применение саморегулирующихся ядерных реакторов при обработке подземного пласта

Формула изобретения

1. Система термической обработки in situ для добычи углеводородов из подземного пласта, содержащая: саморегулирующийся ядерный реактор; систему труб, по меньшей мере, частично расположенную в активной зоне саморегулирующегося ядерного реактора, с первым теплоносителем, циркулирующим через систему труб; и теплообменник, предназначенный для прохождения через него первого теплоносителя для нагрева второго теплоносителя, при этом второй теплоноситель предназначен для повышения температуры, по меньшей мере, части пласта выше температуры, обеспечивающей образование подвижного флюида, легкий крекинг и/или пиролиз углеводородсодержащего материала, приводящих к образованию в пласте подвижных флюидов, флюидов, являющихся результатом легкого крекинга, и/или флюидов, являющихся результатом пиролиза, при этом поступление тепла в, по меньшей мере, часть пласта в течение времени, по меньшей мере, приблизительно соотносится со скоростью затухания саморегулирующегося ядерного реактора.

2. Система по п.1, в которой саморегулирующийся ядерный реактор содержит активную зону, в которой находится порошкообразный делящийся металлогидридный материал.

3. Система по п.1, в которой температура саморегулирующегося ядерного реактора имеет возможность снижения при введении нейтронопоглощающего материала.

4. Система по п.1, в которой температура саморегулирующегося ядерного реактора имеет возможность снижения при введении нейтронопоглощающего газа.

5. Система по п.1, в которой в саморегулирующемся ядерном реакторе поддерживается температура в пределах от примерно 500 до примерно 650°C.

6. Система по п.1, в которой саморегулирующийся ядерный реактор расположен в подземном пласте.

7. Система по п.1, в которой саморегулирующийся ядерный реактор расположен в подземном пласте под покрывающим слоем.

8. Система по п.1, дополнительно содержащая второй саморегулирующийся ядерный реактор, который по истечении первого периода времени имеет возможность подключения к саморегулирующемуся ядерному реактору, в результате чего выходная мощность двух соединенных вместе ядерных реакторов является, по меньшей мере, столь же большой, как начальная выходная мощность саморегулирующегося ядерного реактора.

9. Система по п.1, в которой подаваемая саморегулирующимся ядерным реактором энергия обеспечивается теплоносителем, циркулирующим посредством циркуляционной системы через, по меньшей мере, один из нагревателей.

10. Система по п.9, в которой теплоносителем является расплавленная соль.

11. Система по п.9, в которой, по меньшей мере, часть теплоносителя имеет возможность циркуляции непосредственно через саморегулирующийся ядерный реактор.

12. Система по п.1, в которой расстояние между, по меньшей мере, частью множества стволов скважин в пласте по меньшей мере частично соотносится со скоростью затухания мощности саморегулирующегося ядерного реактора.

13. Система по п.1, в которой мощность саморегулирующегося ядерного реактора затухает до примерно 1/E от начальной мощности в течение приблизительно от 4 до 9 лет.

14. Система по п.1, в которой саморегулирующийся ядерный реактор вначале имеет возможность подачи к, по меньшей мере, части стволов скважин выходной мощности, равной примерно 900 Вт/м, которая уменьшается в течение предопределенного периода времени до примерно 360 Вт/м.

15. Система по п.1, в которой саморегулирующийся ядерный реактор вначале имеет возможность подачи к, по меньшей мере, части стволов скважин выходной мощности, равной примерно 900 Вт/м, которая уменьшается в течение предопределенного периода времени до примерно 360 Вт/м, при этом предопределенный период времени составляет от примерно 4 до примерно 8 лет или от примерно 5 до примерно 7 лет.

16. Система по п.1, в которой саморегулирующийся ядерный реактор выполнен с возможностью обеспечения энергией, по меньшей мере, одного из нагревателей для повышения температуры по меньшей мере части пласта до диапазона от примерно 300 до примерно 400°С.

