产生用于处理含烃地层的地下热的方法 本申请要求在 2008 年 4 月 18 日申请的美国临时申请 61/046172 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。
硫化合物的燃烧也已用于加热烃地层， 其中含硫的燃烧产物可以用作驱动流体用 于更有效地由烃地层中生产烃。 Rollmann 的 US4,379,489 描述了一种从地下贮层采收重油 的方法， 所述方法包括在地下在含氧气体中燃烧液体硫， 从而形成二氧化硫。 二氧化硫可以 用作采收油的驱动流体， 或者可以在地层中与石灰石反应以形成二氧化碳， 而二氧化碳为 一种替代的驱动流体。含氧气体的压力维持在足以使二氧化硫保持为液态的压力下。
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以内 ； 将至少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； 和移动在加热的含烃地层部分中的至少一部分地层流体。 附图说明 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， 本发明的进一步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
本发明涉及为烃地层提供地下热， 其中所述热由以下方法产生 ： 1) 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 ； 和 2) 一个或多个基本水平的蒸汽注入井中提供蒸汽。 提供给烃地层的热使 加热的含烃地层部分中的至少一部分地层流体移动。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。
由于将包含硫化氢的燃料物流燃烧产生的热和蒸汽的热提供给烃地层， 本发明方 法有效地为烃地层提供热。由于相对于蒸汽注入井相对设置从中提供燃烧热的垂直井孔， 使得由包含硫化氢的燃料物流燃烧提供给烃地层的热可以强化通过蒸汽注入引起的地层 流体的移动。 基本水平的蒸汽注入井和基本垂直的井孔的设置将硫化氢和氧化剂的混合物燃烧产生的热在位于至少一个基本水平的蒸汽注入井与至少一个基本垂直的井孔之间的 一部分含烃地层处提供给烃地层。 提供给烃地层加热部分的热使烃地层加热部分的地层流 体移动， 并可以增加通过生产井由烃地层采收和产出的地层流体的量。
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， 将蒸汽提供给至少一部分烃地层。烃地层包含烃材料和可以 包含非烃材料， 其中烃材料可以由烃地层采收。烃地层可以包括对烃不可渗透或略微可渗 透的上覆地层和下伏地层。
向烃地层提供蒸汽， 从而能够增加由烃地层采收的烃材料量。提供给烃地层的蒸 汽可以加热烃地层， 和从而使包含烃材料的地层流体移动， 其中移动的地层流体可以通过 生产井从烃地层中采收和产出。蒸汽也可以置换烃地层中的地层流体， 和驱动地层流体进 入生产井， 从而可以从生产井中采收和产出地层流体。
在本发明方法的一个实施方案中， 可以在驱动方法中将蒸汽提供给烃地层， 从而 处理烃地层。所述驱动方法包括循环蒸汽注入、 SAGD、 溶剂注入、 或蒸气溶剂和 SAGD 方法， 但不局限于此。本发明的方法也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。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。
由多个 ( 至少两个 ) 基本水平的蒸汽注入井将蒸汽提供给烃地层。蒸汽注入井的 位置优选相对于一个或多个生产井， 从而通过在蒸汽注入井中注入蒸汽移动和 / 或驱动的 地层流体被移动和 / 或驱动流向生产井， 从而可以由生产井采收和产出地层流体。最优选 地， 蒸汽注入井位于相对于一个或多个生产井和一个或多个基本垂直的井孔的位置， 从而 优化从烃地层采收的地层流体量最， 其中在所述基本垂直的井孔中燃烧包含硫化氢和氧化
剂的混合物。正如这里所应用的， “基本水平的” 井或井孔指在烃地层中在一个或多个基本 垂直的井或井孔处或附近， 例如在 20 米以内， 并优选在基本垂直的井或井孔的终端处， 倾 斜角为 30°或更低、 或 15°或更低、 或 10°或更低的井或井孔。基本水平的井或井孔可以 具有倾斜角大于 30°的井或井孔部分， 和可以垂直或接近垂直。例如， 基本水平的井或井 孔可以在烃地层表面处或附近具有基本垂直的部分， 但是在在基本垂直的井孔附近具有在 烃地层内基本水平的部分， 其中在所述基本垂直的井孔内燃烧包含硫化氢和氧化剂的混合 物。
