專利名稱：從地下礦床中采收烴的加熱器和方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明一般地涉及促進(jìn)從地下礦床中采收烴產(chǎn)品的設(shè)備和方法，更具體地涉及原位加熱油頁巖從而采收液體頁巖油的方法和系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
在美國及世界各地都發(fā)現(xiàn)了大量地下油頁巖礦床。與石油礦床相比，這些油頁巖礦床的特點(diǎn)在于它們是固態(tài)，其中有機(jī)材料是聚合物樣結(jié)構(gòu)，通常稱為“干酪根 (kerogen) ”，其與無機(jī)礦物組分緊密混合。已顯示，將油頁巖礦床加熱到約300°C的溫度，使得固體干酪根熱解，形成石油樣“頁巖油”和天然氣樣氣體產(chǎn)品。部分地由于高效加熱地下油頁巖礦床的困難，阻礙了來源于油頁巖的產(chǎn)品的經(jīng)濟(jì)提取。因而，本領(lǐng)域需要允許高效地原位加熱大體積(volume)油頁巖礦床的方法和設(shè)備。

發(fā)明內(nèi)容
本申請通過提供在大的地下體積范圍內(nèi)加熱的設(shè)備而解決了已知系統(tǒng)和技術(shù)的一些缺點(diǎn)。在一個(gè)實(shí)施方式中，提供了加熱器，該加熱器可沿其長度方向加熱到指定的溫度。—般地，該加熱器接受燃料和氧化劑，并設(shè)計(jì)用于促進(jìn)沿其長度方向的放熱反應(yīng)區(qū)。在各個(gè)實(shí)施方式中，該加熱器包括燃料和氧化劑的混合區(qū)，并且該混合物內(nèi)的反應(yīng)發(fā)生在該混合區(qū)、催化表面上，或其一些結(jié)合。通過本公開的設(shè)備和方法以及本文給出的它的優(yōu)選實(shí)施方式獲得了這些特征以及本領(lǐng)域技術(shù)人員根據(jù)下面的詳細(xì)描述可以明了的各種附屬構(gòu)造(ancillary provisions)禾口特征。


圖1是科羅拉多州綠河地層(Colorado' s Green River Formation)中富含油頁巖的場所的示意圖；圖2是可包含在加熱器控制建筑物(Heater Control Building)內(nèi)用于加熱器控制的一些元件的示意圖；圖3是示出滲透性催化材料加熱器(Permeable Catalytic Material Heater)形式的加熱器的示例實(shí)施方式的示意圖；圖4是示出催化床加熱器(Catalytic Bed Heater)形式的加熱器的另一個(gè)示例實(shí)施方式的示意圖；圖5示出圖4所示從催化床加熱器性能的數(shù)值模擬(numerical simulation)所得到的溫度分布；和圖6是催化壁加熱器(Catalytic-Wall Heater)形式的加熱器的又一個(gè)示例實(shí)施方式的示意圖。
具體實(shí)施例方式圖1是稱為綠河地層的科羅拉多州中富含油頁巖的場所100的正視圖。圖1是示例性、非限制性圖示。該正視圖所示的一些層隨著深度的增加而包括磺酸帶(Mahogany Zone) 102、富含蘇打石的油頁巖巖蓋層(Cap Rock Layer) 104和富含伊利石(Illite)的油頁巖帶106。所示距離是近似值，粗略地說明了該地層的地質(zhì)情況?；撬釒?02上面的區(qū)域的水質(zhì)通常良好。該水的含鹽度隨著與富含蘇打石的油頁巖巖蓋層104的接近而增加。富含伊利石的油頁巖帶106的滲透性低。原位提取干酪根的一個(gè)示例方法包括，將富含伊利石的油頁巖帶106加熱至熱解溫度。熱量可經(jīng)由加熱器井108由熱源提供。流體干酪根可經(jīng)由生產(chǎn)井110移出。原位提取進(jìn)一步描述在共同未決的美國專利申請系列號(hào)11/655,152中，該申請題目為“In-Situ Method and System for Extraction of Oil From Shale (從頁巖提取油的原位方法禾口系統(tǒng))”，提交于2007年1月19日，其通過引用合并在此如同全部提出一樣?？梢钥闯觯訜崞骶?08和生產(chǎn)井110都具有在富含伊利石的油頁巖帶106中延伸的井段(section)。雖然示為水平井段，但該井可以是水平的、豎直的或其間的任何角度。在一個(gè)實(shí)施方式中，加熱器井108可包括逆流式換熱器以對(duì)可燃流體進(jìn)行預(yù)加熱 (下面將更全面地描述)，然后使該可燃流體燃燒從而在富含伊利石的油頁巖帶106中產(chǎn)生熱量。在另一個(gè)實(shí)施方式中，加熱器井108可包括在富含伊利石的油頁巖帶106內(nèi)的井下燃燒器。加熱器井108提供了用于熱解頁巖的熱量，以便干酪根轉(zhuǎn)變成可通過生產(chǎn)井110 提取的流體。在各種實(shí)施方式中，包括富含氧和/或含二氧化碳的混合物的、供應(yīng)給加熱器井的可燃流體可以從生產(chǎn)井110或加熱器井108在地表進(jìn)行回收。在此文中，術(shù)語流體旨在包括液體和氣體。用作加熱目標(biāo)的頁巖體積稱作“蒸餾器(retort) ”。加熱器通過利用受熱流體與蒸餾器體積之間的傳導(dǎo)和對(duì)流轉(zhuǎn)移熱量而在礦床中形成地下蒸餾器，將礦床轉(zhuǎn)變成可采收烴液體和氣體。因而，例如但不限制地，油頁巖可以熱解從而形成合成原油(synthetic crude oil)，該合成原油然后可通過另一個(gè)井提取。