17. Система по п.1, в которой саморегулирующийся ядерный реактор выполнен с возможностью обеспечения энергией, по меньшей мере, одного из нагревателей для повышения температуры по меньшей мере части пласта до диапазона от примерно 300 до примерно 400°C в течение заданных периодов времени от примерно 4 до примерно 8 лет или от примерно 5 до примерно 7 лет.

18. Система по п.1, в которой расстояние между, по меньшей мере, частью множества стволов скважин составляет от примерно 8 до примерно 11 м, от примерно 9 до примерно 10 м или от примерно 9,4 до примерно 9,8 м.

19. Способ добычи углеводородов из подземного пласта с помощью системы по любому из пп.1-18.

Описание изобретения к патенту

Область техники, к которой относится изобретение

Изобретение относится к способам и системам для добычи углеводородов, водорода и/или других продуктов из различных подземных пластов, таких как углеводородсодержащие пласты.

Уровень техники

Получаемые из подземных пластов углеводороды часто используют в качестве энергетических ресурсов, в качестве разного рода сырья и в качестве потребительских продуктов. Озабоченность по поводу истощения существующих углеводородных ресурсов и озабоченность по поводу снижения в целом качества добываемых углеводородов привели к разработке способов для более эффективных добычи, переработки и/или применения имеющихся углеводородных ресурсов. Для извлечения углеводородных материалов из подземных пластов могут использоваться процессы in situ. С целью обеспечения более легкого извлечения углеводородного материала из подземного пласта может потребоваться изменение химических и/или физических свойств углеводородного материала в подземном пласте. Химические и физические изменения могут включать в себя реакции in situ, результатом которых становится образование извлекаемых флюидов, изменения состава, изменения растворимости, изменения плотности, фазовые изменения и/или изменения вязкости углеводородного материала в пласте. Флюидом могут быть (но без ограничения ими) газ, жидкость, эмульсия, суспензия и/или поток твердых частиц, который имеет характеристики текучести, подобные характеристикам текучести потока жидкости.

Для нагрева пласта в процессе in situ в стволы скважин могут помещаться нагреватели. Существует множество различных типов нагревателей, которые могут быть использованы для нагрева пласта. Эффективность и выгода от добываемых углеводородных материалов, прежде всего, будет определять энергия, необходимая для превращения и/или вывода углеводородных материалов из подземного пласта. Отсюда и интерес к любым системам и/или способам, которые могут приводить к снижению потребности в энергии и/или расходов на энергию, необходимых для добычи углеводородных материалов.

В документе US 3170842 описаны субкритический ядерный реактор и нейтроногенерирующее устройство, пригодные для использования в стволе скважины. В данном документе описаны исследование ствола скважины с ядерным реактором, нагрев ствола скважины с помощью ядерного реактора или пиролиз in situ горючих сланцев с помощью нагревания с использованием ядерного реактора в стволе скважины в качестве теплового источника в указанных сланцах. При этом применяется ядерный реактор, обладающий варьируемой в широких пределах заданной выходной мощностью и выходом нейтронов и имеющий устройство для варьирования или поддержания постоянства указанной выходной мощности или выхода нейтронов на заданном уровне, соответствующем выбранной цели, для которой должен использоваться ядерный реактор. Ядерный реактор включает в себя множество субкритических состояний, возбуждаемых до уровня генерирования нейтронов или выходной мощности в зависимости от положения первичного генератора нейтронов, который может перемещаться относительно корпуса ядерного реактора с помощью механических средств.

В документе US 3237689 описаны способ и установка для перегонки залежей горючих сланцев и других твердых углеродистых материалов in situ, с помощью которых достигаются более эффективная и более полная перегонка при значительной экономии объема производимых работ. Расположенный вблизи разрабатываемого участка ядерный реактор используется для обеспечения теплом теплоносителя, циркулирующего через один или несколько теплообменников, которые подают тепло на один или несколько тепловых фронтов для проведения перегонки in situ залежей горючих сланцев.

