处理含烃地层的方法 本申请要求在 2008 年 4 月 18 日申请的美国临时申请 61/046166 的优先权， 该申 请在此全文引入作为参考。
技术领域
本发明涉及处理含烃地层的方法。背景技术 由地下地层得到的烃通常用作能源、 原料和消费品。对可获得的烃资源枯竭的担 心导致开发了更有效的采收、 处理和 / 或利用可获得的烃资源的方法。
可以按多种方法处理烃地层以产生地层流体。例如， 对烃地层应用热、 气体和 / 或 液体以移动和 / 或产生地层流体， 这种方法已经用于更有效地从烃地层中采收烃。含重烃 的烃地层 ( 例如焦油砂或油页岩地层 ) 可以应用热处理方法加热， 以更有效地从含重烃的 地层采收烃。这种方法包括原位热处理系统、 燃烧断面和驱动方法。通常应用的烃采收驱 动方法包括循环蒸汽注入、 蒸汽辅助重力排油 (SAGD)、 溶剂注入、 蒸气溶剂和 SAGD、 以及二 氧化碳注入， 但不局限于此。
在烃采收驱动方法中已经应用加热器在烃地层中产生高渗透性区域 ( 或注入区 域 )。 可以应用加热器在烃地层中产生移动区域或生产网络， 以使流体在驱动过程中流过地 层。例如， 加热器可以用于 ： 在注入井和生产井之间产生用于驱动方法的排油通道 ； 预热烃 地层以使流体在地层中移动， 从而使流体和 / 或气体可以被注入到地层中 ； 为烃地层内用 于驱动方法的流体和 / 或气体提供热。通常， 相对于驱动方法输入的热量， 由所述加热器提 供的热量很小。
已经应用化石燃料的燃烧来加热地层， 例如， 在地层中直接注入热的化石燃料燃 烧气体 ； 在地层中 ( 例如在燃烧断面中 ) 燃烧化石燃料 ； 从热的化石燃料燃烧气体热传递 给其它传热介质如蒸汽 ； 或应用位于烃地层中的加热器。燃烧化石燃料加热地层可以在地 层中、 井内和 / 或地面附近实施。 燃烧化石燃料将产生二氧化碳 ( 一种不希望的温室气体 ) 作为燃烧副产物。
原位加热烃地层的选定部分已经用于定向加热部分烃地层。Wellington 等人的 US 7,066,257 描述了一种原位处理地层的方法， 所述方法包括用一个或多个热源以及一个 或多个蒸汽注入循环来加热烃地层的选定部分。 通过地层中的一个或多个生产井可以由地 层产出可能包含热解流体的蒸气混合物。 所述热源可以包括以甲烷、 乙烷、 氢气或合成气为 燃料的自然分布的燃烧器。产自地层的流体可能包含硫化氢。产自地层的硫化氢可以用于 生产例如硫酸、 肥料和 / 或元素硫。
希望有一种在不产生大量二氧化碳的情况下有效的、 成本有效的处理烃地层以更 有效地从烃地层中采收烃的方法。
发明内容 本发明涉及一种处理烃地层的方法， 包括由井孔中的多个位置向至少一部分烃地 层提供蒸汽， 其中蒸汽的温度比所述部分含烃地层更热 ； 和通过在井孔中燃烧至少一部分 包含燃料和氧化剂的混合物和将燃烧产生的热传递给蒸汽而在井孔中加热蒸汽， 其中所述 燃料包含硫化氢， 和其中蒸汽被加热从而在井孔中第一位置处提供给部分含烃地层的蒸汽 比在井孔中第二位置处提供的蒸汽更热， 和其中沿井孔长度第一位置比第二位置离地层表 面更远。
附图说明 另外， 对本领域技术人员来说， 借助于如下对优选实施方案的详细描述并参考所 附附图， 本发明的优点将会变得很明显， 其中 ：
图 1 描述了蒸汽驱动方法的示意图。
图 2 描述了处理产自烃地层的地层流体的实施方案的示意图。
图 3 描述了位于垂直井孔内的以硫化氢为燃料的无焰分布燃烧器的实施方案的 一部分的剖面图。
图 4 描述了具有两个燃料通道的以硫化氢为燃料的无焰分布燃烧器的实施方案 的一部分的剖面图。
图 5 描述了具有三个燃料通道的以硫化氢为燃料的无焰分布燃烧器的实施方案 的一部分的剖面图。
图 6 描述了位于垂直井孔中的具有点火源的以硫化氢为燃料的无焰分布燃烧器 的实施方案的一部分的剖面图。
图 7 描述了位于水平井孔中的以硫化氢为燃料的烧嘴的实施方案的一部分的剖 面图。
图 8 描述了应用以硫化氢为燃料的加热器从含烃地层中生产烃的实施方案的示 意图。
图 9 描述了传统蒸汽注入方法的热通量曲线的示意图。
图 10A 和 10B 描述了应用以硫化氢为燃料的加热器加热蒸汽的实施方案的热通量 曲线的示意图。
图 11 描述了与水平蒸汽注入井组合应用垂直的以硫化氢为燃料的加热器生产烃 的实施方案的示意图。
虽然本发明容许各种修改和替代形式， 但是其具体的实施方案通过图中的实施例 的方式给出。附图可能不是按比例的。但应该理解这些图及其详细描述并不用于将本发明 限定于所公开的特定形式， 相反， 本发明将覆盖在由所附权利要求定义的本发明实质和范 围内的所有的修改、 等价物和替代物。
具体实施方式
本发明涉及向烃地层提供地下热的方法， 其中所述热通过如下方式产生 ： 1) 由井 孔中的多个 ( 至少两个 ) 位置向部分烃地层提供蒸汽 ； 和 2) 通过燃烧包含硫化氢的燃料 和氧化剂的混合物而在井孔中加热蒸汽。 蒸汽比向部分烃地层提供蒸汽的各位置处的部分烃地层更热， 从而热从蒸汽传递给烃地层以使地层流体移动从而可以被采收。将通过燃烧 包含硫化氢的燃料和氧化剂的混合物产生的热传递给蒸汽以加热蒸汽， 其中蒸汽被加热从 而在第一位置处提供给烃地层的蒸汽比在第二位置处提供给烃地层的蒸汽更热， 其中沿井 孔第一位置比第二位置离地层表面更远。 这能够沿井孔整个长度向烃地层提供能量有效的 持续加热曲线 ； 补偿在地层表面注入井孔的蒸汽在穿过井孔长度时冷却引起的热损失。另 外， 因为燃料物流是硫基的， 燃料物流的硫化物组分燃烧时避免了二氧化碳的产生， 因此相 对于应用主要包含烃的燃料物流的方法而言， 降低了加热方法的总二氧化碳产量。
通过燃烧过程氧化硫化氢产生硫酸的方法可以产生类似于甲烷燃烧的热值。例 如应用 Stull 等人在 “The Chemical Thermodynamics of Organic Compounds” ， Kreiger Publishing Company， Malabar Florida， 1987， 第 220、 229、 230、 233 和 234 页 中 的 数 据， 可以计算甲烷和硫化氢燃烧的反应热焓。甲烷燃烧产生副产物二氧化碳， 按如下反应式表 示：
CH4+2O2 → CO2+2H2O(ΔHrxn ＝ -191.2kcal/mol 600° K).
与之相对比， 硫化氢氧化 ( 燃烧 ) 形成硫酸具有按如下反应式表示的计算反应热焓 ：
H2S+2O2 → H2SO4(ΔHrxn ＝ -185.4kcal/mol 600° K).
在水中混合硫酸由于硫酸在水中的溶解热而产生更多的热， 由下式表示 ：
H2SO4+H2O → 50wt％ H2SO4(ΔHdil ＝ -14.2kcal/mol 298° K).
