專利名稱：提供均勻加熱至地層以采收礦床的系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明的實施方式涉及均勻加熱地層以采收礦床的系統(tǒng)和方法。
背景技術(shù)：
礦物的原位提取通常涉及施加熱以增強粘度降低、部分分解和改質(zhì)(upgrading)以及可溶性。經(jīng)歷原位提取的化石燃料的例子是油砂、油頁巖和煤。在一些情況下，施加熱
的均勻性是期望的，因為太少的熱可能減少有利于提取的期望改變的程度，而太多的熱可能使期望的產(chǎn)品降級為較少價值的產(chǎn)品。例如，至周圍礦床的有效傳熱促進足夠的原位裂解和加氫作用以采收油砂和油頁巖，從而提供優(yōu)質(zhì)的合成原油而不裂解大部分為較少價值的氣體以及形成焦炭。從這些類型的礦層中有效提取有價值的產(chǎn)品包括將熱分布遍布大部分的礦石。因此，期望在最高可能的溫度下施加熱。但是，地質(zhì)學不均勻性可能影響地層可接收熱和散熱的速率。如果加熱器的功率沿著其長度是恒定的，這可能在比平均更快或更慢散熱的地層部分造成加熱不足或過加熱。該加熱不足或過加熱可能造成局部的轉(zhuǎn)化不足或產(chǎn)品降解。旨在防止過加熱的一些現(xiàn)有系統(tǒng)包括溫度限制的電加熱器，其設(shè)計用于原位礦物提取。溫度限制使得最大允許功率能夠施加至整個地層，即使當熱接收隨著地層中的位置而變化。加熱器中加熱元件或電介質(zhì)的電阻通常是溫度依賴性的，這樣功率隨著達到目標溫度而降低，以防止過加熱。這種方法可以例如利用導體的居里點以改變其在期望的最大溫度下的電阻。

發(fā)明內(nèi)容
根據(jù)本發(fā)明實施方式的用于地下礦物地層的加熱系統(tǒng)包括位于地下礦物地層中的井筒中的套管，所述套管具有外表面和內(nèi)表面；位于套管中的加熱元件；地表面連接系統(tǒng)，其具有與套管中的加熱元件連接的第一端和在地下礦物地層上方的頂部地表面處的第二端；和包含在套管中的傳熱流體，所述傳熱流體配置為在加熱元件和套管的內(nèi)表面之間傳熱，其中至少一部分傳熱流體經(jīng)歷液體和氣體之間的相變，以便調(diào)節(jié)套管的溫度。根據(jù)本發(fā)明實施方式的加熱地下礦物地層的方法包括布置在地下礦物地層中的井筒中的套管，所述套管具有外表面和內(nèi)表面；位于套管中的加熱元件；和包含在套管中的傳熱流體。方法進一步包括為加熱元件供應能量，和使至少一部分傳熱流體經(jīng)歷液體和氣體之間的相變，以便調(diào)節(jié)套管的溫度，所述傳熱流體從加熱元件傳熱至套管。根據(jù)本發(fā)明另一實施方式的用于地下礦物地層的加熱系統(tǒng)包括放置在地下礦物地層中的井筒中的套管，所述套管具有外表面和內(nèi)表面；位于套管中的加熱元件，其中套管至少部分浸潰在地下礦物地層的井筒中的沸騰流體中，其中沸騰流體增強從套管的外表面到地下礦物地層的傳熱；和在套管的外表面上的多個散熱片，所述多個散熱片配置為增強套管和地下礦物地層之間的傳熱速率。盡管公開了多個實施方式，但是本發(fā)明的其他實施方式將從顯示和描述本發(fā)明示意性實施方式的下列詳細描述中對本領(lǐng)域技術(shù)人員變得顯而易見。因此，附圖和詳細的說明被認為本質(zhì)上是例證性的而不是限制性的。