В документе US 3598182 описан способ перегонки и дегидрогенизации углеводородного содержимого и углеродистых материалов с использованием горячего водорода для высвобождения и перегонки углеводородного содержимого. Предпочтительно установка для осуществления способа содержит источник водорода, средство для изменения температуры водорода, подземную каверну в углеродистом материале и модулирующее температуру устройство на поверхности сланцев для регулирования температуры водорода. Горячий водород может поступать из любого источника, но предпочтительно его получают из ядерного реактора, в котором водород используется в качестве охладителя, или из процесса карбонизации угля.

В документе US 3766982 описан способ обработки in situ горючего сланца или какого-либо другого углеводородистого материала с использованием в качестве транспортирующего агента горячей текучей среды, такой как воздух или дымовой газ, с целью испарения керогена или какого-либо другого углеводородистого материала и, в частности, также в качестве носителя достаточного объема тепла, чтобы расколоть и расщепить материал, сделав его насквозь проницаемым для газового потока. Добыча улетученного углеводородистого материала производится через один или несколько стволов скважин, удаленных от места ввода горячего газа. Нагрев воздуха или какого-либо другого относительно недорогого теплообменивающего газа до требуемой температуры, либо над, либо под поверхностью грунта, осуществляется в ядерном реакторе, в нагревателе с галечным теплоносителем или в каком-либо другом подходящем нагревательном устройстве.

В документе US 4765406 описан способ пробной добычи сырой нефти с помощью закачки в нефтяной пласт теплоносителя. На этот способ влияет генерирование тепловой энергии в нефтяном месторождении или в том месте, где в это месторождение входит какая-либо скважина, путем проведения реакции каталитического метанирования и переноса образующегося при этом тепла к теплоносителю, которым может быть водяной пар или инертный газ. Теплоноситель вводится в нефтяной пласт и повышает мобильность нефти. Могут использоваться различные источники энергии, включая уголь, нефть, работающие на сжигании газа нагреватели, солнечно-энергетические установки и т.п., хотя нами предпочтительно используется высокотемпературный ядерный реактор.

В документе US 4930574 описан способ третичной нефтедобычи и утилизации газа путем ввода нагретого с помощью ядерного реактора водяного пара в нефтяное месторождение и вывода, отделения и приготовления отходящей водно-нефтегазовой смеси. Способ включает в себя нагрев печи парового реформинга и генерирование водяного пара в парогенераторе с помощью тепла из высокотемпературного реактора с гелиевым охлаждением при частичной подаче производимого в парогенераторе водяного пара через какую-либо трубу в нефтяное месторождение, отделение метана и других компонентов от отходящей водно-нефтегазовой смеси, предварительный нагрев метана в подогревателе и последующую частичную подачу произведенного в парогенераторе водяного пара и метана в печь парового реформинга с целью превращения метана в водород и оксид углерода.

В документе US 20070181301 описаны система и способ извлечения углеводородных продуктов из горючесланцевого пласта. Способ включает в себя использование источников ядерной энергии для того, чтобы энергия осуществляла раскол горючесланцевых пластов и обеспечивала достаточно тепла и давления для образования жидких и газообразных углеводородных продуктов. Способ включает также этапы извлечения углеводородных продуктов из горючесланцевых пластов.

Для разработки способов и систем для экономичной добычи углеводородов, водорода и/или других продуктов из углеводородсодержащих пластов были приложены значительные усилия. Однако в настоящее время все еще существует много углеводородсодержащих пластов, из которых углеводороды, водород и/или другие продукты экономично добыты быть не могут. В связи с этим существует потребность в улучшенных способах и системах, которые бы снизили энергетические затраты на обработку пласта, снизили выбросы в процессе обработки, облегчили установку нагревательной системы и/или снизили потери тепла на нагрев покрывающего слоя по сравнению со способами добычи углеводородов, в которых используется наземное оборудование.

