用于从焦油砂中开采石油的复式排放方法 本申请是申请人于1998年5月27日申请的、申请号为No.60/086,890的共同未决美国临时专利申请的一个后续申请。
本发明涉及从位于地下岩层中的焦油砂中就地开采石油。本发明特别涉及一种利用一独特的蒸汽喷射系统从地下焦油砂岩层中开采石油的方法。
诸如从地下焦油砂中开采资源的方法有许多种。在几乎没有覆盖层的地方，通常使用表面采矿技术。但是，当覆盖层较厚或覆盖层与焦油砂岩层的厚度比值较高时，表面采矿技术是不实用的。多年来，人们已经提出了许多种就地开采方法。通常的方法是从地面向地下的焦油砂岩层中钻井。这些焦油砂岩层在通常或平静状态下是非常粘滞和稳定的。人们已经利用各种不同技术来建立用于贯通较重且高粘性沥青砂的通道以及一种从所述沥青砂中开采沥青的有效方法。这些方法包括蒸汽喷射、溶剂溢流、气体喷射等方法。这样地方法通常包括对焦油砂岩层加热以降低所述岩层的粘度，从而利用液压装置或重力流动使所述资源以可流动的方式从岩层中排出。
美国专利No.4,160,481使用了从一个用于将蒸汽喷射到焦油砂岩层中的中心井眼径向延伸的多个井眼。将蒸汽喷射到一些井眼中以将石油驱赶到其余的井眼中，从而将石油收集在所述其余的井眼中。
在由Turk等人提出的美国专利No.4,160,481中披露了一种方法，其中从一个中心井眼将多个开有孔的径向管道横向延伸到所述岩层中。该系统采用了一种周期性蒸汽喷射方法。在经过多个蒸汽喷射/生产周期之后，可将该方法转化成为一种连续的蒸汽驱动方法，其中将蒸汽连续地喷射到一个径向管道中并且从另一个径向管道中生产石油。
在由Bouck等人提出的美国专利No.4,463,988中披露了一种用于焦油砂沉积层的就地开采系统，其中设有一个水平生产隧道网络和与之相连的多个水平井眼。该系统结构非常复杂，成本较高且难于安装和操作。
在由Bielstein等人提出的美国专利No.3,386,508中披露了一种用于开采石油的系统，其中从地面钻出多个定向(倾斜的)井以贯穿一个石油支承岩层内的中心垂直井。所述定向井和垂直井眼与石油支承岩层以流体相通。
在由Renard等人提出的美国专利No.5,016,710中披露了另外一种用于开采石油的系统，其中具有多个从地面钻出的斜井，所述斜井与一个石油支承岩层内的中心垂直井相配合。利用这种结构，蒸汽可从所述中心垂直井或多个斜井喷射到石油支承岩层中。
本发明的目的在于提供一种利用蒸汽喷射方法从地下焦油砂岩层中开采通常处于平静状态的烃油的改进系统。
本发明涉及一种用于从地下焦油砂沉积层中开采通常处于平静状态的烃油的热方法，该方法包括：(a)建立至少一个从地面至少延伸到所述地下岩层底部的基本上垂直的生产井眼；(b)设置多个从地面贯通所述焦油砂岩层向下大致延伸到所述焦油砂岩层底部的井眼，接着使所述井眼在所述焦油砂岩层底部或其附近基本上呈水平的并且向着所述各生产井眼径向向内汇聚，所述每一个井眼中都具有一个开有孔或开有槽的管道；(c)通过所述开有孔或开有槽的管道连续地向下喷射蒸汽以使所述蒸汽通过所述管道上的孔或槽排放到所述焦油砂岩层中，从而降低了通常处于平静状态的烃油的粘度，随着大部分蒸汽通过每一个管道的向下贯通所述焦油砂岩层的那一部分而被喷射到所述焦油砂岩层，所述蒸汽降低了大致处在所述开有孔的管道和所述焦油砂岩层顶部之间的区域中通常处于平静状态的烃油的粘度，随着所述粘度降低区域径向扩展和向着所述垂直生产井眼的方向轴向向内移动，从而形成了一个扩展的大致呈锥形的生产腔室；以及(d)在重力作用下将所获得的低粘度的石油和冷凝的蒸汽向下排放到所述生产腔室底部，然后通过所述水平管道将所述低粘度的石油和冷凝的蒸汽排放到用于收集的所述垂直生产井眼的底部。
本发明的一个重要特征是，所述蒸汽从地面喷射到径向汇聚的开有孔或开有槽的井眼中。利用这种方式，所喷射的蒸汽能够在蒸汽喷射的开始阶段与所述焦油砂沉积层的整个竖直截面接触，并且在距离所述垂直生产井眼最远的位置处，所述蒸汽压力最大。另外，每一个所述径向汇聚的井眼从地面到所述垂直生产井眼是连续的并且同时用于蒸汽喷射和石油的生产。