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附圖簡述圖I圖解根據(jù)本發(fā)明實施方式的地下礦物地層中加熱系統(tǒng)的局部側(cè)剖視圖。圖2A圖解根據(jù)本發(fā)明實施方式的地下礦物地層的另一加熱系統(tǒng)的局部側(cè)剖視圖。圖2B圖解根據(jù)本發(fā)明實施方式的在圖2A加熱元件位置的加熱系統(tǒng)的前橫截面圖。圖3圖解根據(jù)本發(fā)明實施方式的加熱系統(tǒng)套管的前和側(cè)透視圖。圖4圖解根據(jù)本發(fā)明實施方式的可選加熱系統(tǒng)套管的前和側(cè)透視圖。圖5圖解根據(jù)本發(fā)明實施方式的顯示兩個不同厚度散熱片的散熱片傳熱效率和聞度之間關(guān)系的圖。圖6圖解根據(jù)本發(fā)明實施方式的圖3具有間隔裝置的加熱系統(tǒng)套管的前和側(cè)透視圖。圖7圖解根據(jù)本發(fā)明實施方式的位于井筒中的圖6加熱系統(tǒng)套管的正視圖。圖8圖解根據(jù)本發(fā)明實施方式的位于井筒中的圖6加熱系統(tǒng)套管的前和側(cè)透視圖。圖9圖解根據(jù)本發(fā)明實施方式的具有圍繞加熱系統(tǒng)套管施加的覆蓋物的圖I加熱系統(tǒng)的局部側(cè)剖視圖。

圖10圖解根據(jù)本發(fā)明實施方式的加熱器測試臺(stand)控制系統(tǒng)的圖。圖11圖解根據(jù)本發(fā)明實施方式的傳熱流體填充和液面控制系統(tǒng)的圖。圖12描繪流程圖，其圖解根據(jù)本發(fā)明實施方式的傳熱流體填充和液面測量方法。盡管本發(fā)明可容易進行各種修改和可選形式，但是在附圖中以舉例的方式顯示了具體的實施方式并且在下面詳細描述。但是，旨意不是將本發(fā)明限于所描述的實施方式。相反，本發(fā)明旨在覆蓋落在由所附權(quán)利要求限定的本發(fā)明范圍內(nèi)的所有修改、等價物和可選方案。發(fā)明詳述圖I圖解根據(jù)本發(fā)明實施方式的地下礦物地層50的加熱系統(tǒng)I。加熱系統(tǒng)I包括位于地下礦物地層50的井筒10中的套管2，并且套管2具有外表面和內(nèi)表面12。加熱元件3位于套管2內(nèi)。傳熱流體140也包含在套管2內(nèi)，傳熱流體140的上液面由參考數(shù)字14指示。傳熱流體140可以為選自表I所列舉那些的傳熱流體，或可以為另一種合適的傳熱流體。傳熱流體140在加熱元件3和套管2的內(nèi)表面12之間傳熱。根據(jù)本發(fā)明的一些實施方式，井筒10可以以一定的角度鉆井，以連接生產(chǎn)井11。用于提取液體頁巖油和頁巖油蒸氣的各種系統(tǒng)和方法描述在于2011年4月12日授權(quán)的美國專利號7，921，907中，為了所有的目的通過引用以其整體并入本文。地心引力，例如，由箭頭15指示的地球主要向下的地心引力，迫使液體頁巖油20沿著生產(chǎn)井11向下并且朝著加熱器井的井筒10的底部向下。液體頁巖油20的上液面由參考數(shù)字13指示。根據(jù)本發(fā)明的實施方式，套管2具有遠端8和近端9，并且加熱組件I可插入和/或部署在井筒10內(nèi)，遠端8比近端9更靠近生產(chǎn)井11。根據(jù)本發(fā)明的實施方式，圖1、2和9的加熱組件I元件可基本上為圓柱形或管狀，以便促進它們插入和部署在井筒10中。這樣，根據(jù)本發(fā)明的實施方式，加熱系統(tǒng)I的縱向尺寸基本上與井筒10的縱向尺寸對齊，如圖I中所圖解。根據(jù)本發(fā)明的實施方式，套管2至少部分浸潰在地下礦物地層的井筒10中的沸騰流體20中。沸騰流體20增強從套管2的外表面至地下礦物地層50 (例如圍繞井筒10的礦物地層和/或干酪根)的傳熱。根據(jù)本發(fā)明的一些實施方式，沸騰流體20是頁巖油。沸騰流體20可以，例如，在大于300°C的溫度下沸騰。