取决于产生硫酸所应用的水量， 硫化氢燃烧和硫酸溶解产生的热量的总量可以 为 -185kcal/mol 至 -206kcal/mol。因此， 按照本发明方法， 硫化氢代替甲烷作燃料燃烧为 烃地层提供热， 提供的热量可与甲烷燃烧相当， 但是不产生二氧化碳。另外， 在本发明方法 中应用含硫化氢的燃料提供了一种处理来自其它过程 ( 例如酸气和 / 或加氢处理流出物物 流 ) 的废硫化氢的方法， 但是不产生元素硫。
这里所应用的术语定义如下 ：
“API 比重” 指在 15.5℃ (60 ℉ ) 下的 API 比重。API 比重由 ASTM 方法 D6822 或 ASTM 方法 D1298 测定。
“ASTM” 指美国标准测试和材料 (American Standard Testing and Materials)。
“地层” 包括一层或多层含烃层、 一层或多层非烃层、 上覆地层和 / 或下伏地层。 “烃 层” 指在地层中含有烃的层。烃层可以含有非烃材料和烃材料。 “上覆地层” 和/或 “下伏 地层” 包含一种或多种不同类型的烃不可渗透材料。在一些情况中， 上覆地层和 / 或下伏地 层可能对烃材料略微可渗透。
“地层流体” 指在地层中存在的流体， 和可以包含高温裂解流体、 合成气、 流动烃和 水 ( 蒸汽 )。地层流体可以包括烃流体和非烃流体。术语 “流动流体” 指含烃地层中因地层 处理而能够流动的流体。 “产生的流体” 指从地层中脱除的流体。
“加热器” 为在井中或井孔区域附近产生热的任何系统或热源。加热器可以为电加 热器、 烧嘴、 与地层中的材料或由地层中产生的材料发生反应的燃烧器和 / 或它们的组合， 但不局限于此。 “无焰分布燃烧器” 指基本无焰的加热器， 其中氧化剂物流和燃料物流在等 于或高于混合物的自动点火温度下在加热器的至少一部分分布长度上一起混合。
“重烃” 为粘稠的烃流体。重烃可以包括非常粘稠的烃流体如重油、 焦油和 / 或沥 青。重烃可以包含碳和氢以及较低浓度的含硫、 氧和氮的化合物。在重烃中也可能存在附加的元素 ( 例如镍、 铁、 钒或它们的混合物 )。重烃可以按 API 比重分类。重烃的 API 比重 通常低于约 20。例如， 重油的 API 比重通常为约 10-20， 而焦油的 API 比重通常低于约 10。 重烃的粘度在 15℃下通常为至少 100 厘泊。重烃可以包含芳烃或其它复杂环状烃。
“烃” 一般定义为主要由碳和氢原子形成的分子。这里所应用的烃还可以包括金属 元素和 / 或其它包含但不局限于卤素、 氮、 氧和 / 或硫的化合物。含有硫的烃化合物被称为 “有机硫化合物” 。烃可以为油母质、 沥青、 焦沥青、 油、 天然矿物蜡和沥青质， 但不局限于此。 烃可以位于地下的矿物基质内或附近。基质可以包括但不限于沉积岩、 砂岩、 沉积石英岩、 碳酸盐、 硅藻土和其它多孔介质。 “烃流体” 指包含烃的流体。烃流体可以包含、 夹带非烃流 体或被夹带于非烃流体中， 如氢、 氮、 一氧化碳、 二氧化碳、 硫化氢、 硫氧化物、 羰基硫、 氮氧 化物、 水、 氨或它们的混合物。
“氧化剂” 指适于支持燃烧的化合物。氧化剂的例子包括空气、 氧、 和 / 或富氧空 气。 “富氧空气” 指空气中氧的摩尔分率大于常压下空气中氧的摩尔分率。空气通常被富集 以增加空气支持燃烧的能力。
“SAGD” 指蒸汽辅助的重力排油。
“焦油” 是一种在 15℃下粘度通常大于约 10,000 厘泊的粘稠烃。焦油的比重通常 大于 1.000。焦油的 API 比重可能小于 10。 “焦油砂地层” 指其中烃主要以夹带在矿物颗粒结构或其它宿主岩石 ( 如砂或碳 酸盐 ) 中的重烃和 / 或焦油形式存在的地层。焦油砂地层的例子包括阿萨巴斯卡地层、 Grosmont 地层和皮斯河地层， 以上三者均在加拿大的阿尔伯达省 ； 和委内瑞拉奥里诺科河 带中的 Faja 地层。
“水” 指水的液相和气相。例如水、 水蒸汽和过热蒸汽。
在本发明的方法中， 通过一个或多个井孔向烃地层提供蒸汽。由井孔中的多个位 置向至少一部分含烃地层提供蒸汽， 其中所述多个位置包括至少两个位置。在本发明方法 的一个实施方案中， 蒸汽可以在第一位置处提供给第一部分烃地层， 和可以在第二位置处 提供给第二部分烃地层。 提供给烃地层的蒸汽的温度比向其中提供蒸汽的部分烃地层的温 度更高。
在本发明的方法中， 通过在井孔中燃烧至少一部分包含硫化氢的燃料和氧化剂的 混合物和将燃烧产生的热传递给蒸汽而在井孔中加热蒸汽。 蒸汽被加热从而在井孔中第一 位置处提供给部分含烃地层的蒸汽比在井孔中第二位置处提供给部分烃地层的蒸汽更热， 其中沿井孔长度第一位置离地层表面与井孔的交叉处比第二位置更远。 在沿井孔离烃地层 表面更远的位置处加热烃地层所使用的蒸汽与沿井孔长度离烃地层表面更近的位置处加 热烃地层所用的蒸汽同样热或更热， 这使得 ： 1) 沿井孔整个长度由蒸汽向烃地层基本均匀 供热 ； 或 2) 沿井孔长度在离烃地层表面较远位置处蒸汽向烃地层提供的热比沿井孔长度 离烃地层表面较近位置处更多， 从而允许将更多的热选择性地提供给沿井孔离地层表面较 远的部分烃地层。
在本发明中， 包含硫化氢的燃料物流和氧化剂的混合物在位于井孔中的一个或多 个加热器中燃烧， 其中在所述井孔中将蒸汽提供给烃地层。在井孔中的多个 ( 至少两个 ) 位置处将燃烧产生的热传递给蒸汽， 从而加热的蒸汽可以向部分烃地层传递热。燃料物流 燃烧产生包含一种或多种硫氧化物的燃烧副产物物流。 燃烧副产物物流可以在烃地层中与
水接触， 以释放溶解热进入烃地层， 从而进一步加热烃地层。 与燃烧副产物物流接触的水可 以为烃地层中的水、 燃料物流与氧化剂燃烧产生的水或通过向烃地层提供蒸汽而由一个或 多个井孔提供给至少一部分烃地层的水。
在本发明方法的一个实施方案中， 可以结合驱动方法应用本方法处理烃地层。所 述驱动方法包括蒸汽注入方法如循环蒸汽注入、 SAGD、 溶剂注入、 蒸气溶剂和 SAGD 方法、 或 二氧化碳注入， 但不局限于此。 本发明的方法可用于预热用于驱动方法的烃地层， 或者用于 在驱动方法期间或之后提供热。
图 1 描述了其中可以应用本发明方法的蒸汽驱动方法的示意图。蒸汽 100 进入注 入井 102。蒸汽 100 可以在 100-500℃、 优选 150-300℃的温度和 1-15MPa 的压力下注入。 注入井 102 可以包括开口 104， 以允许蒸汽 100 流入和 / 或压入烃层 106。蒸汽 100 为烃层 106 中的地层流体提供热。 加热地层流体可以移动地层流体， 从而促进地层流体向位于注入 井 102 下方的生产井 108 排放。地层流体 110 产自生产井 108， 和被输送至一个或多个处理 设施。