Раскрытие изобретения

Описанные здесь варианты осуществления изобретения относятся в целом к системам и способам для нагрева подземного пласта. В некоторых вариантах осуществления изобретения предлагаются одна или несколько систем и один или несколько способов для обработки подземного пласта.

В некоторых вариантах осуществления изобретения предлагается система термической обработки in situ для добычи углеводородов из подземного пласта, содержащая: множество стволов скважин в пласте; по меньшей мере один нагреватель, расположенный в по меньшей мере двух стволах скважин; и саморегулирующийся ядерный реактор, выполненный с возможностью подачи энергии к по меньшей мере одному из нагревателей для повышения температуры пласта до уровней, которые позволяют осуществлять добычу углеводородов из пласта.

В некоторых вариантах осуществления изобретения предлагается система термической обработки in situ для добычи углеводородов из подземного пласта, содержащая: множество стволов скважин в пласте; по меньшей мере один нагреватель, расположенный в по меньшей мере двух стволах скважин; и саморегулирующийся ядерный реактор, выполненный с возможностью подачи энергии к по меньшей мере одному из нагревателей для повышения температуры пласта до уровней, которые позволяют осуществлять добычу углеводородов из пласта; при этом ввод тепла в по меньшей мере часть пласта в течение времени по меньшей мере частично соотносится со скоростью затухания саморегулирующегося ядерного реактора.

В некоторых вариантах осуществления изобретения предлагается система термической обработки in situ для добычи углеводородов из подземного пласта, содержащая: множество стволов скважин в пласте; по меньшей мере один нагреватель, расположенный в по меньшей мере двух стволах скважин; и саморегулирующийся ядерный реактор, выполненный с возможностью подачи энергии к по меньшей мере одному из нагревателей для повышения температуры пласта до уровней, которые позволяют осуществлять добычу углеводородов из пласта; при этом расстояние между по меньшей мере частью множества стволов скважин в пласте по меньшей мере частично соотносится со скоростью затухания саморегулирующегося ядерного реактора.

В некоторых вариантах осуществления изобретения предлагается система термической обработки in situ для добычи углеводородов из подземного пласта, содержащая: множество стволов скважин в пласте; по меньшей мере один нагреватель, расположенный в по меньшей мере двух стволах скважин; и саморегулирующийся ядерный реактор, выполненный с возможностью подачи энергии к по меньшей мере одному из нагревателей для повышения температуры пласта до уровней, которые позволяют осуществлять добычу углеводородов из пласта; при этом саморегулирующийся ядерный реактор затухает со скоростью приблизительно 1/Е.

В некоторых вариантах осуществления изобретения способ добычи углеводородов из подземного пласта может осуществляться с помощью описанной здесь системы. В дополнительных вариантах осуществления изобретения признаки из отдельных вариантов осуществления изобретения могут объединяться с признаками из других вариантов осуществления изобретения. Например, признаки из одного варианта осуществления изобретения могут быть объединены с признаками из каких-либо других вариантов осуществления изобретения. В дополнительных вариантах осуществления изобретения обработка подземного пласта проводится с помощью любых из описанных в заявке систем и способов. В дополнительных вариантах осуществления изобретения к конкретным описанным в заявке вариантам осуществления изобретения могут быть добавлены дополнительные признаки.

Краткое описание чертежей

Преимущества настоящего изобретения могут стать очевидными специалистам благодаря приведенному ниже подробному описанию со ссылками на прилагаемые чертежи.