如果在井筒10中不存在流體20，或在井筒中不存在流體20的位置(例如高于液面13)，加熱系統(tǒng)I通過熱傳導穿過套管2并且進入地下礦物地層50而加熱地下礦物地層50。在井筒10中存在流體20的情形中，加熱系統(tǒng)I通過對流加熱地下礦物地層50。根據(jù)本發(fā)明的實施方式，在流體20沸騰的情形下，力口熱系統(tǒng)I通過對流和回流加熱地下礦物地層50。根據(jù)本發(fā)明的實施方式，隨著熱上升該對 流沿著箭頭16的方向進行，并且在液體/氣體分界面13，頁巖油蒸氣上升(由箭頭17指示)，同時一些頁巖油蒸氣冷凝并且回流。根據(jù)本發(fā)明的一些實施方式，通過調(diào)整液面13和14之間的高度差，套管2和周圍地層50之間的傳熱可被優(yōu)化(例如，以獲得更高的傳熱系數(shù))。根據(jù)本發(fā)明的實施方式，在套管2內(nèi)，加熱元件3具有遠端7和近端6，遠端7放置更接近套管2的遠端8并且近端6放置更接近近端9。也可稱為“控制管纜”的地表連接系統(tǒng)5具有與加熱元件3的近端6連接的第一端，和在地下礦物地層50上方的頂部地表處的第二端。加熱元件3可以為電加熱元件，和地表連接系統(tǒng)5可從高于地面的來源提供能量。根據(jù)本發(fā)明的實施方式，地表連接系統(tǒng)5也可包括電線或與在頂部地表上的計算機或其他接口設(shè)備連接的其他控制或傳感機構(gòu)，以允許監(jiān)測和/或控制加熱元件3以及加熱器系統(tǒng)I和井筒10內(nèi)的條件。根據(jù)本發(fā)明的實施方式，地表連接系統(tǒng)5也可包括一個或多個管或?qū)Ч埽栽试S傳熱流體140添加至頂部地表、從頂部地表減除、或從頂部地表采樣。地表連接系統(tǒng)5可以是柔性的。根據(jù)本發(fā)明的一些實施方式，地表連接系統(tǒng)5可用于從套管2收回和/或置換傳熱流體140和/或氣體，以優(yōu)化性能。根據(jù)本發(fā)明的其他實施方式，傳熱流體140可從地表循環(huán)，或用內(nèi)部泵或用臨近泵。根據(jù)本發(fā)明的一些實施方式，傳熱流體140的液面13更高，例如高于加熱元件的最高程度不到5%，以用于電加熱元件。加熱元件3可包括一個或多個電加熱器或加熱器元件組件，其由加熱電纜、帶和/或棒組成。舉例來說，例如一個或多個礦物絕緣(MI)電纜或C'alrod 型電加熱器。供應給加熱元件3的功率可改變，以便調(diào)整傳熱速率。如果加熱元件以三相Wye構(gòu)造連接，元件數(shù)量為3的倍數(shù)可能是有益的。本發(fā)明的實施方式包括使用加熱元件和待加熱的地層之間的中間沸騰傳熱流體(“HTF”)，以調(diào)節(jié)傳輸熱的溫度。流體和它們的工作溫度范圍的例子顯示在表I中。通過平衡熱輸入和從HFT提取熱，確定熱傳輸溫度，并且加熱器內(nèi)部的壓力隨著溫度而變化。加熱元件可以是電加熱器，或燃燒器，或任何其他井下發(fā)熱或傳熱設(shè)備，例如不固有地包括用于沿著待加熱礦物地層的部分提供均勻調(diào)節(jié)溫度的機構(gòu)的設(shè)備。這可包括，例如，沿著其長度具有非均勻溫度，但由于中間傳熱流體，輸送更均勻溫度至沸騰頁巖油或油頁巖地層的熱交換器。表I傳熱流體的例子
權(quán)利要求
1.地下礦物地層的加熱系統(tǒng)，所述加熱系統(tǒng)包括 位于所述地下礦物地層中的井筒中的套管，所述套管具有外表面和內(nèi)表面； 位于所述套管中的加熱元件； 地表連接系統(tǒng)，其具有與所述套管中的所述加熱元件連接的第一端和在所述地下礦物地層上方的頂部地表處的第二端；和 包含在所述套管中的傳熱流體，所述傳熱流體配置來在所述加熱元件和所述套管的內(nèi)表面之間傳熱， 其中至少一部分所述傳熱流體經(jīng)歷液體和氣體之間的相變，以便調(diào)節(jié)所述套管的溫度。
