專(zhuān)利名稱(chēng):開(kāi)采石油的方法和設(shè)備的制作方法
本發(fā)明涉及一種開(kāi)采石油的方法，在這種方法中通過(guò)引入一種熱載體來(lái)加熱礦層中的石油。本發(fā)明還涉及一種實(shí)施該方法的設(shè)備。
由于石油礦層的自然條件，通過(guò)所謂的一次及二次采油法平均只能開(kāi)采約35%的原始礦層含量，基于這一原因，又試驗(yàn)一系列所謂的三次采油法，以提高礦層的開(kāi)采量。
以各種化學(xué)和物理的原理為依據(jù)的三次采油法中，至今所采用的將蒸汽噴入礦層的方法是成功的。通過(guò)提高礦層中的溫度使石油的粘度下降，從而改善其向生產(chǎn)油井的輸送。此外，噴射蒸汽有助于維持礦層中的壓力。
制造噴射蒸汽大部分是在小的蒸汽發(fā)生器中進(jìn)行的，蒸汽發(fā)生器盡可能靠近生產(chǎn)井安裝。已加熱了的蒸汽的絕熱分配導(dǎo)管盡可能短，以減少投資和熱損失。蒸汽在生產(chǎn)井中以專(zhuān)用的噴射導(dǎo)管送入礦層。噴射導(dǎo)管根據(jù)使用要求進(jìn)行裝備，費(fèi)用是很高的。例如通過(guò)采用合適的套管、帶有相應(yīng)的絕熱連接件的絕熱蒸汽輸入管和通過(guò)疏干在蒸汽輸送管和套管之間構(gòu)成的環(huán)形腔，以盡量減少已加熱的蒸汽向石油礦層進(jìn)一步的傳送過(guò)程中的熱損失。
在這種已知的蒸汽噴射裝置中，其缺點(diǎn)在于不僅在蒸汽發(fā)生器和油井之間的支線上出現(xiàn)熱損失，而且在噴射管道中也有熱損失，并隨著礦層的深度迅速增大。從蒸汽噴射管散出的熱量對(duì)礦井覆蓋層產(chǎn)生的負(fù)荷也是十分不利的。為了控制由此而產(chǎn)生的機(jī)械負(fù)荷，要求采用昂貴的措施，例如在套管中制造預(yù)應(yīng)力。因此，以蒸汽噴射管裝備鉆井筒比用簡(jiǎn)單的采油管裝備鉆井筒貴得多。
以蒸汽噴射作為三次采油法帶來(lái)的問(wèn)題，在開(kāi)采海底石油礦層時(shí)也存在，在為此而建立的海上鉆探平臺(tái)結(jié)構(gòu)上，由于平臺(tái)上地方狹窄無(wú)法安裝蒸汽發(fā)生器。一個(gè)特制的帶有相應(yīng)的平臺(tái)和向礦層中輸入蒸汽的絕熱支管的蒸汽發(fā)生器支架費(fèi)用十分昂貴。
本發(fā)明的任務(wù)在于提供一種開(kāi)采石油的方法，在這種方法中，進(jìn)一步避免了在傳送加熱石油所用的熱載體時(shí)的熱損失，同時(shí)簡(jiǎn)化將熱載體送往礦層的噴射導(dǎo)管和卸去其載荷。
在本文一開(kāi)始所描述的方法中，是通過(guò)引入一種熱載體來(lái)加熱礦層中石油的措施來(lái)實(shí)現(xiàn)上述目的的。熱載體的加熱，是在通向礦層的內(nèi)部或入口區(qū)通過(guò)催化，使一種可以甲烷化的合成氣體甲烷化來(lái)實(shí)現(xiàn)的。這樣就允許在采油管道中將冷的合成氣體傳送至礦層，并且只有在那里才通過(guò)引導(dǎo)合成氣通過(guò)催化劑，在合成氣甲烷化的情況下產(chǎn)生熱量。所產(chǎn)生的反應(yīng)熱傳給熱載體，由此使熱載體就在礦層前或礦層中提高到三次采油所必需的溫度。因此，在傳輸途徑中的冷凝過(guò)程沒(méi)有降低進(jìn)入礦層的蒸汽質(zhì)量。敷設(shè)冷導(dǎo)管不僅是對(duì)于合成氣、而且也是對(duì)于熱載體與絕熱導(dǎo)管相比，這些導(dǎo)管不僅結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，而且易于敷設(shè)或改變其位置。合成氣發(fā)生器的位置不受石油礦層位置的限制，這尤其對(duì)處于海底、并必須通過(guò)海上鉆探平臺(tái)支撐結(jié)構(gòu)開(kāi)采的礦層是特別有利的。