在一些實(shí)施方式中，例如，蒸餾器可從加熱器延伸 50ft IOOft0促進(jìn)地下礦床移出所需的溫度取決于礦床的化學(xué)性質(zhì)和/或物理狀態(tài)以及深度。 一般地，本文公開的加熱器可被配置在溫度范圍以及深度和構(gòu)造范圍內(nèi)操作，從而促進(jìn)許多類型的礦床移出，包括但不局限于頁巖、浙青砂和重油礦床。本文陳述的實(shí)例是為了說明，而不是要進(jìn)行限制。在一個(gè)實(shí)施方式中，加熱器溫度高于干酪根的熱解溫度，但低于頁巖油在加熱器表面上炭化的溫度。因?yàn)橛晚搸r礦床通常包含大量與干酪根混合的無機(jī)材料，且這些無機(jī)材料與干酪根一起被加熱，所以期望蒸餾器可以高效加熱。采收頁巖油的一種高效加熱方法是在頁巖礦床上鉆一個(gè)或多個(gè)井，在一個(gè)或多個(gè)井中安裝原位加熱油頁巖的井下加熱器，從而使干酪根熱解為可通過一個(gè)或多個(gè)生產(chǎn)井采收的液體和氣體產(chǎn)品。如果蒸餾器區(qū)域中的礦床具有一致的物理和化學(xué)特性，并且如果加熱沿著加熱器是均勻的，則蒸餾器將沿著加熱器均勻地形成。因而，例如，產(chǎn)生均勻加熱的長直加熱器將形成圓柱形蒸餾器?？v向加熱變化可能導(dǎo)致非圓柱形的蒸餾器形狀。蒸餾器形狀的此類變化可產(chǎn)生無法高效處理蒸餾器附近所有油頁巖的系統(tǒng)，并可能在恢復(fù)均勻性之前要求加熱器關(guān)閉。為此，優(yōu)選加熱是這樣的，以便蒸餾器的徑向延伸沿加熱器長度方向沒有明顯變化。圖1還示出加熱器控制建筑物112和頁巖油采收建筑物114。在一個(gè)實(shí)施方式中， 蒸餾器加熱通過燃料和氧化劑的地下反應(yīng)實(shí)現(xiàn)?？蛇x地，蒸餾器加熱可用加熱器的電加熱加以補(bǔ)充。圖2是可包含在加熱器控制建筑物112內(nèi)的一些加熱器控制用元件的示意圖。 加熱器控制建筑物112可包括控制器200、連接燃料供應(yīng)204和加熱器燃料管路206的一個(gè)或多個(gè)可調(diào)節(jié)閥202 (1) -202 (N)、連接氧化劑供應(yīng)208和氧化劑管路207的一個(gè)或多個(gè)可調(diào)節(jié)閥203，以及連接稀釋劑源210和稀釋劑供應(yīng)管路209的一個(gè)或多個(gè)可調(diào)節(jié)閥205?？烧{(diào)節(jié)閥203和205可布置成類似于與可調(diào)節(jié)閥202關(guān)聯(lián)的歧管。加熱器控制建筑物112還可以包括裝置或混合流體(未示出)。例如，一些實(shí)施方式可提供預(yù)混合燃料、氧化劑、稀釋劑或其混合物。在一個(gè)實(shí)施方式中，流體被可控地提供到加熱器井108的不同區(qū)域中，如隨后描述的。因而，例如但不限制地，可對(duì)燃料、氧化劑和/或稀釋劑的供應(yīng)獨(dú)立地調(diào)節(jié)，并可通過管道裝置(plumbing)將其提供到加熱器的不同部分(“加熱器區(qū)”)中。在又一個(gè)實(shí)施方式中，沿加熱器長度方向提供溫度傳感器裝置。例如，沿著加熱器、靠近或在加熱器外表面上策略性地安置熱電偶或電阻式溫度檢測器(RTD)。通過對(duì)燃料供應(yīng)加以適當(dāng)調(diào)節(jié)，可操作加熱器以獲得溫度均勻性?？蛇x地，可利用電阻加熱器提供另外的加熱，從而實(shí)現(xiàn)沿著加熱器的溫度均勻性。在一個(gè)實(shí)施方式中，沿著加熱器的溫度變化不大于10°C。在另一個(gè)實(shí)施方式中， 沿著加熱器的溫度變化不大于20°C。在又一個(gè)實(shí)施方式中，沿著加熱器的溫度在加熱器10 米長度上的變化不大于10°C。在另一個(gè)實(shí)施方式中，沿著加熱器的溫度在加熱器10米長度上的變化不大于20°C。在另一個(gè)實(shí)施方式中，沿加熱器長度方向的溫度變化小于40°C。在又一個(gè)實(shí)施方式中，沿著加熱器的溫度變化小于100°C。在一個(gè)實(shí)施方式中，沿著加熱器的熱通量變化不大于10%。在另一個(gè)實(shí)施方式中， 沿著加熱器的熱通量變化不大于20%。在又一個(gè)實(shí)施方式中，沿著加熱器的熱通量在加熱器10米長度上的變化不大于10%。在另一個(gè)實(shí)施方式中，沿著加熱器的熱通量在在加熱器 10米長度上的變化不大于20%。在又一個(gè)實(shí)施方式中，蒸餾器可不具有恒定的傳熱特性。 因而，例如，油蒸氣流可增大加熱器的一些部分上的傳熱?？赏ㄟ^在縱向或環(huán)向上有意提供熱通量和/或溫度的變化來抵消傳熱變化。在一個(gè)實(shí)施方式中，加熱器的尺寸適于安裝在蒸餾器內(nèi)的射孔井套管中。該射孔套管提供了抵御可從井壁脫落的碎裂巖石碎片的機(jī)械保護(hù)。因而，例如，加熱器的尺寸適于安裝在圓形孔口直徑為150mm 500mm的井套管中。在多個(gè)實(shí)施方式中，加熱器是圓柱形， 直徑為150mm 300mm。在多個(gè)實(shí)施方式中，加熱器直徑近似為150mm、近似為200mm、近似為250mm或近似為300mm。研究已表明，從油頁巖礦床提取的收益隨著蒸餾器側(cè)面長度增加，S卩，一個(gè)加熱器井所能供應(yīng)的蒸餾器越長，該井的巨大成本所造成的費(fèi)用也就越小。所公開的加熱器可以將非常長的蒸餾器加熱到均勻溫度。在一個(gè)實(shí)施方式中，加熱器長度是，例如但不限制地， 大于1000m。