至少两个燃烧器(14)，其设置在所述燃烧导管套(12)中，并且特征是大约1000英尺的燃烧器间的距离(16)，且其中，第一燃烧器的热输出是间隔开大约1000英尺的燃烧器间的距离(16)的下一燃烧器的热输出的1. 5-2. 5倍； (c)至少一个燃料供给导管(18)，其构造为用以将可燃烧的液体燃料供给至少一个燃烧器 (14) ； (d)至少一个氧气供给导管(20)，其构造为用以将氧气供给至少一个燃烧器(14)；和 (e)燃烧产物气体出口 (22)；(ii)将所述地下加热装置(10)安装在所述容纳空腔中；以及(iii)操作所述地下加热装置(10)。
全文摘要
本发明涉及一种地下加热装置。在一个方面，本发明提供了一种地下加热装置，其包括(a)限定了燃烧导管的燃烧导管套；(b)至少两个设置在燃烧导管套中的燃烧器；(c)至少一个燃料供给导管；(d)至少一个氧气供给导管，其构造为用以将氧气供给至少一个燃烧器；和(e)燃烧产物气体出口。该至少两个燃烧器的特征是至少一千英尺的燃烧器间的距离和至少每小时3.41百万BTU的燃烧功率。该至少一个燃料供给导管构造为用以将可燃燃料供给至少一个燃烧器。在本发明的另一方面还提供了一种用于加热地下区域的方法。
文档编号E21B36/02GK102454386SQ20111035599
公开日2012年5月16日 申请日期2011年10月27日 优先权日2010年10月29日
发明者A·M·埃尔卡迪, A·T·埃武莱特, J·W·布雷, M·F·X·小吉格利奥蒂, R·B·谢尔顿, S·H·A·默罕默德 申请人:通用电气公司