加热器可以位于注入井 102 内， 按照本发明的方法， 可以在注入井中利用氧化剂 燃烧包含硫化氢的燃料物流， 为烃地层进一步提供热从而进一步移动地层流体 110。 包含硫 氧化物的燃烧副产物可以在烃地层中与来自注入井的蒸汽混合， 通过释放硫氧化物与蒸汽 接触时所形成的溶解热进入烃地层中来为烃地层进一步提供热。 在本发明的方法中， 提供给加热器的包含硫化氢的燃料物流可以产自含烃地层。 图 2 描述了处理产自烃地层的地层流体的示意图。所产生的地层流体 110 进入流体分离单 元 112， 和被分离为液体物流 114、 气体物流 116 和含水物流 118。所产生的地层流体 110 可 以得自主要为气体贮层的烃地层， 或者得自主要为液体烃贮层的烃地层。液体物流 114 可 以被输送至其它处理单元和 / 或贮存单元。气体物流 116 可以包含烃、 羰基硫、 硫化氢、 硫 氧化物、 有机硫化合物、 氢气、 二氧化碳或它们的混合物， 但不局限于此。气体物流 116 可以 进入气体分离单元 120， 以从气体物流 116 中分离出至少一部分气体烃物流 122、 至少一部 分硫化氢物流 124、 至少一部分二氧化碳物流 126、 至少一部分二氧化硫物流 128 和至少一 部分氢气物流 130。
一个或多个来自不同来源的含硫化氢的物流 ( 包括来自烃地层的气体物流 116) 可以组合并被送至气体分离单元， 以产生在本发明方法中应用的包含硫化氢的燃料物流。 例如， 来自气体贮层、 液体烃贮层和 / 或地面设施的物流可以组合作为气体分离单元的进 料物流， 从该物流中可以分离出富含硫化氢的气体。所得的硫化氢物流 124 可以贮存， 和/ 或与产自其它气体分离单元和 / 或其它处理设施的一个或多个硫化氢物流组合， 以形成在 本发明方法中应用的包含硫化氢的燃料物流。
用于形成在本发明方法中应用的包含硫化氢的燃料物流的气体分离单元 120 可 以包括物理处理系统和 / 或化学处理系统。物理处理系统包括膜单元、 变压吸附单元、 液 体吸收单元和 / 或低温单元， 但不局限于此。化学处理系统可以包括在处理工艺中应用 胺 ( 如二乙醇胺或二异丙醇胺 )、 氧化锌、 环丁砜、 水或它们的混合物的单元。在一些实施 方案中， 气体分离单元 120 应用 Sulfinol 气体处理工艺脱除硫化合物。二氧化碳可以应 用 Catacarb (Catacarb， Overland Park， Kansas， U.S.A.) 和 / 或 Benfield(UOP， Des
Plaines， Illinois， U.S.A.) 气体处理工艺进行脱除。气体分离单元可以为精馏吸附和高压蒸馏单元。
在本发明方法中应用的包含硫化氢的燃料物流可以包含 1-100vol％、 3-90vol％、 10-80vol ％、 或 20-70vol ％、 或 30-60vol ％、 或 40-50vol ％ 的 硫 化 氢， 或者可以包含至 少 10vol ％、 或至少 20vol ％、 或至少 30vol ％、 或至少 40vol ％、 或至少 50vol ％、 或至少 60vol％、 或至少 70vol％的硫化氢。物流中的硫化氢含量可以应用 ASTM 方法 D2420 测量。 包含硫化氢的燃料物流可以包含烃 ( 例如甲烷和乙烷 )、 氢气、 二氧化碳或它们的混合物。 在一些实施方案中， 燃料可以包含有机硫化合物。有机硫化合物的实例包括但不限于甲基 硫醇、 噻吩、 噻吩化合物、 二硫化碳、 羰基硫或它们的混合物。应用包含硫化氢和 / 或有机硫 化合物的燃料可以允许针对燃料中每摩尔原子硫节省 0.3-1 摩尔甲烷。在本发明方法的一 个实施方案中， 由烃地层产生的地层流体包括硫化氢物流 124 以及气体物流 116、 氢气物流 130 和 / 或气体烃物流 122， 它们可以用作包含硫化氢的燃料物流。
可以干燥包含硫化氢的燃料物流以脱除水分， 从而提高燃料物流的可燃性。 例如， 通过使硫化氢物流与乙二醇接触而脱除水可以使包含硫化氢的燃料物流干燥。
在本发明的方法中， 包含硫化氢的燃料物流利用其发生燃烧的氧化剂是含氧气体 或液体。氧化剂优选选自压缩空气、 富氧空气或氧气。在本发明的方法中， 可以通过传统空 气压缩方法压缩空气而提供压缩空气作为氧化剂， 例如， 使空气流过透平压缩机可以压缩 空气。 富氧空气可以含有比空气多 0.5-15vol％的氧气， 可以通过压缩空气并使压缩后的空 气流过能降低空气中氮含量的膜而产生。 通常传统的空气分离技术可以提供氧气作为氧化 剂。 在一些实施方案中， 在燃烧的过程中控制硫化氢与氧化剂的比。通过选择相对于 待燃烧的混合物中所存在的氧化剂量的硫化氢量 ( 以硫原子与氧原子的比为基准， 或者按 化学计量基准 )， 并调节硫化氢量为选定量， 可以控制燃烧中硫化氢的量和所产生的燃烧副 产物 ( 例如二氧化硫和 / 或三氧化硫 ) 的组成。可以控制包含硫化氢的燃料物流的量， 和 / 或可以控制氧化剂物流的量， 从而产生用于燃烧的选定比的硫化氢与氧化剂， 进而产生优 选的燃烧副产物物流组成。
可以以一定的方式控制在本发明方法中混合用于燃烧的包含硫化氢的燃料物流 量和氧化剂物流量， 使得混合物燃烧产生的燃烧副产物物流中主要为三氧化硫。为了产生 富含三氧化硫的燃烧副产物物流， 可以控制燃烧混合物中硫化氢与氧化剂的比， 从而相对 于燃料物流的硫化氢含量而言， 过量的氧化剂与包含硫化氢的燃料物流一起燃烧。燃烧贫 硫化氢的混合物产生多于二氧化硫的三氧化硫作为燃烧副产物。 三氧化硫可以在烃地层中 与水反应形成硫酸。 三氧化硫可以很容易转化为硫酸， 因此可以产生溶解热， 且与所燃烧的 硫化氢量相对于氧化剂的量为化学计量量或不足量时相比更迅速地传递给烃地层。
替代地， 可以以一定的方式控制在本发明方法中在燃烧混合物中提供的包含硫化 氢的燃料物流量和氧化剂量， 使得燃烧产生的燃烧副产物物流中主要为二氧化硫。为了产 生富二氧化硫的燃烧副产物物流， 可以控制硫化氢与氧化剂的比， 从而相对于燃料物流的 硫化氢含量使不足量的氧化剂存在于燃烧混合物中。 相对于氧化剂应用过量的硫化氢将产 生富含二氧化硫且还含有硫化氢的燃烧副产物物流， 和允许硫化氢和 / 或二氧化硫被引入 含烃地层的层内。一部分硫化氢和 / 或二氧化硫可以与至少一部分地层流体接触并溶剂化 和 / 或溶解地层流体中的部分重烃。溶剂化和 / 或溶解至少部分重烃可以促进重烃向生产
井中移动。另外， 向地层流体中引入至少部分包含二氧化硫的燃烧副产物物流可以增加地 层中施加给烃流体的剪切速率， 并降低地层内非牛顿烃流体的粘度。因此向地层中引入富 含二氧化硫的燃烧副产物物流可以增加一部分开采用地层， 并可以增加地层能量输出 ( 产 自地层的产品的能量含量 ) 与地层能量输入 ( 处理地层的能量消耗 ) 之间的比。
在另一个替代方案中， 可以控制在本发明方法中在燃烧混合物中提供的包含硫化 氢的燃料物流量和氧化剂量， 以提供化学计量等价量的硫化氢和氧化剂。燃烧化学计量量 的硫化氢和氧可以按如下反应主要产生二氧化硫和水作为燃烧副产物 ：
H2S+1.5O2 → SO2+H2O(ΔHrxn ＝ -124kcal/mol 600° K).