合成氣的甲烷化又將其用于能量回收，在德國(guó)專(zhuān)利DE-PS 1298233中已有說(shuō)明。通過(guò)蒸汽變換產(chǎn)生合成氣，合成氣在能量消耗器中甲烷化。這時(shí)產(chǎn)生的氣體產(chǎn)物被送回，并重新轉(zhuǎn)換為合成氣。這種方法在技術(shù)上已經(jīng)過(guò)檢驗(yàn)，參考1984年、1985年3月在尤里希，R·哈斯等人所寫(xiě)的“核研究設(shè)備的報(bào)告EVAⅡ/ADAMⅡ試驗(yàn)設(shè)備的結(jié)構(gòu)和工作原理”以及H·哈姆等在1980年化學(xué)工程技術(shù)第6期504頁(yè)上發(fā)表的“在能量傳輸過(guò)程中沼氣化富-氧化碳?xì)怏w”。
(vgl.R.Harth et al，“Die Versuchsanlage EVA II/ADAM II，Beschreibung von Aufbau und Funktion”，Bericht der kernforschungsanlage Jülich，Jül-1984，Maerz 1985，sowie H.Harms et al，“Methanisierung kohlenmonoxidreicher Gase beim Energietransport”，Chem.-Ing.-Techn.52，1980，Nr.6，S.504 ff.)本發(fā)明的其它結(jié)構(gòu)為，將在甲烷化時(shí)產(chǎn)生的氣體產(chǎn)物從礦層中抽出、并借助于蒸汽變換重新轉(zhuǎn)換為合成氣。封閉的循環(huán)管路應(yīng)設(shè)計(jì)為在甲烷化反應(yīng)器中合成氣甲烷化之后在輸入熱量的條件下，通過(guò)分解氣體產(chǎn)物重新制造合成氣。
以水蒸汽作為熱載體是有優(yōu)越性的，按照本發(fā)明的方法，水蒸汽以普通的方式在壓力下進(jìn)入礦層以加熱石油。為防止在礦層中形成冷凝水，可以不用水蒸汽而導(dǎo)入惰性氣體，或也可在水中添加惰性氣體作為熱載體。如本發(fā)明的方法所述。
下面敘述一種實(shí)施本發(fā)明方法的設(shè)備。該設(shè)備具有一個(gè)熱載體加熱器，熱載體通過(guò)管道可送入石油礦層中去，該設(shè)備配備有一個(gè)甲烷化反應(yīng)器，用于催化地使一種可甲烷化的合成氣甲烷化。甲烷化反應(yīng)器設(shè)置在礦層的內(nèi)部或入口區(qū)域中。甲烷化反應(yīng)器用于加熱熱載體。為了盡可能繼續(xù)利用在甲烷化時(shí)產(chǎn)生的熱量，在甲烷化反應(yīng)器前最好裝設(shè)預(yù)熱器和冷凝器。排出的氣體產(chǎn)物和流入的合成氣之間的熱交換在預(yù)熱器中進(jìn)行。在冷凝器中，當(dāng)氣體產(chǎn)物冷卻至氣體產(chǎn)物中所含水蒸汽的冷凝溫度、或低于其冷凝溫度時(shí)，合成氣和熱載體均被預(yù)熱。
為了導(dǎo)出在甲烷化反應(yīng)器中形成的氣體產(chǎn)物，最好將甲烷化反應(yīng)器和蒸汽變換裝置相連，在變換時(shí)形成的合成氣從蒸汽變換裝置流回甲烷化反應(yīng)器。燒煤、燒油或燒氣的能量發(fā)生器及太陽(yáng)能裝置，都可適用于在蒸汽變換前加熱氣體產(chǎn)物，最好是采用高溫核反應(yīng)堆。