在可選實(shí)施方式中，加熱器長度大于100m、大于200m、大于300m、大于400m、大于500m、大于600m、大于700m、大于800m或大于900m。在其它可選實(shí)施方式中，加熱器長度大于1500m或大于2000m。通過熱解將油頁巖礦床中的干酪根轉(zhuǎn)變成液體和/或氣體產(chǎn)品，也促進(jìn)有機(jī)組分與大量存在的頁巖無機(jī)成分分離。在一個(gè)實(shí)施方式中，提供了地下加熱頁巖、浙青砂和重油礦床的加熱器。該加熱器可以安裝在例如水平井中。在加熱后，礦床形成維持在某個(gè)溫度下的沸油(boiling oil), 該溫度取決于礦床組成和深度。對(duì)于許多地下礦床而言，感興趣的溫度為275°C 450°C。 在一個(gè)實(shí)施方式中，油在約350°C下沸騰。在另一個(gè)實(shí)施方式中，加熱器可以安裝在穿過礦床如油頁巖礦床的水平井中。在另一個(gè)實(shí)施方式中，與加熱器接觸的產(chǎn)品由于加熱和/或熱解而液化，并形成與加熱器的一定長度接觸的沸騰液體。在一個(gè)實(shí)施方式中，礦床被加熱到沸點(diǎn)，該沸點(diǎn)將隨著礦床類型和深度而變化。因而，例如，優(yōu)選加熱器一經(jīng)操作便被維持在近似350°C的地下沸騰產(chǎn)品油圍繞。在又一個(gè)實(shí)施方式中，加熱器包括逆流式換熱器。向加熱器提供氣體或液體燃料以及氣體氧化劑，它們可被稀釋且可以預(yù)混合或分開供應(yīng)。該燃料和氧化劑發(fā)生放熱反應(yīng)并形成“煙道氣”，該煙道氣逆向流過熱交換器并預(yù)熱進(jìn)入的氣體。所釋放熱量預(yù)熱進(jìn)入的燃料和/或氧化劑和/或稀釋劑以及加熱器的外殼。加熱可在加熱器一些長度或全長內(nèi)發(fā)生。在某些其它實(shí)施方式中，燃料和氧化劑在加熱器內(nèi)、在氣相中或在催化劑促成的表面上發(fā)生反應(yīng)。所產(chǎn)生的煙道氣逆向地流向進(jìn)入的流體，在燃料和氧化劑流入燃燒器時(shí)對(duì)它們進(jìn)行預(yù)熱，并對(duì)加熱器的外管進(jìn)行加熱。在一個(gè)實(shí)施方式中，布置從地表面到加熱器的供應(yīng)和煙道氣管路從而提供逆流式熱交換器。該煙道氣因而在到達(dá)表面時(shí)冷卻到例如近似25°C，并且燃料和氧化劑在進(jìn)入加熱器之前被預(yù)熱到最大煙道氣溫度，最大煙道氣溫度為例如近似400°C，或近似500°C。在某些實(shí)施方式中，燃料和氧化劑可以在各種實(shí)施方式中包括化學(xué)計(jì)量比或貧燃料(富氧化劑)比。在一些實(shí)施方式中，燃料和氧化劑被預(yù)混合，而在其它實(shí)施方式中，流體被分開供應(yīng)并在沿著加熱器的反應(yīng)區(qū)中混合。可選地，可將稀釋劑加入到燃料、氧化劑或其混合物中。稀釋劑可以是但不限于從生產(chǎn)井在地表采收的二氧化碳。在某些其它實(shí)施方式中，特別是其中加熱器內(nèi)的燃料/氧化劑反應(yīng)對(duì)于煙道氣而言沒有充分完成從而無法滿足排放或埋存(sequestration)需要的實(shí)施方式中，可在加熱器的煙道氣出口處提供催化轉(zhuǎn)化器，從而在溫度高到足以支持催化氧化的場所中消除殘留烴和CO。在其它實(shí)施方式中，通過將一些煙道氣與燃料、氧氣或其混合物混合，可以使其再循環(huán)回到加熱器中。下面說明了數(shù)個(gè)加熱器實(shí)施方式，其不應(yīng)被解讀為限制性的。
滲透性催化材料加熱器圖3示出加熱器的一個(gè)實(shí)施方式，其為滲透性催化材料加熱器300。圖3的加熱器實(shí)施方式在適當(dāng)時(shí)可包括上述元件中的一個(gè)或多個(gè)。圖3的加熱器有開口端302和加熱器閉合端304，開口端302具有提供氣體流入(inflow)和流出(outflow)的氣體進(jìn)口 /出口部分306。加熱器300包括適于安置在井中的細(xì)長燃燒器殼體308。燃燒器殼體308的內(nèi)部是延伸到加熱器閉合端304的限流介質(zhì)(Flow Restriction Medium) 310。在這個(gè)示例實(shí)施方式中，限流介質(zhì)310將燃燒器殼體308的內(nèi)部體積分成內(nèi)流通道303和外流通道305， 它們有時(shí)稱作第一殼體區(qū)域和第二殼體區(qū)域。限流介質(zhì)310的至少一部分是由滲透性催化材料形成的，該催化材料利用所選滲透性從而提供內(nèi)流通道到外流通道的受控橫向流。雖然圖3的實(shí)施方式示出圓柱形燃燒器殼體和圓柱形限流介質(zhì)，但這種構(gòu)造是為了說明，并不限于這種結(jié)構(gòu)。在一個(gè)可選實(shí)施方式中，外流通道沿著加熱器延伸，但不包括加熱器閉合端。在另一個(gè)可選實(shí)施方式中，橫向流從外流通道行進(jìn)到內(nèi)流通道。包括燃料和氧化劑的預(yù)混合流體通過井從表面提供到氣體進(jìn)口 /出口部分306 中，并通過內(nèi)流通道303流向加熱器閉合端304，如軸向箭頭302所指示的。預(yù)混合氣體可以是化學(xué)計(jì)量混合物或貧燃料混合物，并可包括稀釋劑從而降低反應(yīng)溫度。稀釋劑可以是回收的煙道氣、從生產(chǎn)井中回收的惰性氣體，或其它無反應(yīng)性氣體如空氣中包含的氮?dú)?。預(yù)混合流體也流過滲透性催化材料310，如徑向箭頭330所指示的，其中它們反應(yīng)形成煙道氣，該煙道氣從加熱器閉合端304流走，如軸向箭頭340所指示的。