2.權(quán)利要求I所述的加熱系統(tǒng)，其中所述套管至少部分浸潰在所述地下礦物地層的井筒中的沸騰流體中，其中所述沸騰流體增強從所述套管的外表面到所述地下礦物地層的傳熱。
3.權(quán)利要求2所述的加熱系統(tǒng)，其中所述沸騰流體是頁巖油。
4.權(quán)利要求2所述的加熱系統(tǒng)，其中所述沸騰流體在大于300°C的溫度下沸騰。
5.權(quán)利要求I所述的加熱系統(tǒng)，其中所述套管的外表面包括多個散熱片，其配置來增強所述套管和所述地下礦物地層之間的傳熱速率。
6.權(quán)利要求5所述的加熱系統(tǒng)，其中所述套管的外表面是圍繞縱軸的大致圓柱形，并且其中所述多個散熱片的每個散熱片沿著與所述縱軸基本上平行的外表面延伸。
7.權(quán)利要求6所述的加熱系統(tǒng)，其中所述多個散熱片的每個包括以縱向間隔形成的缺□。
8.權(quán)利要求7所述的加熱系統(tǒng)，其中所述多個散熱片的第一散熱片的所述縱向間隔與所述多個散熱片的徑向相鄰的第二散熱片的縱向間隔基本上相同但縱向偏移。
9.權(quán)利要求5所述的加熱系統(tǒng)，其中所述套管的外表面為大致圓柱形，并且其中所述多個散熱片從所述外表面的至少一部分以螺旋構(gòu)造突出。
10.權(quán)利要求9所述的加熱系統(tǒng)，其中所述多個散熱片的每個包括以縱向間隔形成的缺口。
11.權(quán)利要求I所述的加熱系統(tǒng)，進一步包括所述套管內(nèi)的導向管，所述導向管配置來引導所述傳熱流體的對流離開在所述導向管內(nèi)側(cè)上的所述加熱元件并且朝著所述導向管的外側(cè)和所述套管的內(nèi)表面之間的所述加熱元件返回。
12.權(quán)利要求11所述的加熱系統(tǒng)，進一步包括位于所述導向管的外側(cè)和所述套管的內(nèi)表面之間的芯吸材料，以增強冷凝的傳熱流體流動返回所述加熱元件。
13.權(quán)利要求I所述的加熱系統(tǒng)，其中所述加熱元件和所述套管之間的空間不受約束，以允許通過自由對流從所述加熱元件至所述套管傳熱。
14.權(quán)利要求I所述的加熱系統(tǒng)，其中所述傳熱流體是非水性的，并且其中在大于350°C的溫度下，從所述加熱器元件的熱提取速率超過30瓦特每平方英寸。
15.權(quán)利要求I所述的加熱系統(tǒng)，進一步包括位于所述套管和所述井筒之間圍繞所述套管的覆蓋物，所述覆蓋物配置來防止碎石直接沉降至所述套管。
16.權(quán)利要求15所述的加熱系統(tǒng)，其中所述覆蓋物包括多個孔，其配置來增強地下對流流動。
17.權(quán)利要求I所述的加熱系統(tǒng)，其中所述套管的縱向尺寸基本上與地下引力方向垂直地放置。
18.權(quán)利要求I所述的加熱系統(tǒng)，其中所述套管的縱向尺寸基本上與地下引力方向平行地放置。
19.權(quán)利要求I所述的加熱系統(tǒng)，其中所述套管的縱向尺寸相對于地心引力以一角度放置。
20.權(quán)利要求I所述的加熱系統(tǒng)，其中所述傳熱流體是Thenminol(R)VP-I或DowthermA 。
21.加熱地下礦物地層的方法，所述方法包括· 布置在所述地下礦物地層中的井筒中的套管，所述套管具有外表面和內(nèi)表面；位于所述套管中的加熱元件；和包含在所述套管中的傳熱流體； 為所述加熱元件供應能量；和 使至少一部分所述傳熱流體經(jīng)歷液體和氣體之間的相變，以便調(diào)節(jié)所述套管的溫度，所述傳熱流體從所述加熱元件傳熱至所述套管。