除了燃烧硫化氢得到的热值外， 向烃地层引入加热后的二氧化硫 / 水燃烧副产物 物流可以促进从地层中采收烃。来自二氧化硫的热可以将热传递给地层中的流体， 和加热 后的流体可以流向生产井。 另外， 正如上文所讨论的， 燃烧副产物物流中的二氧化硫可以降 低烃地层中烃地层流体的粘度， 和因而增加了可从地层中采收的烃量。二氧化硫的溶解热 虽然少于硫酸的溶解热， 但也可以传递给烃地层中的地层流体， 从而使地层流体移动。
包含硫化氢的燃料物流与氧化剂物流的混合物的燃烧可以在位于一个或多个井 孔中每一个内的一个或多个加热器中实施， 其中通过所述井孔向烃地层提供蒸汽。加热器 可以为无焰分布燃烧器、 烧嘴或这两者的组合。
在一个优选的实施方案中， 每一个加热器均为无焰分布燃烧器， 在其中包含硫化 氢的燃料物流与氧化剂物流的混合物无焰燃烧。在无焰分布燃烧器中， 在加热器中以一定 速度提供氧化剂物流， 充分提高所述速度以防止氧化剂和燃料物流的混合物在加热器中燃 烧时形成固定的扩散火焰， 从而确保沿无焰分布燃烧器的长度有控制地释放热。
在操作无焰分布燃烧器的加热器以燃烧包含硫化氢的燃料物流和氧化剂物流时， 将燃料物流与氧化剂混合， 其中将所述燃料物流和氧化剂的混合物加热至等于或高于混合 物的自动点火温度， 通常为 250-800℃， 或 300-750℃， 或 400-700℃ ( 其中纯硫化氢燃料物 流的自动点火温度为 260℃ )。在加热器中混合氧化剂物流和包含硫化氢的燃料物流之前， 氧化剂物流、 燃料物流或者这两者可以被预热至足以使混合物在混合时达到等于或高于混 合物自动点火温度的温度。氧化剂物流和 / 或包含硫化氢的燃料物流可以通过与热源如蒸 汽或过热蒸汽换热来预热。 作为替代， 可以将包含硫化氢的燃料物流和氧化剂物流混合， 并 用点火设备 ( 如火花塞或热线点火塞 ) 点火， 所述点火设备促进混合物的温度提升至等于 或高于混合物的自动点火温度。
加热器也可以是产生火焰的烧嘴。在操作烧嘴时， 向烧嘴提供用于燃烧的包含硫 化氢的燃料物流和氧化剂物流。燃料物流和氧化剂物流可以在烧嘴中混合， 或者在提供给 烧嘴之前混合。 通过将燃料物流和氧化剂物流的混合物的温度提升至等于或高于混合物的 自动点火温度 ( 例如通过用点火设备如火花塞或热线点火塞将混合物点火 ) 而使混合物燃 烧。以一定的速度为烧嘴提供氧化剂物流和包含硫化氢的燃料物流， 从而烧嘴可以产生稳 定的火焰。烧嘴可以包括在烧嘴火焰附近的火焰稳定罩， 以在点火后帮助稳定火焰。
如上所述， 在本发明的方法中， 通过一个或多个井孔向至少一部分含烃地层提供 蒸汽， 其中在所述井孔中包含硫化氢的燃料物流和氧化剂物流发生燃烧。提供给一个或多 个井孔的蒸汽可以为蒸汽或过热蒸汽形式。
提供给井孔的至少一部分蒸汽可以在地下被包含硫化氢的燃料物流与氧化剂物流燃烧产生的热所加热。 包含硫化氢的燃料物流与氧化剂物流燃烧所产生的热可以在井孔 中一个或多个位置处与井孔中的一个或多个部分的蒸汽热交换。 一个或多个加热部分的蒸 汽可以在井孔中一个或多个位置处与一个或多个部分的烃地层热交换， 从而热可以在一个 或多个位置处从加热部分的蒸汽传递给烃地层， 为烃地层中的至少一部分地层流体移动提 供驱动力。加热部分的蒸汽可以沿井孔长度与烃地层热交换， 和加热部分的蒸汽可以沿井 孔长度在一个或多个位置处和 / 或在井孔的终端处注入烃地层。
包含硫化氢的燃料物流与氧化剂物流的燃烧可以在注入井的井孔中地下进行， 从 而为地下加热蒸汽供热。 通过在注入井井孔的地下部分内燃烧包含硫化氢的燃料物流和氧 化剂物流的混合物和将燃烧产生的热传递给井孔中的蒸汽可以在地下加热蒸汽。 由于在地 下产生较高的蒸汽温度， 地下燃烧产生的热可以强化至烃地层的热传递， 从而与常规蒸汽 驱动方法相比， 可以扩大热传递区域或 “影响区域” (ROI)。例如， 应用硫化氢的地下加热可 以产生温度为约 500-2000℃的燃烧产物物流， 从而加热蒸汽， 而蒸汽加热部分烃层。 与之相 对比， 常规的蒸汽注入方法可以产生温度为约 290℃的蒸汽来加热烃层， 其中随着离蒸汽注 入点的距离增大， 蒸汽的温度沿井孔长度降低。
提供给注入井的地下加热蒸汽可以抑制沿注入井长度的水冷凝。 在注入井中抑制 水冷凝可以强化加热， 和允许更加均匀地加热烃层。地下加热蒸汽可以减少需要注入以加 热烃层的蒸汽量， 例如， 通过减少蒸汽过早冷凝的量来实现。在一些实施方案中， 由于更有 效地利用了蒸汽， 减少了水再循环设施。地下加热蒸汽可以减少或取消在井位置处作为能 源而需要的烃气体， 从而使更多的烃气体销售用于商业能源和 / 或居民能源。 在燃烧产生的热传递给蒸汽的下游， 加热部分的蒸汽可以用于维持包含硫化氢的 燃料物流与氧化剂物流的混合物在井孔中的燃烧。 通过将燃烧产生的热传递给蒸汽而将蒸 汽加热至等于或高于燃料物流和氧化剂物流的混合物的自动点火温度。 在燃烧产生的热传 递给蒸汽的下游， 可以引导加热的蒸汽流入井孔中 ( 井口的下游 )， 和可以将热从加热的蒸 汽传递给包含硫化氢的燃料物流和氧化剂物流的混合物， 其中由加热的蒸汽传递给燃料物 流和氧化剂物流的下游混合物的热足以将混合物加热至等于或高于混合物的自动点火温 度， 从而使混合物燃烧为井孔中的蒸汽提供进一步的热。
井孔中的蒸汽或流出井孔进入烃地层的蒸汽可以通过与至少一部分燃烧副产物 物流接触而被加热。燃烧副产物物流可以将燃烧产生的热直接传递给至少一部分蒸汽， 和 燃烧副产物物流在与蒸汽或水混合时可以产生溶解热， 特别是当燃烧副产物物流含有大量 的三氧化硫时， 因为三氧化硫在与蒸汽 / 水混合时可以转化为硫酸。燃烧副产物物流加热 的蒸汽 / 水可以将热传递给一部分烃地层， 为至少一部分地层流体的移动提供驱动力。
来自地面设施的燃烧副产物可以被引入提供给井孔的蒸汽中。 加热器的热可以为 来自地面设施的燃烧副产物提供热， 从而有利于驱动所述燃烧副产物进入烃地层。提供给 井孔的蒸汽可以用来自地面设施的燃烧副产物初始加热。 提供给一个或多个井孔的蒸汽也 可以包含二氧化碳、 二氧化硫、 来自地面设施的燃烧副产物或它们的混合物。具体地， 通过 在井孔中注入二氧化碳可以在烃地层中隔离二氧化碳， 在井孔中包含硫化氢的燃料物流与 氧化剂物流的燃烧产生的热为注入的二氧化碳提供热， 从而有利于驱动二氧化碳进入烃地 层。
通过反应热、 溶剂化热、 传导热或对流热可以将热传递至引入地层中的流体、 至地
层流体和 / 或至一部分含烃地层。引入到地层中的流体和 / 或燃烧副产物可以将热传递给 至少一部分含烃地层和 / 或地层流体。
当不可冷凝的不混溶气体如氮气与地层流体和 / 或含烃地层接触时可能发生对 流热传递。当氧化剂物流由压缩空气或富氧空气形成时， 燃烧副产物物流可能包含氮气。 当过热的混溶性溶剂蒸汽 ( 如硫化氢、 二氧化碳和 / 或二氧化硫蒸气 ) 与地层流体和 / 或 含烃地层接触时， 也可能发生对流热传递。当过热的不混溶性溶剂蒸汽如水与地层流体和 / 或含烃地层接触时， 也可能发生对流热传递。
当热的液体蒸汽凝液与地层流体和 / 或含烃地层接触时， 可能发生传导热传递。 当热的液体混溶性溶剂 ( 如硫化氢、 二氧化碳和 / 或二氧化硫 ) 与地层流体和 / 或含烃地 层接触时， 可能发生传导热传递。