下面借助實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)一步加以描述。附圖為圖1 借助安裝于地下的甲烷化裝置就地制造水蒸汽的原理圖。
圖2 按圖1所示的甲烷化裝置的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖。
圖2a沿催化器全長(zhǎng)溫度的定性變化曲線。
圖3 安裝于地下的甲烷化裝置和制造合成氣的蒸汽變換設(shè)備布局圖。
圖4 油田所需管道網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)簡(jiǎn)圖。
在圖1中示出了一種安裝在地下的用套管加固了的鉆井1中的甲烷化裝置2。該甲烷化裝置位于鉆井1的末端，鉆井穿過(guò)表土層3通向石油礦層4。甲烷化裝置直接裝在緊挨礦層4上，用套管加固了的鉆井1孔口的入口區(qū)5中。合成氣導(dǎo)管6及熱載體輸入導(dǎo)管7通向甲烷化裝置2。合成氣及熱載體于冷態(tài)(約為室溫)在兩根導(dǎo)管中流向甲烷化裝置2。作為反應(yīng)產(chǎn)物的合成氣主要含CO和H2，該合成氣在甲烷化裝置2中被催化為甲烷并轉(zhuǎn)化為氣體產(chǎn)物(甲烷和水蒸汽)。該反應(yīng)所產(chǎn)生的熱量用于加熱載體，該熱載體流過(guò)甲烷化裝置2并從熱載體出口8進(jìn)入礦層4以加熱石油。
在甲烷化過(guò)程所產(chǎn)生的氣體產(chǎn)物從甲烷化反應(yīng)器2排出。此外，當(dāng)氣體產(chǎn)物與流入的合成氣體進(jìn)行熱交換而被冷卻到冷凝溫度、或低于冷凝溫度時(shí)，因熱量回收產(chǎn)生的冷凝物應(yīng)排出。因此，氣體產(chǎn)物導(dǎo)管9和冷凝物導(dǎo)管10從甲烷化反應(yīng)器2穿過(guò)鉆井1通向上方。地下的甲烷化裝置2的原理結(jié)構(gòu)示于圖2。甲烷化裝置由甲烷化反應(yīng)器11、預(yù)熱器12和冷凝器13構(gòu)成。其中甲烷化反應(yīng)器11位于鉆井1的最下方。為了使合成氣甲烷化，甲烷化反應(yīng)器設(shè)有一個(gè)充滿催化劑的催化室14。合成氣從合成氣進(jìn)口15穿過(guò)催化室流到設(shè)置于甲烷化反應(yīng)器11底部的氣體收集室16。通過(guò)中間隔板17將氣體收集室16與催化室14分開(kāi)，該中間隔板允許甲烷化時(shí)所形成的氣體產(chǎn)物通過(guò)。氣體產(chǎn)物的輸出導(dǎo)管18從氣體收集室16通向甲烷化裝置2的預(yù)熱器12。預(yù)熱器12設(shè)置于鉆井1中甲烷化反應(yīng)器11上方。
熱載體通過(guò)熱載體輸入導(dǎo)管7通向甲烷化裝置并在甲烷化反應(yīng)器11中被加熱。在本實(shí)施例中它從甲烷化反應(yīng)器上的熱載體入口19首先通向中間隔板17，然后從那里在熱交換導(dǎo)管21中，逆著甲烷化反應(yīng)器11中合成氣的流動(dòng)方向向上流動(dòng)。熱載體在甲烷化反應(yīng)器中被加熱，并在流過(guò)甲烷化反應(yīng)器的最熱區(qū)域之后在中間導(dǎo)管22中流向熱載體出口8，在那里以已知的方式通入礦層4。熱載體加熱礦層，使石油的溫度升高以提高礦層的開(kāi)采量。