通過滲透性催化材料310的流量分布受流體特性和壓力以及滲透性催化材料的孔隙率、厚度和面積影響。預(yù)混合流體的反應(yīng)熱對(duì)限流介質(zhì)310、預(yù)混合流體、煙道氣和殼體308進(jìn)行加熱。催化材料中預(yù)混合流體的完全反應(yīng)是期望的，以在整個(gè)催化材料達(dá)到最大溫升。通過催化材料的大的壓降促進(jìn)預(yù)混合流體的軸向分布，該分布應(yīng)當(dāng)均勻以便對(duì)加熱器300均勻地加熱。煙道氣通過外流通道305從限流介質(zhì)310流向氣體進(jìn)口 /出口部分306，并最終通過井并到達(dá)表面。在一個(gè)實(shí)施方式中，通過限流介質(zhì)310的燃料和氧化劑流沿燃燒器長度方向近似恒定。因而，例如但不限制地，除了在燃燒器的末端附近以外，流速沿燃燒器長度方向變化小于5%。在另一個(gè)實(shí)施方式中，該流速變化小于2%。限流介質(zhì)310提供了在內(nèi)流和外流通道之間沿加熱器長度方向獲得期望的受控橫向流態(tài)(profile)的手段。限流介質(zhì)310可以是連續(xù)或不連續(xù)的，其由多孔和無孔片段構(gòu)成，由不同的固體管壁中的多孔面板構(gòu)成，或前述的任何結(jié)合構(gòu)成。在其它實(shí)施方式中， 該多孔面板可由燒結(jié)的金屬熔塊(frit)、陶瓷熔塊，或分離內(nèi)流和外流通道的壁中的小孔制成。在一個(gè)實(shí)施方式中，通過限流介質(zhì)310并沿著燃燒器300的小的流速變化由這樣的限流介質(zhì)提供，該限流介質(zhì)具有近似恒定的滲透性，通過該限流介質(zhì)的壓降大于沿著外流通道305的壓降?？蛇x地，通過限流介質(zhì)310并沿著燃燒器300的小的流速變化由這樣的限流介質(zhì)310提供，該限流介質(zhì)具有隨著沿燃燒器的距離增大的滲透性，使通過限流介質(zhì)的壓降與當(dāng)它沿著外流通道305變化時(shí)的壓力匹配。在又一個(gè)實(shí)施方式中，小的流速通過沿限流介質(zhì)長度方向具有不同面積的均勻滲透性材料提供，從而使得內(nèi)流和外流通道之間的壓降匹配。
在一個(gè)實(shí)施方式中，限流介質(zhì)310的滲透性催化材料部分的直徑為200mm，壁厚為幾毫米(例如，10mm)。殼體308在一個(gè)實(shí)施方式中是直徑近似為300mm的不銹鋼管。滲透性催化材料可以是，例如但不限制地，燒結(jié)不銹鋼或特種合金鋼?？蛇x地，催化材料包括在燒結(jié)氧化鋁上的貴金屬如鈀或鉬。滲透性催化材料的滲透常數(shù)可以是，例如但不限制地， 0. 1 IOmDarcy (毫達(dá)西)。這些值僅是說明性的，選擇用于分布預(yù)混合氣體反應(yīng)的實(shí)際值以便殼體維持近似恒定的溫度。在一個(gè)實(shí)施方式中，預(yù)混合流體包括氣態(tài)化學(xué)計(jì)量的燃料/氧化劑混合物，其含有2wt% CH4和8wt% O2,絕熱溫升為約900°C。在另一個(gè)實(shí)施方式中，預(yù)混合流體是貧燃料，其中CH4流速為0. 02kg/s, O2流速為
0.08kg/s。加入1. Okg/s惰性氣體，進(jìn)一步稀釋這個(gè)混合物，惰性氣體可以是，例如但不限制地，CO2, H2O或隊(duì)。預(yù)混合氣體在低溫(接近室溫)和高壓(近30atm)下提供。煙道氣出口壓力為15 20atm，并且套管維持在約410°C從而將管外部的沸油池維持在近400°C。當(dāng)預(yù)混合流體流過內(nèi)流通道303時(shí)，預(yù)混合流體和煙道氣的逆流布置通過在外流通道305中返回的熱煙道氣對(duì)預(yù)混合流體進(jìn)行加熱，并到達(dá)到不隨燃燒器長度顯著變化的溫度。在一個(gè)實(shí)施方式中，預(yù)混合流體在進(jìn)入加熱器的短距離處被加熱到近400°C的溫度。當(dāng)預(yù)混合流體從加熱器流下時(shí)，流體透入催化材料并經(jīng)歷燃料和氧化劑的催化活化放熱反應(yīng)。該反應(yīng)所釋放的熱量將催化材料升高到沿燃燒器長度方向近似恒定的溫度。 在一個(gè)實(shí)施方式中，催化材料達(dá)到約450°C的溫度。另一個(gè)實(shí)施方式涉及使一部分離開的煙道氣再循環(huán)到進(jìn)口或進(jìn)料側(cè)。在這個(gè)實(shí)施方式中，1. Okg/s的煙道氣通過再循環(huán)噴射式壓縮機(jī)再循環(huán)。該噴射器的動(dòng)力氣體(motive gas)可以是氧化劑或燃料供應(yīng)，如氧氣進(jìn)料或CH4進(jìn)料。在氣體再循環(huán)實(shí)施方式中，催化材料的滲透性應(yīng)當(dāng)較高從而降低總壓降。因而，例如但不局限地，滲透性可以在進(jìn)口處的