这样的结构带来了许多优点。首先，由于在距离所述垂直生产井眼最远的位置处，蒸汽的热量和压力最大，并且所述热量和压力沿着每一个汇聚的径向管道的长度方向逐渐降低，因此石油是以这样的方式从所述焦油砂岩层中排出的，即：在最接近蒸汽喷射端(在距离所述垂直生产井眼最远的位置处)处排出的石油量最大，并且沿着每一个向内汇聚的径向管道的长度方向排出的石油量逐渐减少。这样，所述焦油砂岩层内的生产区域发展成为一个与在所述各径向管道之间的焦油砂岩层形状相符的锥形，从而利用一个中心井眼和多个横向汇聚的径向管道能使从焦油砂岩层中开采的石油量达到最大。
本发明的另一个优点是，所述在焦油砂岩层内的开有孔或开有槽的管道的大部分沿着所述焦油砂岩层的底部是水平延伸的。因此，它们处在一个不可渗透下层的紧上方的位置处。这样就大大地提高了开采效率。所喷射的蒸汽在所述焦油砂岩层内为上升趋势并且采用径向和水平设置的管道意味着在一个生产区域内使石油的产量达到最大。
大体呈锥形的扩展的生产区域向下延伸到所述水平的开有孔或开有槽的管道并且形成了一个蒸汽腔室。这样，从所述焦油砂岩层中排放出来的粘度降低的石油在重力作用下向下流过所述生产区域或蒸汽腔室并且流入所述水平的开有孔或开有槽的管道中。由于在所述开有孔的管道外端的蒸汽压力较大，这个压力梯度会促使所述开有孔的管道内所开采的石油在重力作用下流到用于开采的所述中心垂直生产井眼中。可在焦油砂岩层中以一排的方式设置多个带有多个向内汇聚的径向管道的中心垂直生产井眼，通过同时操作这些装置使整个焦油砂矿以系统化方式得到开采。
所述中心垂直生产井眼最好向下延伸到所述焦油砂岩层下面的一个不可渗透岩层中的一段距离处，以形成一个用于收集所述低粘度(可流动的)石油的储油槽。利用常规的油田泵送系统将所述可流动的油从所述储油槽泵送到地面。
最好还至少在所述焦油砂岩层内设置一个用于所述中心垂直生产井眼的壳体。该壳体可防止蒸汽过早流入所述中心垂直生产井眼中并保持所述中心垂直生产井眼的整体性。
本发明的方法还能控制输入到所述焦油砂岩层中的热量以使蒸汽不被浪费。这可通过监测从每一个汇聚的径向管道中排放出来的热油和冷凝蒸汽的温度来达到。根据该温度，能够调节输入到每一个径向管道的蒸汽以便随着微量的潜在蒸汽仅产生以热油和冷凝蒸汽形式存在的显热。
本发明的方法还可用于覆盖层和焦油砂岩层的厚度变化范围较宽的情况。特别适用于覆盖层太厚而无法使用表面采矿技术的情况。通常，如果必须去除的覆盖层多于焦油砂岩层，那么表面采矿技术是不实用的。
一单个中心垂直生产井眼可以从一个非常大的区域中开采石油，该生产井眼带有径向向外延伸达几百米或更长的开有孔或开有槽的管道。
从下面结合附图对本发明的详细描述中可以得到本发明的这些和其它特征和优点，在所述附图中：
图1是表示本发明用于从一个地下岩层开采石油的示例性装置其局部截面的示意图；
图1A是图1中所示装置结构的一种变型；
图2是功能性表示图1中所示装置的平面图；
图2A是图2中所示的一个生产腔室的截面图；
图3是详细表示一个中心井眼的一个截面图；
图4是一个与图1类似的示意图，其中具有辅助的喷射/生产井；
图5是一个与图1类似的示意图，其中具有另一种结构的辅助喷射/生产井；
图6是一个与图2类似的平面图，其中示出了设置在各主径向管道之间的辅助喷射/生产管道；
图7是一个与图2类似的平面图，其中示出了另一种结构的设置在各主径向管道之间的辅助喷射/生产管道；
图8是一个与图2类似的平面图，其中示出了又一种结构的设置在各主径向管道之间的辅助喷射/生产管道。
现参照图1，图1示意性地表示了本发明所述用于从一个地下岩层(例如焦油砂岩层)开采重油等的一种系统，其中示出了从地面10贯穿覆盖层11钻入一个地下焦油砂岩层12中的一个大致垂直的中心生产井眼13。所述井眼13完全贯穿焦油砂岩层12钻入到焦油砂岩层12的底面14，所述底面14是一个不可渗透地质岩层(例如石灰岩)17的顶面。多个从地面10向下延伸的开有孔或开有槽的喷射/生产管道16径向向内地汇聚到所述井眼13。