На фиг.1 схематически показан один из вариантов выполнения одной из частей системы термической обработки in situ для обработки углеводородсодержащего пласта;

на фиг.2 - один из вариантов выполнения системы термической обработки in situ, в которой использован ядерный реактор;

на фиг.3 - один из вариантов выполнения системы термической обработки in situ, в которой использованы реакторы с галечным слоем, вид в вертикальном разрезе;

на фиг.4 - один из вариантов выполнения саморегулирующегося ядерного реактора;

на фиг.5 - один из вариантов выполнения системы термической обработки in situ с u-образными стволами скважин с использованием саморегулирующихся ядерных реакторов;

на фиг.6 - зависимость мощности (Вт/м) (ось y) от времени (годы) (ось х), относящаяся к потребностям во вводе энергии для термической обработки in situ;

на фиг.7 - зависимость мощности (Вт/м) (ось y) от времени (дни) (ось х), относящаяся к потребностям во вводе энергии для термической обработки in situ для разных расстояний между стволами скважин;

на фиг.8 - зависимость средней температуры (°С) (ось y) коллектора от времени (дни) (ось х) при термической обработке in situ для разных расстояний между стволами скважин.

Хотя изобретение может иметь различные модификации и альтернативные формы, с помощью приведенного с использованием чертежей примера показаны конкретные варианты его осуществления, которые подробно описаны далее. Чертежи не обязательно масштабированы. Следует, однако, иметь в виду, что чертежи и их подробное описание не рассчитаны на то, чтобы ограничить ими изобретение до конкретной раскрытой формы, а, наоборот, ставилась цель охватить все модификации, эквиваленты и альтернативы, относящиеся к сути и объему настоящего изобретения, определенным в прилагаемой формуле изобретения.

Осуществление изобретения

Следующее ниже описание в целом относится к системам и способам обработки углеводородов в пластах. Такие пласты могут подвергаться обработке с целью получения углеводородных продуктов, водорода и других продуктов.

«АНИ-плотность» обозначает плотность в градусах Американского нефтяного института при 15,5°С (60°F), определяемую согласно методу ASTM Method D6822 или ASTM Method D1298.

«Давление флюида» - это давление, создаваемое каким-либо флюидом в пласте. «Литостатическим давлением» (иногда называемым «литостатическим напряжением») является давление в пласте, равное весу на единицу площади вышележащей массы породы. «Гидростатическим давлением» является давление в пласте, создаваемое столбом воды.

«Пласт» включает в себя один или несколько углеводородсодержащих слоев, один или несколько неуглеводородных слоев, покрывающий слой и/или подстилающий слой. Выражение «углеводородные слои» относится к слоям в пласте, которые содержат углеводороды. Углеводородные слои могут содержать неуглеводородный материал и углеводородный материал. «Покрывающий слой» и/или «подстилающий слой» содержат один или несколько различных непроницаемых материалов. Например, покрывающий слой и/или подстилающий слой могут содержать скальную породу, сланец, аргиллит или влажный/плотный карбонат. В некоторых вариантах осуществления операций термической обработки in situ покрывающий слой и/или подстилающий слой могут включать в себя углеводородсодержащий слой или углеводородсодержащие слои, которые относительно непроницаемы и не подвергаются действию температур во время проведения термической обработки in situ, результатом которой являются значительные изменения характеристик углеводородсодержащих слоев покрывающего слоя и/или подстилающего слоя. Например, подстилающий слой может содержать сланец или аргиллит, но подстилающий слой нельзя нагревать до температур пиролиза в процессе термической обработки in situ. В отдельных случаях покрывающий слой и/или подстилающий слой могут быть до некоторой степени проницаемыми.

Под "пластовыми флюидами" подразумеваются флюиды, которые присутствуют в пласте и могут включать в себя пиролизный флюид, синтез-газ, подвижные углеводороды и воду (водяной пар). Пластовые флюиды могут включать в себя как углеводородные флюиды, так и неуглеводородные флюиды. Выражение "подвижный флюид" относится к флюидам в углеводородсодержащем пласте, которые в результате термической обработки пласта приобрели текучесть. Под "добытыми флюидами" подразумеваются флюиды, извлеченные из пласта.