熱載體加熱后，在氣體產(chǎn)物中的余熱用于預(yù)熱流入甲烷化反應(yīng)器11中的合成氣及預(yù)熱載體。這里的預(yù)熱器12和冷凝器13就是為此目的設(shè)置的。預(yù)熱器12就裝在甲烷化反應(yīng)器11前。在引入輸出導(dǎo)管18的預(yù)熱器12的熱交換器部分23，氣體產(chǎn)物因?yàn)閷崃炕旧蟼鬟f給了合成氣而被冷卻。然后氣體產(chǎn)物通過(guò)上升導(dǎo)管24進(jìn)入冷凝器13，并在冷凝器的冷凝室25中繼續(xù)被冷卻至冷凝溫度，在該溫度下分離出冷凝物并釋放出冷凝熱。冷凝物被收集在冷凝池26中，并從這里通過(guò)冷凝物導(dǎo)管10從甲烷化裝置2中泵出。在分離出冷凝物后留下的干燥氣體產(chǎn)物通過(guò)產(chǎn)品導(dǎo)管9從冷凝室25中抽出。
合成氣和熱載體在各自的管道系統(tǒng)中流過(guò)冷凝器13和預(yù)熱室12。在冷凝器13中，合成氣在導(dǎo)管27中流動(dòng)，而熱載體在導(dǎo)管28中流動(dòng)，兩根導(dǎo)管均被在冷凝室25中的氣體產(chǎn)物所包圍，從而將氣體產(chǎn)物的熱量傳遞給合成氣和熱載體。對(duì)于熱載體，連接導(dǎo)管29連接于導(dǎo)管28上，該連接導(dǎo)管穿過(guò)預(yù)熱器通向甲烷化反應(yīng)器11的熱載體進(jìn)口19。在本實(shí)施例中將導(dǎo)管27與流通導(dǎo)管29相連使合成氣繼續(xù)流通，流通導(dǎo)管一般通入預(yù)熱室30。合成氣流過(guò)預(yù)熱室以加熱熱交換器部分23。為了在初始階段也能預(yù)熱合成氣，在預(yù)熱室30中設(shè)有電起動(dòng)加熱器31，它在起動(dòng)階段接通，將合成氣加熱至反應(yīng)溫度。當(dāng)甲烷化過(guò)程開(kāi)始后，有熱氣體產(chǎn)物提供使用時(shí)，關(guān)閉起動(dòng)加熱器。
在本實(shí)施例中，合成氣約以20℃的溫度及30至40巴的壓力流入甲烷化裝置。在冷凝器和預(yù)熱器中合成氣被加熱至250-300℃之間的反應(yīng)溫度。在本實(shí)施例中以水蒸汽作為加熱石油的熱載體，水蒸汽約以320℃的溫度和150巴的壓力通入礦層。在本實(shí)施例中礦層約位于地下1500米深處。
甲烷化反應(yīng)器11中合成氣方面和熱載體方面的溫定性變化曲線示于圖2a中。從圖中可看出，合成氣的溫度Ts開(kāi)始迅速升高，并達(dá)到了最大值(局部過(guò)熱區(qū))，然后由于向熱載體供熱，Ts沿合成氣流動(dòng)方向又逐漸下降。將催化室14中的溫度控制為使催化劑不超過(guò)預(yù)定的最高工作溫度。至今為止所已知的甲烷化催化劑工作時(shí)不允許加熱到超過(guò)約700℃的溫度。
在本實(shí)施例中作為熱載體的供水以20℃供入熱載體導(dǎo)管7，而且在1500米深的礦層區(qū)中有150巴的壓力。供水在冷凝器13和管段20中首先被加熱到約200℃，然后在甲烷化反應(yīng)器11中以與合成氣流動(dòng)方向相反的方向流動(dòng)，并在圖2a所示溫度TwA的下一個(gè)階段進(jìn)一步被加熱到汽化溫度TwS。然后在甲烷化反應(yīng)器汽化區(qū)中形成的水蒸汽在過(guò)熱區(qū)過(guò)熱(溫度變化為T(mén)wü)，并接著以約320℃的溫度在150巴的壓力下通入礦層。