当一种化合物与另一种化合物反应时， 可能发生反应热的热传递。 例如， 硫氧化物 在含烃地层中和 / 或井孔外部与液体水形成溶液， 产生反应热。当氧与烃或硫化合物反应 形成碳氧化物或硫氧化物时， 也会产生反应热。
当至少一种组分在溶剂中溶解时， 可以产生溶解热。 例如， 当硫酸在水中溶解时会 产生热。 可以在井孔的第一部分如第一通道中提供蒸汽， 而包含硫化氢的燃料物流与氧化 剂物流的混合物的燃烧可以在井孔的第二部分如位于第二通道中的加热器中实施。井孔 的第二部分可以与井孔的第一部分热交换， 从而燃料物流与氧化剂物流燃烧产生的热可以 从井孔的第二部分传递给井孔的第一部分中流动的水 / 蒸汽。井孔的第一部分可以与一部 分烃地层热交换， 从而来自加热的水 / 蒸汽的热可以从热的水 / 蒸汽传递给与井孔的第一 部分热交换的部分烃地层。井孔的第一部分可以沿井孔长度与烃地层热交换。井孔的第一 部分也可以与烃地层中位于井孔终端的烃地层热交换， 在此处可以将水 / 蒸汽注入烃地层 中。
在一些实施方案中， 加热器位于井孔的内部部分。井孔的外部部分可以允许加入 包含水 ( 如驱动流体或溶剂 ) 的物流， 和 / 或在所述物流引入到含烃地层时加热所述物流。 加热器可以位于与外部通道耦合的内部通道内。两个通道均可以放置于井孔中。所述通道 可以并排设置。应该理解的是可以按设想和希望应用任何数量和 / 或预想构造的管道。
可以将燃料提供给一个或多个燃料管道， 其中至少一个管道提供一部分包含硫化 氢的燃料， 和至少一个管道提供其它燃料。可以将燃料提供给至少一个加热器中的一个或 多个燃料管道， 从而至少一部分燃料被引入到至少一个加热器的上游部分， 和至少一部分 燃料物流被引入到至少一个加热器的下游部分。 可以将燃料提供给至少一个加热器中的一 个或多个燃料管道， 其中至少一个管道是可以调节的， 从而至少一部分燃料被输送至加热 器的第一部分， 和然后输送至第一部分下游的加热器的第二部分。
流体 ( 如含水物流 ) 流过井孔的外部部分和进入含烃地层可以移动或驱动地层流 体到达生产井。 流体可以与地层流体接触并与部分地层流体混合、 溶剂化部分地层流体和 / 或溶解一部分烃。流体与地层流体的接触可以降低地层流体的粘度， 并促进地层流体向一 个或多个生产井移动。
在井孔内部部分的加热器中产生的热可以加热流过井孔外部部分的至少一部分 流体。 通过使加热器产生的燃烧副产物与流过井孔外部部分的流体接触或反应也可以产生
热。燃烧副产物可以移动或驱动外部管道中的流体进入含烃地层。在一些实施方案中， 燃 烧产生包含二氧化硫的燃烧副产物。 含烃地层中的至少一部分地层流体可以与所产生的二 氧化硫混合以形成混合物。
在一些实施方案中， 向流过外部部分的至少一部分流体传递热可以维持沿加热器 长度的加热器部分的氧化和热。 维持沿加热器部分的热可以在所有操作条件下增强加热器 在氧化温度下的稳定性。
图 3 至图 7 为用于地下加热的以硫化氢为燃料的加热器 130 的实施方案。图 3 至 图 6 描述了以硫化氢为燃料的无焰分布燃烧器的剖面图。图 7 描述了以硫化氢为燃料的烧 嘴的剖面图。
图 3 描述了位于垂直井孔 102 中的以硫化氢为燃料的无焰分布燃烧器 150 的部分 剖面图。 包含硫化氢的燃料物流 152( 例如图 2 所示的气体物流 116 和 / 或硫化氢物流 124， 任选包括二氧化硫物流 128、 氢气物流 130 和 / 或气体烃物流 122) 进入中心燃料管 154。 氧 化剂物流 156( 例如空气、 富氧空气、 氧气或它们的混合物 ) 进入燃烧管道 158。 在一些实施 方案中， 水 162 的热加热燃料物流 152、 氧化剂物流 156 和 / 或燃料 / 氧化剂的混合物至等 于或高于引起燃料物流混合物燃烧所必须的自动点火温度。在一些实施方案中， 在进入燃 料管道和 / 或燃烧管道之前， 将燃料物流 152 和 / 或氧化剂物流 156 加热至等于或高于混 合物的自动点火温度。氧化剂物流 156 与燃料物流 152 混合， 和燃料 / 氧化剂混合物在等 于或高于混合物的自动点火温度下反应 ( 燃烧 )。 中心燃料管 154 位于燃烧管道 158 的内部， 和可以延伸无焰分布燃烧器 150 的长 度。中心燃料管 154 包括沿中心燃料管长度的开孔 160。开孔 160 可以为临界流开孔。开 孔 160 允许加热后的燃料与加热后的氧化剂混合， 从而使混合物反应 ( 无焰燃烧 ) 以产生 热。在一些实施方案中， 确定开孔 160 的形状以使燃料与氧化剂的动量比范围为 10-100、 30-80 或 50-70， 其中动量等于燃料或氧化剂的密度乘以燃料或氧化剂的速度的平方。在一 些实施方案中， 通过开孔 160 的燃料与氧化剂的压力比范围为 1.5-2。
燃烧管道 158 的下游部分的燃烧可以将热传递给外部管道 164 中的水 162。在一 些实施方案中， 将水加热以形成蒸汽和 / 或过热蒸汽。外部管道 164 可以为注入井 102 的 内壁与燃烧管道 158 的外壁之间形成的空间。外部管道 164 可以包括允许水和 / 或热进入 与注入井相邻的烃层的开孔 104。 在一些实施方案中， 外部管道 164 是包围燃烧管道 158 的 管道， 并与无焰分布燃烧器 150 相耦合或为无焰分布燃烧器 150 的整合部分。耦合外部管 道 164 与无焰分布燃烧器 150 可以有利于将无焰分布燃烧器插入现存的注入井中。
在一些实施方案中， 在燃烧管道 158 中燃料燃烧产生燃烧副产物物流。燃烧副产 物物流可以加热水 162。燃烧副产物物流可以从开孔 104 流出， 和驱动、 加热含烃地层中的 地层流体和 / 或降低其粘度。在一部分地层中在距井 102 一定距离处水与燃烧副产物物流 接触可以产生热， 和加热至少一部分地层， 以使流体移动。
在一些实施方案中， 中心燃料管 154 的一个或多个部分是可以调节的。调节中心 燃料管 154 的能力允许为燃烧管道 158 的选定部分提供燃料。 例如， 在无焰分布燃烧器的上 游部分处放置中心燃料管 154 可能促进在所需时刻在井上游部分的燃烧过程。一旦燃烧发 生， 燃料管道可以沿注入井的长度向前行进 ( 或者可以沿注入井的长度打开选定的阀门 )， 从而为井中放置的其它燃烧器提供燃料。在一些实施方案中， 可以调节开孔 160， 以使燃料
流入燃烧管道 158。例如， 开孔 160 可以与按需要打开或关闭所述开孔的计算机系统相连。
图 4 描述了具有内部燃料管道 166 和外部燃料管道 168 的中心燃料管 154。内部 燃料管道 166 可以与外部燃料管道 168 耦合和 / 或可拆除地耦合。内部燃料管道 166 可以 贴合外部燃料管道 168 的内侧， 从而在两个管道间形成一个空间。在一些实施方案中， 两个 管道是同轴的。在一些实施方案中， 所述管道是分开且平行的。
硫化氢物流 124 进入内部燃料管道 166， 并通过开孔 170 流入外部燃料管道 168。 在一些实施方案中， 硫化氢通过内部燃料管道 166 的下游部分的开孔 ( 例如燃料管道的终 端是打开的 ) 输送至外部燃料管道 168。燃料物流 152 进入外部燃料管道 168。在一些实 施方案中， 一部分内部燃料管道 166 相对于外部燃料管道 168 可调节， 从而允许为维修目的 拆除任何一个管道和 / 或将硫化氢和 / 或燃料选定地输送给无焰分布燃烧器的选定部分。 硫化氢作为单独物流输送可以允许控制提供给燃烧管道 158 的燃料物流中的硫化氢量。在 一些实施方案中， 外部管道 168 为硫化氢管道， 和燃料通过内部管道 166 输送给地层。