所述开有孔或开有槽的喷射/生产管道16通常是以与垂直方向呈一个倾斜的角度从地面10向下延伸的，并且所述开有孔或开有槽的喷射/生产管道16接着沿着所述焦油砂岩层12的底部水平延伸一段很长的距离。对于较深的岩层，所述管道16的开始一段可以是竖直的。所述管道16的水平部分靠近所述焦油砂岩层12的底面14。从地面将蒸汽向下供给到所述开有孔或开有槽的喷射/生产管道16中，并且通过所述管道16上的孔或槽将蒸汽排放到所述焦油砂岩层12中。随着所喷射的蒸汽沿着岩层内的所述带孔管道16的长度方向前进，蒸汽的喷射温度、压力和喷射量降低，从而蒸汽在距离所述垂直中心生产井眼13最远那端的效率最大，并且所述蒸汽效率沿着所述管道16的长度方向逐渐降低。因此，建立了一个从岩层中开采石油的模式，该模式与所喷射蒸汽状态的变化相适应。图2和图2A中示出了所得到的石油开采模式，其中假设所开采的区域为大致楔形或锥形。这样就可利用一个垂直井眼和多个径向汇聚的喷射/生产管道使开采的石油量达到最大。
粘度降低的石油从上述开采区域18被排放到所述开有孔的管道16中并且流到用于开采的井眼储油槽15。由于蒸汽在距离所述垂直井眼13最远的那端压力最大，因此蒸汽可以产生将所述粘度降低的石油从距离所述垂直井眼13最远的那端推向所述垂直生产井眼13的效果。图1中所示的开采区域18处于早期阶段，而图1A中所示的是经过一段时间扩大的开采区域18。
为了提高本发明方法的开采效率，必须防止蒸汽穿过所述中心井眼13。因此，如图3中所示设置一个壳体36。该壳体穿过所述焦油砂岩层12向下基本上延伸到所述焦油砂岩层12的底部。
图3中详细地示出了所述中心井眼，利用水泥35使所示的壳体36胶结定位。在所述壳体36内设置一生产衬套37，所述生产衬套37带有生产管道38和抽吸杆39。
所述井眼13的下端最好向下延伸到所述不可渗透岩层17中以形成一个储油槽15。最好在所述井眼13的下部中形成一个直径扩大或棱面带槽纹(milled section)的区域13a，所述喷射/生产管道16与所述扩大区域13a相连。生产衬套37也可在这个区域中开有孔。
图4和图5中示出了从地面10向下延伸并与主径向喷射/生产管道16相连的开有孔或开有槽的辅助喷射/生产管道20，21。所述这些管道20，21能够形成辅助生产区域22，23，所述辅助生产区域22，23能够将更多的降低粘度(可流动)的石油供给到所述径向管道16中。
图6、图7和图8中表示了其它结构的从地面10向下延伸并基本上与主径向管道16相连的开有孔或开有槽的辅助喷射/生产管道。这样，在图6中，除了开有孔的主径向管道16以外，还具有一组从地面位置25处向下延伸的开有孔的辅助管道。一对开有孔的管道27a和27b从每一个位置25处向下延伸，所述开有孔的管道27a和27b的下部区域在所述焦油砂岩层内横向延伸并且其末端邻近于所述主径向管道16。
图7中所示的结构是对图6所示结构的一种改进，其中具有从地面位置25处向下延伸的第三管道29。这些管道还包括横向支管31a，31b，所述支管31a，31b的末端邻近于相邻的主径向管道16。
图8表示了设置在所述各主径向管道之间的开有孔的辅助管道在每一个扇形区域内的不同组合形式。在每一种结构中，所述开有孔的管道从地面向下延伸并且接着在所述焦油砂岩层内横向延伸，以使所述每一个开有孔的辅助管道的底端其终止处邻近于在所述焦油砂岩层内横向延伸的各主径向管道的一个中间区域。
图6、图7和图8中所示的结构都提供了生产区域的辅助网络，其中从表面向下延伸的开有孔的辅助管道能够将蒸汽供给到所述焦油砂岩层中。这样就降低了每一个开有孔的辅助管道附近的通常处于平静状态的烃油粘度，从而使能够生产出低粘度的油，所产出的油沿着每一个开有孔的辅助管道内流动，然后流入相邻的主径向管道，最后进入所述中心生产井眼13中。
应该理解的是，上述附图中所示的结构是非常理想化的，可以根据所遇到岩层的性质和构造对井眼和径向汇聚的开有孔的管道的构形进行多种变化。