提供给含烃地层的蒸汽的温度优选比向其中提供蒸汽的含烃地层的温度更高。 蒸 汽可以在温度为 100-500℃或 110℃ -290℃和压力范围为 1-15MPa 下通过基本水平的注入 井提供给含烃地层。
在通过蒸汽注入井提供给烃地层之前可以将水或蒸汽加热。 在提供给蒸汽注入井 用于注入烃地层之前， 水 / 蒸汽可以在在烃地层表面处加热， 和 / 或可以通过在一个或多个 井孔中提供的一个或多个加热器在一个或多个井孔中地下加热。
通过用水 / 蒸汽传递燃料物流与氧化剂燃烧产生的热可以在烃地层表面加热水 / 蒸汽。燃料物流可以为含烃燃料如天然气， 和 / 或燃料物流可以为包含硫化氢的燃料物流。 氧化剂可以为空气、 压缩空气、 富氧空气或氧气。 燃料物流和氧化剂可以在常规的燃烧反应 器中燃烧， 和通过在燃烧副产物气体与水 / 蒸汽之间的热交换将燃烧产生的热传递给水 / 蒸汽。 在提供给烃地层之前， 水 / 蒸汽可以在一个或多个井孔中地下加热。可以在一个 或多个井孔中提供一个或多个加热器， 用于在将蒸汽提供给烃地层之前在一个或多个井孔 中加热水 / 蒸汽。通过在将蒸汽提供给烃地层的位置点附近加热蒸汽， 水 / 蒸汽的地下加 热使蒸汽的热更为有效地传递给烃地层。在一个实施方案中， 燃料物流和氧化剂物流在一 个或多个蒸汽注入井孔中的一个或多个加热器中燃烧， 和在将蒸汽提供给烃地层之前， 在 井孔中将燃烧产生的热传递给水 / 蒸汽。燃料物流可以为含烃燃料如天然气， 和 / 或燃料 物流可以包含硫化氢。氧化剂可以为空气、 压缩空气、 富氧空气和 / 或氧气。在井孔中为水 / 蒸汽提供热的加热器可以为无焰分布燃烧器或烧嘴。
在一些实施方案中， 可以将一个或多个加热器放置在一个或多个基本水平的蒸汽 注入井的井孔的内部部分， 和蒸汽可以流过所述位置井孔的外部部分， 从而热可以从加热 器传递给蒸汽。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基本水平的蒸汽注入井内的一个或多个加热器中 的一个或多个燃料管道。 用于加热器的燃料物流和氧化剂可以提供给至少一个加热器内的 一个或多个燃料管道中， 用于加热器中的燃烧。 可以排布燃料管道， 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。
由多个基本水平的蒸汽注入井将蒸汽提供给烃地层。 蒸汽可以在一定压力下提供
给烃地层， 从而可以将蒸汽注入烃地层。 注入蒸汽可以通过驱动地层流体使地层流体移动。 优选地， 提供给烃地层的蒸汽在比烃地层温度更高的温度下提供给烃地层， 从而可以将热 由蒸汽传递给烃地层。由蒸汽提供给烃地层的热可以移动烃地层中的地层流体。
通过进入含烃地层的多个基本水平的蒸汽注入井向烃地层提供蒸汽可以移动或 驱动地层流体至生产井。 蒸汽可以与地层流体接触， 和与一部分地层流体混合、 使一部分地 层流体溶剂化和 / 或溶解一部分烃。蒸汽与地层流体的接触可以降低地层流体的粘度和促 使地层流体向一个或多个生产井移动。
在本发明的方法中， 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 燃烧器中燃烧包含硫化氢和氧化剂的混合物以产生热。 一个或多个基本垂直的井孔设置在 至少一个基本水平的蒸汽注入井的终端十米以内。最优选地， 相对于一个或多个生产井和 一个或多个基本水平的蒸汽注入井设置混合物在其中燃烧的基本垂直的井孔， 以使从烃地 层采收的地层流体量最优化。正如这里所应用的， “基本垂直的” 井或井孔指在烃地层中在 一个或多个基本水平的蒸汽注入井或井孔的一个或多个终端处或附近 ( 例如 20 米以内或 10 米以内 )， 倾斜角为 60°或更高、 或 75°或更高、 或 80°或更高的井或井孔。 基本垂直的 井或井孔可以具有倾斜角小于 60°的井或井孔部分， 和在井或井孔的一些部分可以水平或 接近水平。 在 本 发 明 方 法 中 应 用 的 硫 化 氢 可 以 在 燃 料 物 流 中 提 供， 所述燃料物流包 含 1-100vol ％、 3-90vol ％、 10-80vol ％、 或 20-50vol ％ 的 硫 化 氢， 或者可以包含至少 10vol ％、 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。