"Источником тепла" является любая система для подачи тепла в по поменьше мере какую-либо часть пласта в основном путем посредством теплопроводности и/или излучения. Источником тепла могут быть, например, электропроводящие материалы и/или электронагреватели типа изолированного проводника, удлиненного элемента и/или проводника, расположенного в кабелепроводе. Нагревателем могут также быть системы, вырабатывающие тепло за счет сжигания топлива вне пласта или в пласте. Этими системами могут быть наземные горелки, скважинные газовые горелки, беспламенные рассредоточенные камеры сгорания и природные рассредоточенные камеры сгорания. В некоторых вариантах осуществления изобретения тепло, подаваемое в один или несколько источников тепла или произведенное в них, может быть получено от других источников энергии. Другие источники энергии могут нагревать пласт непосредственно, или их энергия может передаваться теплоносителю, который непосредственно или опосредованно нагревает пласт. Следует иметь в виду, что в одном или нескольких источниках тепла, которые доставляют тепло в пласт, могут использоваться различные источники энергии. Так, например, для данного пласта некоторые источники тепла могут подавать тепло от электропроводящих материалов, от электронагревателей сопротивления, некоторые источники тепла могут подавать тепло сгорания, а некоторые источники тепла могут подавать тепло от одного или нескольких других источников энергии (например, химических реакций, солнечной энергии, энергии ветра, биомассы, или других источников возобновляемой энергии). Химической реакцией может быть экзотермическая реакция (например, реакция окисления). Источник тепла может также включать в себя электропроводящий материал или нагреватель, который подает тепло в зону, расположенную вблизи места нагрева, и/или окружающую это место нагрева, такое как нагревательную скважину.

"Нагреватель" представляет собой любую систему или источник тепла, генерирующие тепло в скважине или в области, примыкающей к стволу скважины. Нагревателями могут быть (но не ограничиваясь ими) электронагреватели, горелки, камеры сгорания, которые реагируют с материалом в пласте или материалом, полученным из пласта, и/или их комбинации.

«Тяжелые углеводороды» представляют собой вязкие углеводородные флюиды. Тяжелые углеводороды могут включать в себя высоковязкие углеводородные флюиды, как тяжелая нефть, битум и/или асфальтовый битум. Тяжелые углеводороды могут включать в себя как углерод и водород, так и в меньших концентрациях серу, кислород и азот. В малых количествах в тяжелых углеводородах могут присутствовать и другие элементы. Тяжелые углеводороды могут быть расклассифицированы по АНИ-плотности. Как правило, тяжелые углеводороды имеют АНИ-плотность ниже примерно 20°. Тяжелая нефть, например, обычно имеет АНИ-плотность, равную примерно 10-20°, в то время как битум обычно имеет АНИ-плотность ниже примерно 10°. Как правило, вязкость тяжелых углеводородов выше примерно 100 сПз при 15°С. Тяжелые углеводороды могут включать в себя ароматические и другие сложные циклические углеводороды.

Тяжелые углеводороды могут находиться в относительно проницаемых пластах. Относительно проницаемый пласт может содержать тяжелые углеводороды, увлеченные, например, в песок или в карбонат. «Относительно проницаемым» по отношению к пластам или их частям является пласт, средняя проницаемость которого равна или превышает 10 миллидарси (например, 10 или 100 миллидарси). «Относительно низкая проницаемость» по отношению к пластам или их частям определяется как средняя проницаемость, меньшая примерно 10 миллидарси. Один Дарси равен приблизительно 0,99 мкм². Непроницаемый слой обычно имеет проницаемость меньшую примерно 0,1 миллидарси.

Некоторые типы пластов, которые содержат тяжелые углеводороды, могут также содержать (но не ограничиваясь ими) природные минеральные воски или природные асфальтиты. «Природные минеральные воски» встречаются, как правило, в по существу трубчатых жилах, которые могут иметь несколько метров в ширину, несколько километров в длину и сотни метров в глубину. «Природные асфальтиты» включают в себя твердые углеводороды ароматического состава и обычно встречаются в больших жилах. Извлечение из пластов in situ углеводородов, таких как минеральные воски и природные асфальтиты, может включать плавление с образованием жидких углеводородов и/или растворную добычу углеводородов из пластов.