1.OmDarcy和朝向燃燒器閉合端的IOOmDarcy之間變化。在一個(gè)實(shí)施方式中，內(nèi)管具有導(dǎo)電性并可以沿長度方向進(jìn)行電加熱，從而提供用于初步升高加熱器溫度使其高到足以使催化表面活化的外部熱源。在一個(gè)實(shí)施方式中，在內(nèi)管入口附近的導(dǎo)燃燒嘴(pilot burner)提供了用于初步升高加熱器溫度使其高到足以使催化表面活化的熱源。催化床加熱器的燃燒器圖4示出另一個(gè)加熱器實(shí)施方式，其為催化床加熱器400。圖4的加熱器實(shí)施方式在適當(dāng)時(shí)可包括上述元件中的一個(gè)或多個(gè)。圖4的加熱器400提供了許多不連續(xù)反應(yīng)區(qū) 450。如下所述，圖4的加熱器400具有近化學(xué)計(jì)量比燃料和氧化劑混合物。氧化劑可以是純氧化劑如純氧，或可以包括無反應(yīng)性稀釋劑。在每個(gè)反應(yīng)區(qū)中，一部分燃料與氧化劑混合和反應(yīng)，產(chǎn)生更稀釋的氧化劑混合物。在最后的反應(yīng)區(qū)，最后的燃料與最后的氧化劑反應(yīng)， 形成煙道氣。在一個(gè)實(shí)施方式中，許多反應(yīng)區(qū)的每個(gè)都由表示為但不限于“蜂窩式催化劑 (Honeycomb Catalyst) ”的催化床455擔(dān)載。蜂窩式催化劑為具有許多平行流道(flow channel)的結(jié)構(gòu)，該流道對(duì)齊從而允許氣體流過該結(jié)構(gòu)。該流道可以是六邊形或具有允許該結(jié)構(gòu)有規(guī)律堆積的其它橫截面積。蜂窩由催化材料形成或涂覆有催化材料。此類催化劑用作例如汽車催化轉(zhuǎn)化器?？蛇x地，催化床455可以由催化團(tuán)粒、球粒或擠出物構(gòu)成。
反應(yīng)區(qū)450位于氧化劑在其中流動(dòng)的區(qū)域內(nèi)。燃料通過終端有噴嘴或注入器454 的單獨(dú)燃料管路452提供給每個(gè)反應(yīng)區(qū)，該噴嘴或注入器4M促使燃料和氧化劑在進(jìn)入相關(guān)催化劑床455之前混合。燃料與氧氣在催化劑內(nèi)反應(yīng)，形成煙道氣和殘留氧氣的混合物。 另外的燃料在下一個(gè)蜂窩催化劑之前提供，并且該過程繼續(xù)進(jìn)行直至最后的蜂窩催化劑， 最后的燃料和氧化劑在最后的蜂窩催化劑中發(fā)生反應(yīng)。如圖4所示，內(nèi)流通道403是為氧化劑流動(dòng)提供的，如軸向箭頭420所示。一個(gè)或多個(gè)燃料管路452沿著燃燒器400在外流通道405或內(nèi)流通道403內(nèi)向下延伸。燃料管路452向加熱器提供燃料，并且終端有一個(gè)或多個(gè)燃料注入器454，其將燃料注入內(nèi)流通道 403的氧化劑中。在一個(gè)實(shí)施方式中，存在具有許多燃料注入器的一個(gè)燃料管路，而在另一個(gè)實(shí)施方式中，存在一束燃料管路，每個(gè)燃料管路終端都有燃料注入器。多個(gè)燃料管路452 可以對(duì)稱或不對(duì)稱地安置在內(nèi)流通道403周圍。圖4實(shí)施方式的流動(dòng)屏障(flow barrier)410沒有滲透性，如圖3中的一樣，并且沒有一直延伸到加熱器閉合端404。另外，許多蜂窩式催化劑455允許燃料和氧化劑流向加熱器閉合端404。就在每個(gè)蜂窩式催化劑之前混合燃料和氧化劑，燃料和氧化劑之間的反應(yīng)發(fā)生在每個(gè)蜂窩式催化劑內(nèi)。煙道氣通過外流通道405從加熱器閉合端404流向氣體進(jìn)口 /出口部分406。在一個(gè)實(shí)施方式中，在燃料注入點(diǎn)附近使用耐火材料從而保護(hù)加熱器不受過熱和腐蝕的損害。因而，在一個(gè)實(shí)施方式中，燃料注入器是陶瓷的。在另一個(gè)實(shí)施方式中，給燃料和氧化劑發(fā)生反應(yīng)或可能發(fā)生反應(yīng)的金屬表面提供陶瓷襯層，如在每個(gè)燃料注入器附近。在多個(gè)實(shí)施方式中，空氣、富氧空氣或純氧氣通過內(nèi)流通道403提供。天然氣或其它燃料通過多個(gè)燃料注入器4 (每個(gè)蜂窩式催化劑一個(gè))提供，其中燃料被計(jì)量、注入，并與內(nèi)流通道403內(nèi)的氣體混合。因而，例如但不限制地，每個(gè)燃料注入噴嘴妨4下游之后是氧化催化劑床455，在其中注入的燃料氣體被氧化劑管路中存在的&完全氧化。當(dāng)氧化劑流過加熱器時(shí)氧化劑濃度減小。在一個(gè)實(shí)施方式中，提供充足的氧化劑從而在最后的蜂窩式催化劑處消耗所有的燃料。這個(gè)實(shí)施方式的催化床可以是標(biāo)準(zhǔn)的“蜂窩”設(shè)計(jì)，如汽車應(yīng)用中使用的那些。此類蜂窩式催化劑以約ι 2m/s的氣體速度操作(以使從大宗氣體(bulk Gas)到流動(dòng)屏障 410的質(zhì)量轉(zhuǎn)移有可能在合理的溝道長度中實(shí)現(xiàn))。純氧氣的使用因而對(duì)將加熱器尺寸最小化有利。為了使混合容易，優(yōu)選緊接在每個(gè)催化劑床455之后安置燃料注入噴嘴454，以便接著的管段提供熱轉(zhuǎn)移和將燃料混合入大宗氣體中。高效混合是期望的，因?yàn)榈蜌怏w速度可能引起混合效率問題，潛在地導(dǎo)致催化劑中產(chǎn)生所謂的熱點(diǎn)。在一個(gè)實(shí)施方式中，催化床包括由多孔陶瓷催化材料擔(dān)載的活性金屬。在另一個(gè)實(shí)施方式中，催化床455是多孔金屬熔塊的內(nèi)表面。在又一個(gè)實(shí)施方式中，催化床455是由多孔金屬熔塊或篩網(wǎng)擔(dān)載的活性金屬。在另一個(gè)實(shí)施方式中，催化床455由擔(dān)載活性金屬的多孔珠、團(tuán)?；驍D出物構(gòu)成。圖5示出由圖4中加熱器實(shí)施方式的具體實(shí)施方式