通過(guò)排氣導(dǎo)管18離開(kāi)甲烷化反應(yīng)器11的氣體產(chǎn)物主要含有甲烷、水蒸汽、有時(shí)還有未轉(zhuǎn)化的合成氣部分。氣體產(chǎn)物還具有300～320℃之間的溫度。它首先在預(yù)熱器12中，然后在冷凝器13中被冷卻。在冷凝器13中大約冷卻到40℃，即冷卻到低于一同流動(dòng)的水蒸汽冷凝溫度。在前述的條件下每小時(shí)要制備7噸的水蒸汽，約需要12000Nm3的合成氣。完成這一任務(wù)要求甲烷化反應(yīng)器的催化室25具有約430毫米的直徑和約8米的高度。
在圖3中給出了設(shè)備總示意圖，氣體產(chǎn)物在該設(shè)備中循環(huán)，并借助于蒸汽的變換重新制造合成氣。氣體產(chǎn)物從甲烷化裝置2通過(guò)氣體產(chǎn)物導(dǎo)管9送入蒸汽變換裝置32。氣體產(chǎn)物在進(jìn)入蒸汽變換裝置之前，在熱交換器33中與由變換裝置32排出的合成氣進(jìn)行熱交換而被預(yù)熱。以一定量的水蒸汽供入氣體產(chǎn)物。水蒸汽通過(guò)帶有調(diào)節(jié)閥35的水蒸汽導(dǎo)管34流入氣體產(chǎn)物導(dǎo)管9。
為了從摻有水蒸汽的氣體產(chǎn)物中制造合成氣，要求向蒸汽變換裝置中供入熱量。在本實(shí)施例中由一個(gè)高溫核反應(yīng)堆36供給變換所需的熱量，反應(yīng)堆的冷卻氣體通過(guò)蒸汽變換裝置。應(yīng)用氦氣作為冷卻氣體，氦氣從高溫核反應(yīng)堆36經(jīng)冷卻氣循環(huán)管路37以約950℃的溫度進(jìn)入蒸汽變換裝置32。冷卻氣流過(guò)蒸汽變換裝置之后的余熱，用來(lái)在蒸汽發(fā)生器38中制造送入氣體產(chǎn)物中的水蒸汽。水蒸汽導(dǎo)管34與蒸汽發(fā)生器38的出口相連接。在循環(huán)管路中的冷卻氣體由鼓風(fēng)機(jī)輸送，并以300℃的溫度重新進(jìn)入高溫核反應(yīng)堆36。
在本實(shí)施例中，在蒸汽變換后所得到的合成氣所攜帶的熱量不僅僅用于預(yù)熱換熱器33中的氣體產(chǎn)物。它的余熱還進(jìn)一步排入熱交換器38中并可以用來(lái)例如發(fā)電和給水凈化。合成氣在這里從約600℃冷卻至200℃，在能回收低溫?zé)崃康臈l件下則可冷卻到室溫。
壓力機(jī)40保證了合成氣和氣體產(chǎn)物在甲烷化裝置2和蒸汽變換裝置32之間的氣體循環(huán)。合成氣/氣體產(chǎn)物的循環(huán)流動(dòng)要求30至40巴的壓力。在本實(shí)施例甲烷化裝置的冷凝器13中所含有的冷凝水用于制備蒸汽變換所需要的蒸汽。冷凝物導(dǎo)管10連接于水泵41的低壓側(cè)，水泵將冷凝水從甲烷化裝置抽出，并送至水蒸汽發(fā)生器34。在圖3所示的本實(shí)施例中，由供水泵43在地面將給水經(jīng)水管42供至鉆井架。
只要所有在導(dǎo)管中輸送的介質(zhì)具有室溫，則對(duì)合成氣導(dǎo)管6、氣體產(chǎn)物導(dǎo)管9、冷凝物導(dǎo)管10和水管42的長(zhǎng)度沒(méi)有限制。因此導(dǎo)管也可以不要隔熱。
在圖4中示意給出了敷設(shè)在蒸汽變換裝置32和鉆井架之間的管道系統(tǒng)。在圖4中以實(shí)線表示的傳輸路徑45，代表原則上鋪設(shè)于地面上的通向每一個(gè)鉆井井口專(zhuān)用設(shè)備44的管道，以虛線表示的傳輸路徑46代表回輸管道。