图 5 描述了具有一个以上燃料管道的无焰分布燃烧器 150。如图所示， 燃料管相 互分开且平行。在一些实施方案中， 所述管道是同轴的。燃料管道 154、 154′、 154″包括 沿燃料管道以不同间隔设置的开孔 160、 160′、 160″。设置开孔 160、 160′、 160″可以使 燃料在选定时间段输送至无焰分布燃烧器 150 的选定部分。例如， 燃料物流 152 可以通过 开孔 160 输送至燃烧管道 158 的上游部分。在燃烧管道 158 的上游部分燃料 152 的燃烧可 以为外部管道 164 的上游部分的蒸汽 162 提供热。燃料物流 152′通过开孔 160′进入燃 烧管道 158 的中部， 与氧化剂混合， 和然后反应而为外部管道 164 中部的蒸汽提供热。燃料 物流 152″通过燃料管道 154″中的开孔 160″输送， 和随后在燃烧管道 158 的下游部分燃 烧， 从而为外部管道 164 下游部分的蒸汽提供热。 在一些实施方案中， 燃料物流 152、 152′、 152″含有不同量的硫化氢。在一些实施方案中， 燃料物流 152、 152′、 152″含有相同量的 硫化氢。应该理解的是可以改变燃料管道的数量和 / 或开孔在燃料管道中的位置。在一些 实施方案中， 调节开孔 160、 160′和 160″ ( 打开和 / 或关闭 )， 以控制流入燃烧管道 158 的 燃料和 / 或硫化氢的流量。
图 6 描述了具有点火设备 172 的无焰分布燃烧器 150 的剖面图。点火设备 172 可 以在燃烧管道 158 中提升燃料 / 氧化剂混合物的温度至燃烧温度。例如， 一旦在点火设备 172 附近将燃料 / 氧化剂混合物点火， 火焰的热则将燃料 / 氧化剂混合物加热至燃料 / 氧化 剂混合物的自动点火温度， 从而有利于燃料与氧化剂反应以产生无焰燃烧和热。
图 7 描述了以硫化氢为燃料的烧嘴 174 的剖面图。烧嘴 174 可以包含燃料管道 176、 燃烧管道 158 和外部管道 164。点火设备 172 可以位于燃烧管道 158 的底部。燃料物 流 152( 例如图 2 中的气体物流 116、 硫化氢物流 124、 二氧化硫物流 128、 氢气物流 130 和 / 或气体烃物流 122， ( 甲烷、 天然气、 酸性气或它们的混合物 )) 进入中心燃料管 176。氧化 剂物流 156( 例如空气、 富氧空气或它们的混合物 ) 进入燃烧管道 158。 在一些实施方案中， 烧嘴 174 可以包括一个以上的燃料管道。例如， 一个管道用于硫化氢和一个管道用于化石 燃料。在一些实施方案中， 燃料管道 176 为燃烧管道 158 而燃烧管道为燃料管道 176。
在一些实施方案中， 在进入燃料管道和 / 或燃烧管道之前， 燃料物流 152 和 / 或 氧化剂物流 156 被加热。在一些实施方案中， 水 162 加热燃料物流 152 和 / 或氧化剂物流 156。燃料物流 152 和氧化剂物流 156 在燃烧管道 158 中混合。点火设备 172 提供火花使燃料 / 氧化剂混合物燃烧以产生火焰。
在一些实施方案中， 烧嘴包括一个或多个喷嘴 178。 通过使至少一部分燃料和至少 一部分氧化剂流过喷嘴 178 可以使燃料与氧化剂混合。喷嘴 178 可以强化燃烧管道 158 和 / 或外部管道 164 中的混合。喷嘴 178 的几何构造 ( 例如收缩 - 扩散区的尺寸、 长度、 直径 和 / 或扩张角 ) 可以依据着火速率、 燃料物流组成和 / 或氧化剂物流组成进行调节。喷嘴 扩张角可以沿流动方向为 1-10 度、 2-9 度或 3-8 度。在一些实施方案中， 可以确定喷嘴 178 的形状以允许形成同心流动或反向同心流动 ( 混合物涡流 )。 喷嘴涡流角可以为 10-40 度、 15-35 度或 20-30 度。在一些实施方案中， 喷嘴涡流角为 30 度。在一些实施方案中， 烧嘴 174 不包括喷嘴 178。
在一些实施方案中， 燃料管道 176 的下游部分可以成锥形。 锥形角可以为 5-30 度、 10-25 度或 15-20 度。
燃料 / 氧化剂混合物在烧嘴 174 的燃烧管道 158 中燃烧可以将热传递给外部管道 164 中的水 162。在一些实施方案中， 加热水以形成蒸汽和 / 或过热蒸汽。外部管道 164 可 以为注入井 102 内壁和燃烧管道 158 外壁之间形成的空间。外部管道 164 可以包括允许水 和 / 或热进入与注入井相邻的烃层的开孔 104。 在一些实施方案中， 外部管道 164 为包围燃 烧管道 158 的管道， 并与烧嘴 174 耦合或为烧嘴 174 的整合部分。耦合外部管道 164 与烧 嘴 174 可以有利于将烧嘴插入现存的注入井中。在一些实施方案中， 外部管道为燃料管道 而水通过内部管道输送。
在一些实施方案中， 燃料 / 氧化剂混合物在烧嘴 174 的燃烧管道 158 中燃烧产生 燃烧副产物物流。燃烧副产物物流可以加热水 162。燃烧副产物物流可以从开孔 104 流出， 和驱动、 加热含烃地层中的地层流体和 / 或降低其粘度。在一部分地层中在距井 102 一定 距离处水与燃烧副产物物流接触可以产生热， 和加热至少一部分地层， 以使流体移动。
加热器 130( 例如图 3-7 中描述的无焰分布燃烧器和烧嘴 ) 可以由适合井下燃烧 过程的材料制造。在一些实施方案中， 在燃料和 / 或硫化氢物流中存在的水与硫化氢相互 作用以在管道壁的金属表面上形成硫化物层。硫化物层的形成可以抑制碳酸和 / 或其它酸 对管道壁金属表面的进一步腐蚀。硫化物层的形成可以允许外部管道 164、 中心燃料管 154 和燃烧管道 158 由碳钢或其它合金制造。例如， 可以应用合金 230、 合金 800H、 合金 370H 或 Hastelloy C276 来制造加热器 130 的多个部分。 在一些实施方案中， 内部燃料管道 166( 如 图 4 所示 ) 由耐受高温和 / 或高浓度硫化氢的材料制造。
在一些实施方案中， 将含少量硫化氢或相对于氧化剂量低于化学计量量的硫化氢 的烃燃料的开车混合物引入到加热器 130( 例如无焰分布燃烧器 150 和 / 或烧嘴 174) 的燃 料管道 154 中。在一些实施方案中， 开车燃料物流包含至多 1vol％、 至多 0.5vol％、 至多 0.01vol％的硫化氢。在一些实施方案中， 开车燃料包含氢气和 / 或含氧醚如二甲醚以降低 点火温度。一旦已经引发了燃烧， 则可以增加燃料物流 152 中的硫化氢浓度。
在一些实施方案中， 对于开车和 / 或维持燃烧来说， 相对于氧化剂含较低量硫化 氢的混合物不是必要的。例如， 燃料物流可以含有 0.1-100vol％、 3-90vol％、 10-80vol％ 或 20-50vol％的硫化氢。在一些实施方案中， 燃料的硫含量为每克燃料至少 0.01 克、 至少 0.1 克、 至少 0.5 克或至少 0.9 克原子硫， 按 ASTM 方法 D4294 测量。