性能的數(shù)值模擬所得到的溫度分布。圖5的結(jié)果示出20個(gè)反應(yīng)區(qū)中的前10個(gè)，在這些反應(yīng)區(qū)的溫度圖譜在每個(gè)區(qū)中幾乎相同地重復(fù)。在這個(gè)實(shí)施方式中，將0. 8kg/s的純氧氣提供給內(nèi)流通道403，CH4用的20 個(gè)燃料注入器在加熱器長度上相隔30m分布。每個(gè)燃料注入器妨4均裝有O.Olkg/s CH40總加熱器的額定功率因而定為10MW，并且其長度為600m，內(nèi)流通道403的直徑為300mm，殼體直徑為；350讓。內(nèi)管溫度圖譜特點(diǎn)為，每個(gè)蜂窩式催化劑床455之后的峰值為約800°C，接著在到達(dá)下一個(gè)蜂窩式催化劑床455之前該溫度由于傳熱而降低到約530°C的溫度。這種模擬僅包括對(duì)流換熱而忽略了輻射傳熱，因而預(yù)期該模擬將過高地預(yù)測實(shí)際加熱器溫度。煙道氣溫度是470°C的幾乎恒定溫度。作為控制加熱器溫度的系統(tǒng)的一個(gè)實(shí)例，圖4示出具有任選的溫度傳感器 (TS) 460以測量沿著加熱器的套管溫度的實(shí)施方式。如所示，每個(gè)催化劑床455均具有相關(guān)的溫度傳感器460。圖2示意性示出的控制系統(tǒng)適當(dāng)時(shí)可以包括在這個(gè)或其它實(shí)施方式中。每個(gè)傳感器均具有通往控制器200的通信裝置，如電或光纖通信信道，如圖2中所示。 通過改變各個(gè)燃料流速從而升高或降低所測得的溫度，可以控制沿著加熱器400的溫度均勻性。在可選實(shí)施方式中，用高溫燃燒器代替圖4中蜂窩式催化劑床455中的一個(gè)或多個(gè)，形成組合的催化劑床/基于燃燒器的加熱器，或極端地，形成完全基于燃燒器的加熱器。每個(gè)燃燒器均在徑向朝內(nèi)流通道403點(diǎn)火，而沒有對(duì)周圍鋼壁產(chǎn)生火焰沖擊。在一個(gè)實(shí)施方式中，陶瓷襯層提供在內(nèi)流通道403內(nèi)從而保護(hù)那個(gè)表面。在另一個(gè)可選實(shí)施方式中，低-BTU燃料氣體(其包含惰性組分)用作燃料。對(duì)于此種燃料，逆轉(zhuǎn)圖4中加熱器實(shí)施方式的操作可能是有利的，這通過引導(dǎo)燃料沿著中心向下和通過給反應(yīng)區(qū)進(jìn)料的各個(gè)管單獨(dú)地對(duì)氧化劑進(jìn)料來實(shí)現(xiàn)。這種構(gòu)造可能具有這樣的益處，即它可更精確地控制每段中產(chǎn)生的熱量。催化壁加熱器圖6示出另一個(gè)加熱器實(shí)施方式，其為催化壁加熱器600。圖6的加熱器實(shí)施方式在適當(dāng)時(shí)可包括上述元件中的一個(gè)或多個(gè)。如圖4中的實(shí)施方式一樣，流動(dòng)屏障610沒有延伸到加熱器閉合端604。氧化劑通過內(nèi)流通道603提供，其中它流向加熱器閉合端604， 然后通過外流通道605流向氣體進(jìn)口 /出口部分606。一個(gè)或多個(gè)燃料管路652包括多個(gè)燃料注入器654，其將燃料引導(dǎo)到外流通道605中。燃燒器殼體或套管608的內(nèi)表面包括催化劑615。該燃料和氧化劑因而沿加熱器600的長度方向混合并在燃燒器殼體表面上反應(yīng)。如圖所示，多個(gè)注入點(diǎn)肪4可以設(shè)置在內(nèi)管610的圓周周圍。在可選實(shí)施方式中，摻入(spiked)空氣或氧氣的再循環(huán)煙道氣通過內(nèi)流通道603 提供，內(nèi)流通道603用作通往加熱器閉合端604的空氣輸送管。與流入相反，氧化劑然后在外流通道605中反向流動(dòng)。加熱器殼體608包括覆蓋加熱器殼體608內(nèi)表面的催化劑，形成催化壁615。燃料注入器6M是燃料管路652的歧管的一部分，并沿加熱器的長度方向?qū)⑷剂陷斔偷窖趸瘎┲?。燃料注入?54的尺寸和空間是這樣的，以便所有注入的燃料都通過擴(kuò)散和湍流混合在下游管段、在下一個(gè)燃料噴嘴之前轉(zhuǎn)移到催化壁615。催化增強(qiáng)的放熱反應(yīng)發(fā)生在催化劑處，其中混合物在加熱器閉合端附近是富氧的，而在另一端為近化學(xué)計(jì)量比。壁因而沿加熱器長度方向維持在約500°C的溫度下。在可選實(shí)施方式中，催化壁615從外側(cè)管移向內(nèi)側(cè)管從而使較低溫度下的傳熱能夠通過外側(cè)壁。在一個(gè)可選實(shí)施方式中，催化壁在內(nèi)管610的外側(cè)。在第二個(gè)可選實(shí)施方式中，流動(dòng)是反向的，并且催化壁615在內(nèi)管610的內(nèi)側(cè)。在這個(gè)實(shí)施方式中，燃料注入器6M可以安放在內(nèi)壁內(nèi)。在一個(gè)實(shí)施方式中，催化壁615是一系列陶瓷管，該陶瓷管可以是，例如但不限制地，活性氧化鋁或涂覆有活性金屬的氧化鋁。通過在氧化鋁管和鋼管之間的小間隙中合適位置處安裝壓縮柔性墊，可以使該間隙不透氣。壁催化劑的可選設(shè)計(jì)是金屬“墊式 (mat-type) ”催化材料，其可直接固定到鋼表面上。這個(gè)加熱器實(shí)施方式自身適合使煙道氣在加熱器內(nèi)再循環(huán)內(nèi)進(jìn)料管和外環(huán)的低壓降使得標(biāo)準(zhǔn)噴射器可能在煙道氣側(cè)的出口處，以便一部分煙道氣吸入到該進(jìn)料中從而到內(nèi)管中。該噴射器的動(dòng)力氣體是從地表設(shè)施加入的高壓02。