22.權(quán)利要求21所述的方法，進一步包括 通過熱傳導經(jīng)過所述套管并進入所述地下礦物地層，加熱所述地下礦物地層。
23.權(quán)利要求21所述的方法，進一步包括 加熱圍繞所述地下礦物地層中的所述套管的液體，以便通過對流加熱所述地下礦物地層。
24.權(quán)利要求21所述的方法，進一步包括 使圍繞所述地下礦物地層中所述套管的液體沸騰，以便通過對流和回流加熱所述地下礦物地層。
25.權(quán)利要求21所述的方法，其中所述傳熱流體是非水性的，所述方法進一步包括在大于250°C的溫度下，從所述加熱元件提取至少30瓦特每平方英寸。
26.權(quán)利要求21所述的方法，進一步包括 在所述套管和所述井筒之間圍繞所述套管放置覆蓋物，所述覆蓋物防止碎石直接沉降至所述套管。
27.地下礦物地層的加熱系統(tǒng)，所述加熱系統(tǒng)包括 位于地下礦物地層中的井筒中的套管，所述套管具有外表面和內(nèi)表面； 位于所述套管中的加熱元件； 其中所述套管至少部分浸潰在所述地下礦物地層的井筒中的沸騰流體中，其中所述沸騰流體增強從所述套管的外表面到所述地下礦物地層的傳熱；和 在所述套管的外表面上的多個散熱片，所述多個散熱片配置來增強所述套管和所述地下礦物地層之間的傳熱速率。
28.權(quán)利要求27所述的加熱系統(tǒng)，其中所述套管的外表面是圍繞縱軸的大致圓柱形，并且其中所述多個散熱片的每個散熱片沿著與所述縱軸基本上平行的外表面延伸。
29.權(quán)利要求28所述的加熱系統(tǒng)，其中所述多個散熱片的每個包括以縱向間隔形成的缺口。
30.權(quán)利要求29所述的加熱系統(tǒng)，其中所述多個散熱片的第一散熱片的所述縱向間隔與所述多個散熱片的徑向相鄰的第二散熱片的縱向間隔基本上相同但縱向偏移。
31.權(quán)利要求27所述的加熱系統(tǒng)，其中所述套管的外表面為大致圓柱形，并且其中所述多個散熱片從所述外表面的至少一部分以螺旋構(gòu)造突出。
32.權(quán)利要求27所述的加熱系統(tǒng)，其中所述多個散熱片的至少一個包括間隔裝置，以便當所述間隔裝置?？吭谒鼍采蠒r，允許流體在所述多個散熱片的所述至少一個的下方流動。
33.權(quán)利要求32所述的加熱系統(tǒng)，其中所述多個散熱片的每個包括以縱向間隔形成的 缺口，其中所述間隔裝置是第一間隔裝置，并且其中所述多個散熱片的所述至少一個包括 第二間隔裝置，并且其中所述第一間隔裝置和所述第二間隔裝置之間的距離比所述縱向間隔的每一個更長。
全文摘要
根據(jù)本發(fā)明實施方式的地下礦物地層的加熱系統(tǒng)包括位于地下礦物地層中的井筒中的套管，所述套管具有外表面和內(nèi)表面；位于套管中的加熱元件；地表連接系統(tǒng)，其具有與套管中的加熱元件連接的第一端和在地下礦物地層上方的頂部地表處的第二端；包含在套管中的傳熱流體，所述傳熱流體配置來在加熱元件和套管的內(nèi)表面之間傳熱，其中至少一部分傳熱流體經(jīng)歷液體和氣體之間的相變，以便調(diào)節(jié)套管的溫度。散熱片可包括在套管的外側(cè)上以增強傳熱。
文檔編號E21B43/24GK102906369SQ201180025216
公開日2013年1月30日 申請日期2011年4月27日 優(yōu)先權(quán)日2010年4月27日
發(fā)明者J·R·麥肯納吉, L·斯威策, A·K·伯恩哈姆, R·L·戴 申請人:美國頁巖油公司