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。 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， 包含硫化氢和氧化剂的混合物中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， 选择在基本垂直的井孔中燃烧的混合物中硫化氢与氧化剂的 比， 并在燃烧过程中进行控制， 和将燃烧副产物气体由基本垂直的井孔注入烃地层。 通过选 择相对于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包含选定比的硫化氢与氧化剂的混合物， 进而 产生优选的燃烧副产物物流组成。
可以以一定的方式选择提供用于产生本发明方法中的燃烧混合物的包含硫化氢 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， 可以选择硫化氢与氧化剂的比， 从而相对于 混合物中的硫化氢含量而言， 用于燃烧的混合物中存在过量的氧化剂。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， 可以以一定的方式选择用于燃烧的混合物中包含硫化氢的燃料物流量和 氧化剂量， 使得混合物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， 可以选择混合物中硫化氢与氧化剂的比， 从而相对于混合物中的硫 化氢含量而言， 在混合物中存在不足量的氧化剂。在用于燃烧的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， 可以选择提供用于燃烧的混合物中的硫化氢量和氧化剂 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。
包含硫化氢和氧化剂的混合物的燃烧在位于一个或多个基本垂直的井孔中的一 个或多个加热器中实施以产生热。加热器包括至少一个无焰分布燃烧器， 和也可以包括烧 嘴。
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 氢和氧化剂的混合物无焰燃烧。在无焰分布燃烧器中， 氧化剂作为氧化剂物流以一定速度 提供给燃烧器， 充分提高所述速度以防止氧化剂和硫化氢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混合物和氧化剂物流时， 将 优选作为气体物流提供的硫化氢与氧化剂混合， 其中将硫化氢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。
加热器也可以包括一个或多个产生火焰的烧嘴。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。 通过将包含硫化氢的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。
硫化氢和氧化剂的混合物燃烧产生热。 将燃烧产生的热传递给位于至少一个基本 水平的蒸汽注入井与至少一个基本垂直的加热器井之间的一部分含烃地层。通过将来自 加热器井由燃烧产生的燃烧副产物物流注入到烃地层中， 将硫化氢和氧化剂的混合物燃烧 产生的热从基本垂直的加热器井引导至位于加热器井和基本水平的蒸汽注入井之间的一 部分含烃地层中， 其中燃烧副产物物流将至少一部分来自加热器井的燃烧热载带入含烃地
层。在本发明方法的一个实施方案中， 可以由位于基本水平的蒸汽注入井最近处的基本垂 直的加热器的终端将燃烧副产物物流注入含烃地层。
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。
从一个或多个基本垂直的加热器井传递给含烃地层的热将加热位于基本水平的 蒸汽注入井与基本垂直的加热器井之间的至少一部分含烃地层， 其中所述基本垂直的加热 器井位于所述基本水平的蒸汽注入井终端十米以内。通过从加热器井向烃地层传递热， 使 在加热的含烃地层部分中的至少一部分地层流体移动。 可以通过生产井收集移动的地层流 体， 和可以从含烃地层产生包含烃材料的被热传递移动或被移动的地层流体驱动的地层流 体。
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。