這個(gè)實(shí)施方式有這樣的優(yōu)點(diǎn)， 即，提供了僅由(X)2和H2O組成的較小體積的煙道氣。這個(gè)加熱器實(shí)施方式也在較熱煙道氣側(cè)和進(jìn)入的空氣(或摻入&的再循環(huán)氣體) 之間運(yùn)用了另外的逆流式熱交換。加熱器也可以設(shè)計(jì)成這樣的，以便進(jìn)入的氣體流沿著外側(cè)環(huán)下降，并且離開的煙道氣沿著內(nèi)側(cè)環(huán)下降。作為控制加熱器溫度的系統(tǒng)的另一個(gè)實(shí)例，圖6示出具有溫度傳感器(TS)660從而沿著加熱器測量套管溫度的實(shí)施方式。圖2示意性示出的溫度傳感器660和控制系統(tǒng)適當(dāng)時(shí)可以包括在這個(gè)或其它實(shí)施方式中。每個(gè)傳感器均具有通往控制器200的通信裝置， 如電或光纖通信信道，如圖2中所示。通過改變各個(gè)燃料流速從而升高或降低所測得的溫度，可以控制沿著加熱器600的溫度均勻性。本說明書所提到的“ 一個(gè)實(shí)施方式”、“實(shí)施方式”或“某個(gè)實(shí)施方式，，是指結(jié)合該實(shí)施方式描述的特定特征、結(jié)構(gòu)或特性包括在至少一個(gè)實(shí)施方式中。因而，本說明書各個(gè)地方出現(xiàn)的短語“在一個(gè)實(shí)施方式中”、“在實(shí)施方式中”或“在某個(gè)實(shí)施方式中”不必都指同一實(shí)施方式。此外，如本領(lǐng)域技術(shù)人員根據(jù)本公開將明了的，在一個(gè)或多個(gè)實(shí)施方式中，特定特征、結(jié)構(gòu)或特性可以任何合適的方式結(jié)合。因此，本申請技術(shù)在某種程度上特別地針對(duì)示例實(shí)施方式進(jìn)行描述。但是，應(yīng)當(dāng)注意，本申請技術(shù)由根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)解讀的下面權(quán)利要求限定，使得在不偏離本文包含的創(chuàng)造性概念的情況下可以對(duì)示例實(shí)施方式做出修改或改變。
權(quán)利要求
1.一種對(duì)燃料供應(yīng)和氧化劑供應(yīng)可操作的加熱器，所述加熱器包含 細(xì)長殼體，其具有閉合端并包括第一殼體區(qū)域，其適于從所述燃料供應(yīng)和所述氧化劑供應(yīng)接受流體；和第二殼體區(qū)域，其為所述燃料和所述氧化劑反應(yīng)形成的煙道氣提供流出通路；和細(xì)長限流介質(zhì)，其包括介于所述第一殼體和第二殼體區(qū)域之間的催化材料； 其中從所述燃料供應(yīng)和所述氧化劑供應(yīng)接受的流體流入所述第一殼體區(qū)域，沿其長度方向滲透入所述限流介質(zhì)中，并與所述催化材料發(fā)生放熱反應(yīng)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的加熱器，其中所述殼體具有管狀構(gòu)造，并且所述限流介質(zhì)為同心地設(shè)置在所述殼體內(nèi)的管形式。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的加熱器，其中所述限流介質(zhì)具有限定所述第一殼體區(qū)域的內(nèi)部。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的加熱器，其中所述限流介質(zhì)具有限定所述第二殼體區(qū)域的內(nèi)部。
5.根據(jù)權(quán)利要求2所述的加熱器，其中所述流體以受控的和均勻的方式橫向流過所述限流介質(zhì)。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的加熱器，其中所述加熱器可浸入油池中，并且其中供應(yīng)的燃料和氧化劑的流速是這樣的，以便所述放熱反應(yīng)足以加熱內(nèi)表面，以將所述油池維持在 275°C和450°C之間的溫度。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的加熱器，其中所述放熱反應(yīng)足以加熱所述內(nèi)表面，以將所述油池維持在近似350°C的溫度。
8.根據(jù)權(quán)利要求6所述的加熱器，其中所述殼體溫度在加熱器10米長度上的變化小于 10°C。
9.根據(jù)權(quán)利要求6所述的加熱器，其中所述殼體溫度在加熱器10米長度上的變化小于 20°C。
10.根據(jù)權(quán)利要求6所述的加熱器，其中所述殼體溫度在所述加熱器長度上的變化小于 40°C。
11.根據(jù)權(quán)利要求6所述的加熱器，其中所述殼體溫度在所述加熱器長度上的變化小于 100°C。
12.一種對(duì)燃料供應(yīng)和氧化劑供應(yīng)可操作的加熱器，所述加熱器包含 細(xì)長殼體，其具有閉合端并包括第一殼體區(qū)域，其沿所述殼體的長度延伸并適于從所述燃料供應(yīng)和所述氧化劑供應(yīng)之一接受流體；和第二殼體區(qū)域，其為所述燃料和所述氧化劑反應(yīng)形成的煙道氣提供流出通路； 流動(dòng)屏障，其設(shè)置在所述第一殼體區(qū)域和第二殼體區(qū)域之間，以便所述第一殼體區(qū)域和所述第二殼體區(qū)域在所述閉合端處于流體連通狀態(tài)；和多個(gè)催化劑床，其沿所述第一殼體區(qū)域的長度設(shè)置，每個(gè)所述催化劑床均具有相應(yīng)的反應(yīng)區(qū)；和至少一個(gè)導(dǎo)管，其用于從所述燃料供應(yīng)和所述氧化劑供應(yīng)之另一個(gè)接受流體并將它提供給每個(gè)所述反應(yīng)區(qū)；其中從所述燃料供應(yīng)和所述氧化劑供應(yīng)接受的流體在每個(gè)所述反應(yīng)區(qū)中混合并發(fā)生放熱反應(yīng)。