由于能量載體可以遠(yuǎn)距離傳送，所以使用地下的甲烷化裝置用于三次采油有很大的優(yōu)點(diǎn)。在產(chǎn)生合成氣的設(shè)備和要開(kāi)采的礦層之間能量傳輸很遠(yuǎn)的區(qū)段，甚至超過(guò)100公里或更遠(yuǎn)，從技術(shù)的方面看可以毫無(wú)困難地連接起來(lái)。不必考慮熱損失而可敷設(shè)的導(dǎo)管特別對(duì)于開(kāi)采海底下的礦層很有利。如果一個(gè)甲烷化反應(yīng)器產(chǎn)生的蒸汽還不夠的話，也可以在一個(gè)鉆井中裝設(shè)多個(gè)甲烷化反應(yīng)器。
權(quán)利要求
1.開(kāi)采石油的方法，在這種方法中通過(guò)引入一種熱載體加熱礦層中的石油，其特征為在通向礦層的入口區(qū)域內(nèi)部通過(guò)催化地使一種可甲烷化的合成氣甲烷化將熱載體加熱。
2.按照權(quán)利要求
1所述的方法，其特征為在甲烷化時(shí)所產(chǎn)生的氣體產(chǎn)物從礦層中排出、被加熱并借助蒸汽變換又轉(zhuǎn)化為合成氣。
3.按照權(quán)利要求
1或2所述的方法，其特征為以水蒸汽作為熱載體。
4.按照權(quán)利要求
1或2所述的方法，其特征為以一種惰性氣體作為熱載體。
5.實(shí)施權(quán)利要求
1至4之一所述方法的設(shè)備，它具有一個(gè)熱載體加熱器，熱載體可以通過(guò)導(dǎo)管傳送到油層中以加熱石油，其特征為用以催化地使一種可甲烷化的合成氣甲烷化的甲烷化反應(yīng)器(11)作為加熱器，反應(yīng)器設(shè)置在礦層(4)的里面或入口區(qū)(5)中。
6.按照權(quán)利要求
5所述的設(shè)備，其特征為為了在流入甲烷化反應(yīng)器的合成氣和排出的氣體產(chǎn)物之間進(jìn)行熱交換，在甲烷化反應(yīng)器(11)之前裝有一個(gè)預(yù)熱器(12)。
7.按照權(quán)利要求
5或6所述的設(shè)備，其特征為在甲烷化反應(yīng)器(11)前設(shè)有一個(gè)冷凝器(13)，在該冷凝器中，氣體產(chǎn)物與流向甲烷化反應(yīng)器的合成氣進(jìn)行熱交換，并與流入熱載體進(jìn)行熱交換，使其被冷卻到氣體產(chǎn)物中所含水蒸汽的冷凝溫度或低于該冷凝溫度。
8.按照權(quán)利要求
5、6或7所述的設(shè)備，其特征為為導(dǎo)出在甲烷化時(shí)產(chǎn)生的氣體產(chǎn)物，甲烷化反應(yīng)器(11)與一個(gè)蒸汽變換裝置(32)相連，在變換時(shí)形成的合成氣流往甲烷化反應(yīng)器(11)。
9.按照權(quán)利要求
5至8之一所述的設(shè)備，其特征為高溫核反應(yīng)堆(36)的冷卻氣體用于加熱蒸汽變換裝置(32)中的氣體產(chǎn)物。
專(zhuān)利摘要
一種三次采油法，其中，熱載體通過(guò)非絕緣導(dǎo)管(7)在地下傳導(dǎo)，并且在注入油層(4)之前，先在一個(gè)裝置(2)中加熱，該裝置設(shè)置在油層內(nèi)或緊靠其上。在該裝置中依靠由合成氣催化地生成的甲烷來(lái)對(duì)該熱載體進(jìn)行加熱。
文檔編號(hào)E21B43/16GK87102797SQ87102797
公開(kāi)日1987年10月28日 申請(qǐng)日期1987年4月17日
發(fā)明者沃納·弗羅林, 曼弗雷德·庫(kù)格勒, 庫(kù)爾特·庫(kù)格勒, 彼得·W·弗利彭 申請(qǐng)人:于利奇核子研究設(shè)備公司導(dǎo)出引文BiBTeX, EndNote, RefMan