图 8 描述了从含烃地层 ( 如焦油砂地层 ) 生产烃的实施方案的示意图。烃层 106包括含有重烃的一个或多个部分。烃层 106 可以位于上覆地层 180 下方。应用多种方法从 烃层 106 生产烃。
应用蒸汽注入方法和 / 或其它驱动方法 ( 如二氧化碳驱动方法 ) 可以由烃层 106 的第一部分生产烃。蒸汽注入方法可以包括蒸汽驱动、 循环蒸汽注入、 SAGD 或其它将蒸汽 注入地层的方法。在蒸汽注入方法之前可以应用加热器处理一部分烃层 106。可以应用加 热器提高部分烃层 106 的温度和 / 或渗透性。通过加热烃部分可以由生产井 108 生产一 些烃。作为替代， 在蒸汽注入前可以不加热烃层 106。生产井 108 可以位于 100、 200、 500、 1000、 1500、 2500、 5000、 10000 或 10500 米的深度处。 注入井、 加热器井和生产井的分布和数 量可以为足以由含烃地层生产地层流体的任何数量或几何形状。
注入井 102 可以包括加热器 130 或一系列加热器。当已从烃层 106 生产出一些烃 后， 可以将加热器 130 插入注入井 102 中。注入井 102 可以位于地下 100、 200、 500、 1000、 1500、 2500、 5000 或 10000 米的深度处。 在地层的较浅深度加热或注入驱动流体可以采收通 过常规蒸汽驱动方法和 / 或应用加热器的加热方法不容易采收的烃。在较浅深度在含烃地 层中加热或注入驱动流体还可以采收通过常规烃采收方法不容易采收的烃。
注入井 102 可以由现有技术中已知的耐受硫氧化物的材料制造。 例如， 注入井 102 可以由 Hastelloy C276、 合金 230、 合金 800H、 合金 370H、 镍 / 铜 / 铁合金或钴 - 铬合金制 造。 水 162( 如蒸汽和 / 或热水 ) 可以被注入注入井 102。 水可以在温度为至少 200℃、 至少 225℃、 至少 250℃或至少 260℃和压力为约 1-15MPa 下注入。燃料物流 152 和氧化剂 物流 156 进入加热器 130。在加热器 130 中燃料 / 氧化剂混合物的燃烧可以加热水 162 和 / 或加热部分含烃层 106。来自水 162 的热足以使燃料 / 氧化剂混合物自动点火。
在燃烧管道 158 中在燃料 / 氧化剂混合物的燃烧过程中产生的热将热传递给水 162。加热后的水 162 可以通过开孔 104 流入烃层 106。蒸汽加热和 / 或注入、 燃烧气体和 / 或硫化氢可以使烃层 106 中的地层流体向生产井移动。在地层中加热水 162 的能力可以 允许烃层 106 的加热扩展和 / 或更均匀。
来自燃烧和 / 或加热水 162 的热形成第一加热区。烃层 106 中的烃可以被热移动 和由生产井 108 中产出。
硫化氢 / 氧化剂混合物的燃烧产生燃烧副产物物流。燃烧副产物物流可以包含硫 氧化物如三氧化硫和 / 或二氧化硫。 至少一部分硫氧化物与水 162 的接触 ( 如混合、 溶剂化 和 / 或溶解 ) 可以加热井 102 和 / 或烃层 106 中的水， 从而形成第二加热区。第二加热区 可以加热注入井 102 终端附近的一部分烃层 106 和 / 或延伸至烃层 106 中。由于烃层 106 的热传递和更均匀的加热， 与常规驱动流体方法相比， 单位体积可以产生增加量的烃量。 第 一和第二加热区可能重叠。
在一些实施方案中， 第二加热区位于离井 102 较远的位置。例如， 燃烧副产物可以 驱动蒸汽进入地层。 当蒸汽冷凝时， 燃烧副产物中的硫氧化物与冷凝的水发生反应， 由于形 成硫酸而产生热。所产生的热可以为地层提供足以使烃向生产井 108 移动的热。与潜热 ( 蒸汽冷凝后的加热 ) 结合的地下蒸汽加热可能有利于从地层中采收烃。相比于常规烃采 所有引入组分的显热与潜热组合可以降低从地层生产烃所 收方法所需的能量和 / 或加热， 需的能量和 / 或加热。烃地层可以含有石灰石。当在水存在下硫氧化物与地层接触时， 石灰石与硫氧化 物反应和产生二氧化碳。二氧化碳可以用作附加的驱动流体推动流体流向生产井 108。
硫氧化物可以与地层流体中的芳烃反应和形成磺酸酯。 原位磺酸酯的形成可能有 利于使烃向一个或多个生产井移动。
产自生产井 108 的地层流体 110 可以在地面设施 ( 如参考图 2 所示的地面设施 ) 中处理， 以形成气体物流和液体物流。在一些实施方案中， 所生产烃的 API 比重为至多 15、 至多 10、 至多 8 或至多 6。 气体物流可以包含硫化氢、 二氧化硫、 烃气体和 / 或二氧化碳。 在 一些实施方案中， 应用可再生方法 ( 如图 2 中所示 ) 从地层流体中分离出二氧化硫。至少 一部分二氧化硫可以引入到外部管道 164 和 / 或含烃地层中。在一些实施方案中， 由含烃 地层产生包含至少一部分二氧化硫的地层流体， 并与地层流体分离。可以将至少一部分分 离的二氧化硫提供给含烃地层和 / 或至少一个无焰分布燃烧器。
全部或一部分气体物流 116 可以被输送至燃料物流 152 和在加热器 130 中燃烧。 在一些实施方案中， 燃料物流 152 包含二氧化硫。在氧化剂存在下在加热器 130 中， 至少一 部分二氧化硫可以转化为三氧化硫， 和随后在地层中转化为硫酸。 在一些实施方案中， 至少 一部分二氧化硫进入地层。通过循环二氧化硫， 减少了由地层和 / 或地面设施产生的大部 分硫排放， 因而相比于由燃烧化石燃料生产用于蒸汽驱油的蒸汽而产生的排放物 ( 如二氧 化碳 ) 而言减少了排放物。 在一些实施方案中， 水 162 包含一种或多种表面活性剂和 / 或一种或多种发泡剂。 表面活性剂包括热稳定的表面活性剂 ( 例如硫酸盐、 磺酸盐、 烷基苯磺酸盐、 乙氧基化的硫 酸盐和 / 或磷酸盐 )。 应用发泡剂和 / 或表面活性剂可以改变烃与地层间的表面张力， 从而 使烃向生产井 108 移动。在一些实施方案中， 水 162 包含消泡剂。消泡剂可以抑制当二氧 化碳和表面活性剂存在时地层流体发泡。
在一些实施方案中， 引入到烃层 106 的水 162 包含硫化氢和 / 或氢。硫化氢和 / 或氢可以使一部分重烃溶剂化、 稀释和 / 或加氢， 以形成可以使地层流体向生产井 108 移动 的混合物。混合物的形成可以增加烃层 106 的烃产量。一部分重烃的溶解、 稀释和 / 或加 氢可以增加产自烃层的烃量。溶剂和 / 或硫化氢可以从混合物中分离出来， 和与水 162 一 起注入或用于其它方法中。例如， 硫化氢可以从混合物中分离出来， 和燃烧以加热水。在一 些实施方案中， 烃加氢产生的热传递给一部分烃层 106 和 / 或水 162。
在一些实施方案中， 加热器 130 或一系列加热器位于注入井 102 内。将加热至至 少 300℃或至少 500℃和加压至 1-15MPa 压力的水 162 引入到井 102 中和传热给烃层 106。 一部分水 162 可以通过开孔 104 进入烃层 106。水 162 在流过外部管道 164 时可以冷却。 位于井口下游的加热器可以被点火， 以在水 162 流过外部管道 164 时将其加热。加热器可 以将水 162 加热至足以加热烃层 106 的温度 ( 例如加热至约 200-500℃的温度 )。地层流 体可以被热和 / 或水 162 驱动移向生产井 108。可以监测井 102 不同部分的温度。加热器 可以在井 102 中在预定温度点火。在一些实施方案中， 水 162 在地下加热以形成过热蒸汽。