13.根據(jù)權(quán)利要求12所述的加熱器，其中所述殼體具有管狀構(gòu)造，并且所述流動(dòng)屏障為同心地設(shè)置在所述殼體內(nèi)的管形式。
14.根據(jù)權(quán)利要求13所述的加熱器，其中所述流動(dòng)屏障具有限定所述第一殼體區(qū)域的內(nèi)部。
15.根據(jù)權(quán)利要求13所述的加熱器，其中所述流動(dòng)屏障具有限定所述第二殼體區(qū)域的內(nèi)部。
16.根據(jù)權(quán)利要求12所述的加熱器，其中所述加熱器可浸入油池中，并且其中供應(yīng)的燃料和氧化劑的流速是這樣的，以便所述放熱反應(yīng)足以加熱內(nèi)表面，以將所述油池維持在 275°C和450°C之間的溫度。
17.根據(jù)權(quán)利要求16所述的加熱器，其中所述放熱反應(yīng)足以加熱所述內(nèi)表面，以將所述油池維持在近似350°C的溫度。
18.根據(jù)權(quán)利要求16所述的加熱器，其中所述殼體溫度在加熱器10米長度上的變化小于 IO0C0
19.根據(jù)權(quán)利要求12所述的加熱器，其中每個(gè)所述催化床均包含蜂窩式材料。
20.根據(jù)權(quán)利要求12所述的加熱器，其中每個(gè)所述催化床均包含由多孔金屬熔塊擔(dān)載的活性金屬。
21.根據(jù)權(quán)利要求12所述的加熱器，其中每個(gè)所述催化床均包含由多孔陶瓷催化材料擔(dān)載的活性金屬。
22.根據(jù)權(quán)利要求21所述的加熱器，其中所述催化材料為選自團(tuán)粒、球粒和擠出物的形式。
23.根據(jù)權(quán)利要求12所述的加熱器，其中每個(gè)所述反應(yīng)區(qū)均具有連接到所述至少一個(gè)導(dǎo)管的相關(guān)注入噴嘴。
24.根據(jù)權(quán)利要求23所述的加熱器，其中每個(gè)注入噴嘴中的一個(gè)或多個(gè)包括促使所接受流體混合和反應(yīng)的燃燒器噴嘴。
25.根據(jù)權(quán)利要求23所述的加熱器，其中每個(gè)所述注入噴嘴具有這樣的噴嘴尺寸，其被選擇以抵消沿所述第一加熱器區(qū)域的長度的壓降以便向每個(gè)所述反應(yīng)區(qū)提供相等的流速。
26.根據(jù)權(quán)利要求23所述的加熱器，其中在地表控制通過所述至少一個(gè)導(dǎo)管的流動(dòng)， 從而能夠主動(dòng)控制所述注入噴嘴的注入流速。
27.根據(jù)權(quán)利要求23所述的加熱器，其中至少一些煙道氣從所述第二殼體區(qū)域再循環(huán)到所述第一殼體區(qū)域中。
28.根據(jù)權(quán)利要求27所述的加熱器，其中所述煙道氣通過噴射式再循環(huán)壓縮機(jī)再循環(huán)。
29.一種提供用于熱解烴地層的熱量的方法，所述方法包括 將細(xì)長殼體插入所述烴地層中；將氧化劑和燃料注入所述殼體中；使所述氧化劑和所述燃料的至少一個(gè)流過包括催化材料的限流介質(zhì)；和使所述燃料和所述氧化劑與所述催化材料發(fā)生放熱反應(yīng)。
30.根據(jù)權(quán)利要求四所述的方法，其包括使所述氧化劑和所述燃料流過所述限流介質(zhì)。
31.根據(jù)權(quán)利要求四所述的方法，其包括排空來自所述殼體中的所述燃料和所述氧化劑反應(yīng)產(chǎn)生的煙道氣。
32.根據(jù)權(quán)利要求31所述的方法，其包括將所述氧化劑和所述燃料的至少一個(gè)與所述煙道氣一起加熱。
33.根據(jù)權(quán)利要求四所述的方法，其包括使所述氧化劑和所述燃料之一流過多個(gè)催化劑床。
34.根據(jù)權(quán)利要求33所述的方法，其包括在每個(gè)所述催化劑床的附近注入所述氧化劑和所述燃料之另一個(gè)。
35.根據(jù)權(quán)利要求34所述的方法，其包括控制氧化劑和燃料的注入，以將所述殼體周圍的油池維持在275°C和450°C之間的溫度。
全文摘要
提供了有助于從地下礦床采收烴的加熱器實(shí)施方式。在一個(gè)實(shí)施方式中，將加熱器提供到已穿過油頁巖礦床鉆出的井中。向加熱器提供燃料和氧化劑并回收煙道氣。加熱器具有逆流設(shè)計(jì)并提供了沿加熱器長度近似均勻的溫度。加熱器可設(shè)計(jì)用于在不同溫度和深度下操作，從而熱解或以別的方式加熱地下烴礦床，形成容易采收并且無需進(jìn)一步實(shí)質(zhì)處理就可用的產(chǎn)品。描述了多個(gè)逆流加熱器實(shí)施方式，包括這樣的加熱器，其具有沿加熱器長度向下的分布式反應(yīng)區(qū)、分布式燃料催化氧化以及不連續(xù)或連續(xù)的熱生成。加熱器還可以利用來自產(chǎn)品采收或來自加熱器煙道氣的惰性氣體以控制加熱器溫度。
文檔編號(hào)E21B43/24GK102209835SQ200980144490
公開日2011年10月5日 申請日期2009年11月2日 優(yōu)先權(quán)日2008年11月6日
發(fā)明者A·K·伯恩哈姆, H·沃爾曼, J·麥肯納吉, R·L·戴 申請人:美國頁巖油公司