在一些实施方案中， 相比于应用常规蒸汽注入方法实施的加热， 水 162 的地下加 热增加了待加热的含烃层的体积。地下加热允许应用大量的液体水和 / 或低压蒸汽作为驱 动流体， 而不是在注入含烃地层之前必须加热或加压蒸汽至等于或高于地层压力。在注入 井中地下加热水可以沿无焰分布氧化器的长度形成蒸汽再沸器。 沿加热器长度明显加热驱
动流体 ( 如蒸汽 ) 的能力可以允许烃层的加热方式比应用地面加热的驱动流体的系统更均 匀。更均匀加热可以允许生产井离注入井的位置比常规蒸汽注入方法更远。
在一些实施方案中， 相比于常规驱动流体注入方法， 地下加热水改变了系统的热 通量曲线。图 9 描述了常规蒸汽注入方法的一个实施方案的热通量曲线的示意图。在常规 蒸汽注入方法中注入的蒸汽流向注入井 102 的终端， 在向离注入点最远的井部分移动时， 蒸汽冷却和形成冷凝液。如箭头长度所示， 蒸汽的冷却减少了传递给烃层的热量。因此， 相 对于井的终端， 在离井口最近的部分， 传热可能最大。
在一些实施方案中， 处理含烃地层的方法包括由井孔中多个位置向至少一部分含 烃地层提供蒸汽， 其中所述蒸汽比所述部分含烃地层的温度更热 ； 和通过在井孔中燃烧包 含燃料和氧化剂的至少一部分混合物而在井孔中加热蒸汽， 其中所述燃料包含硫化氢。燃 烧产生的热传递给蒸汽 ； 和蒸汽被加热从而使在井孔中第一位置处提供给部分含烃地层的 蒸汽比在井孔中第二位置处提供的蒸汽更热 ； 和沿井孔长度第一位置比第二位置离地层表 面更远。 在一些实施方案中， 燃烧产生燃烧副产物物流， 和至少一部分燃烧副产物物流与一 部分含烃地层中的一部分水接触， 其中所述部分含烃地层位于沿井孔长度方向已传热部分 的地层表面的下游。 在一些实施方案中， 至少一部分热传递给至少一部分含烃地层 ； 和至少 一部分地层流体在加热部分中移动。
图 10A 和 10B 描述了在水平注入井 102 中应用加热器 130 地下加热蒸汽的一个实 施方案的热通量曲线的示意图。如图 10A 所示， 当应用加热器 130 来加热地层中的水时， 较 长的箭头表示在井下游部分产生的热比井上游部分多。如图所示， 加热蒸汽 162， 使得在井 孔下游部分提供给地层的蒸汽比地层上游部分附近提供给含烃地层的蒸汽更热。 通过控制 更热的部分沿井孔的长度， 可以以均匀方式向地层传热， 因而可以控制沿井孔长度的热通 量、 热点和 / 或冷点。被来自注入井 102 的热和 / 或蒸汽移动的烃由生产井 108 产出。在一 些实施方案中， 与第一位置相比， 井孔的下游部分更接近单位体积具有更多烃 ( 更富含烃 ) 的地层部分， 因此允许将热传递给应用常规蒸汽驱动方法可能更难产出的烃。在一些实施 方案中， 生产井 108 可以包含允许烃流入井中的开孔。
如图 10B 所示， 热通量曲线的形状可能是抛物线形的。 加热后的水进入注入井 102 中， 和加热井的上游部分。随着水的冷却， 热曲线缩短。随着水的冷却， 点燃井 102 中的加 热器以将水再加热。通过调节部分开孔和 / 或加热器， 可以得到其它热通量曲线， 如基本恒 定的热通量。
通过使蒸汽温度沿井孔长度保持为恒定温度， 可以使沿井孔长度的燃料和氧化剂 温度得到缓冲， 从而抑制沿加热器长度的温度波动 ( 例如地层的热点和 / 或冷点 )。 抑制温 度波动可以维持和 / 或增强沿加热器长度的氧化。这种持续加热井孔允许热均匀传递给地 层， 从而有利于地层流体从含烃地层移动和 / 或产出。
应用加热器 130 由注入井 102 向烃层 106 均匀传热可能有利于更多烃向生产井 108 移动。热通量曲线的变化和更均匀加热烃层可以允许生产井 108 位于比应用常规驱动 流体注入法更远的距离处， 从而使较不易接近区域的烃被产出。
在一些实施方案中， 通过用位于一个或多个水平蒸汽注入井终端附近的井内的以 硫化氢为燃料的加热器加热一个区域， 强化由含烃层生产烃。以硫化氢为燃料的加热器提 供的热可以强化从烃层生产烃。在一些实施方案中， 处理含烃地层的方法包括 ： 由多个基本水平的蒸汽注入井向 至少一部分含烃地层提供蒸汽 ； 在位于一个或多个基本垂直的井孔内的一个或多个无焰分 布燃烧器中燃烧至少一部分包含硫化氢和氧化剂的混合物以产生热， 其中至少一个基本垂 直的井孔处于至少一个基本水平的蒸汽注入井终端十米范围内 ； 允许一部分所产生的热传 递给位于至少一个基本水平的蒸汽注入井和至少一个基本垂直的加热器井之间的一部分 含烃地层 ； 和在含烃地层的加热部分在使至少一部分地层流体移动。 在一些实施方案中， 所 产生的热通过传导、 对流或溶解热而传递给所述部分。其中所产生的热通过对流传递给所 述部分。
在一些实施方案中， 通过在位于至少一个基本水平的蒸汽注入井内的一个或多个 无焰分布燃烧器中燃烧至少一部分混合物而加热一部分蒸汽。在一些实施方案中， 通过在 位于至少一个基本水平的蒸汽注入井内的一个或多个烧嘴中燃烧至少一部分混合物而加 热一部分蒸汽。
蒸汽传热给至少一部分含烃地层。 至少一部分蒸汽可以驱动至少一部分地层流体 流向一个或多个生产井。 可以由至少一个基本垂直的加热器井和至少一个基本水平的蒸汽 注入井之间的体积产出地层流体。在一些实施方案中， 在提供水之前将烃地层加热。在一 些实施方案中， 将至少一部分燃烧副产物提供给地层。进入地层的至少一部分燃烧副产物 和 / 或至少一部分蒸汽为至少一部分地层流体的移动提供驱动力。
在一些实施方案中， 燃烧副产物物流包含硫氧化物， 和将至少一部分燃烧副产物 蒸汽提供给含烃地层， 从而至少一部分蒸汽和一部分硫氧化物在地层中与水混合产生溶解 热， 和将至少一部分溶解热传递给一部分含烃地层。
图 11 描述了与基本水平或倾斜的蒸汽注入井组合应用基本垂直的以硫化氢为燃 料的加热器生产烃的系统的示意图。垂直加热器井 186 可以位于水平蒸汽注入井 102 下游 部分附近。例如， 垂直加热器井 186 可以位于水平注入井 102 终端 1-10 米处。生产井 108 延伸超过注入井 102， 和位于加热井 186 下方。 垂直加热器井 186 包括这里所描述的以硫化 氢为燃料的加热器 130。通过在加热器 130 中硫化氢的氧化而由加热器井 186 产生的热可 以使烃向生产井 108 移动。 与应用水平注入井的常规驱动方法相比， 与来自蒸汽注入井 102 的热和物流驱动组合， 由以硫化氢为燃料的加热器井 186 产生的热传递可以允许由生产井 108 产出更多的烃。
根据本说明书， 本发明各个方面的其它修改和替代实施方案对于本领域技术人员 来说将是明显的。 因此， 本说明书仅作为示例而理解， 和目的是教导本领域技术人员实施本 发明的一般方式。 将会理解的是本文所给出和描述的本发明的形式将被认为是实施方案的 例子。 一些要素和材料可以替换本文所说明和描述的那些， 一些部件和过程可以颠倒， 和本 发明的某些特征可以单独使用， 所有这些在受益于本发明的描述之后， 对本领域技术人员 来说均是明显的。在不偏离后面的权利要求所述的本发明的精神和范围的条件下， 可以对 本文所描述的要素进行改变。