«Углеводороды» определяются в общем случае как молекулы, образованные преимущественно атомами углерода и водорода. Углеводороды могут также включать в себя и другие элементы, например (но не ограничиваясь ими) галогены, металлические элементы, азот, кислород и/или серу. Углеводородами могут быть (но не ограничиваясь ими) кероген, битум, пиробитум, нефти, природные минеральные воски и асфальтиты. Углеводороды могут находится внутри минеральных матриц в земле или непосредственно вблизи них. Матрицами могут быть (но не ограничиваясь ими) осадочная порода, пески, силицилиты, карбонаты, диатомиты и другие пористые среды. "Углеводородные флюиды" представляют собой флюиды, которые содержат углеводороды. Углеводородные флюиды могут включать, захватывать или быть захваченными неуглеводородными флюидами, например водородом, азотом, оксидом углерода, диоксидом углерода, сероводородом, водой и аммиаком.

«Процесс переработки in situ» представляет собой процесс нагрева углеводородсодержащего пласта от источников тепла с целью повышения температуры по меньшей мере части пласта выше температуры пиролиза, в результате чего в пласте образуется пиролизный флюид.

«Процесс термической обработки in situ» представляет собой процесс нагрева углеводородсодержащего пласта источниками тепла с целью повышения температуры по меньшей мере части пласта выше некоторой температуры, в результате чего образуется подвижный флюид и происходит легкий крекинг и/или пиролиз углеводородсодержащего материала, приводящие к образованию в пласте подвижных флюидов, флюидов, являющихся результатом легкого крекинга, и/или флюидов, являющихся результатом пиролиза.

«Изолированным проводником» называется любой удлиненный материал, который способен проводить электричество и целиком или частично покрыт электроизоляционным материалом.

«Пиролиз» представляет собой разрыв химических связей в результате воздействия теплом. Например, пиролиз может включать в себя превращение какого-либо соединения в одно или несколько других веществ только за счет тепла. Чтобы вызвать пиролиз, тепло может подаваться в какой-либо участок пласта.

Выражение «пиролизные флюиды» или «продукты пиролиза» относится к флюиду, образующемуся главным образом в процессе пиролиза углеводородов. Образующийся в результате пиролизных реакций флюид может смешиваться с другими флюидами в пласте. Такую смесь следует рассматривать как пиролизный флюид или пиролизный продукт. Выражение «зона пиролиза» относится к объему пласта (например, относительно проницаемого пласта такого как пласт битуминозных песков), в котором проведена или проходит реакция с образованием пиролизного флюида.

"Наложение тепла" подразумевает доставку тепла от двух или более источников тепла к выбранному участку пласта таким образом, чтобы источники тепла влияли на температуру пласта в по меньшей мере одном месте между тепловыми источниками.

«Пласт битуминозных песков» - это пласт, в котором углеводороды преимущественно являются тяжелыми углеводородами и/или битумом, захваченными в минеральной зернистой структуре или другой вмещающей породе (например, песке или карбонатной горной породе). Примеры пластов битуминозных песков включают такие пласты как пласты в Атабаске, Гросмонте и на Пис-ривер (все три в штате Альберта, Канада) и пласт Фаха в поясе Ориноко, Венесуэла.

Выражение «толщина» слоя относится к толщине поперечного сечения слоя, которое перпендикулярно лицевой поверхности слоя.

Под «u-образным стволом скважины» понимают ствол скважины, который начинается от первого отверстия в пласте, проходит, по меньшей мере, часть пласта и заканчивается вторым отверстием в пласте. В этом случае форма ствола скважины, который считается «u-образным», может только примерно напоминать буквы «v» или «u», при этом ясно, что «ножки» буквы «u» не обязательно параллельны друг другу или перпендикулярны «нижней части» буквы «u».

«Облагораживание» подразумевает повышение качества углеводородов. Например, облагораживание тяжелых углеводородов может привести к повышению АНИ-плотности тяжелых углеводородов.

Выражение «легкий крекинг» относится к распутыванию молекул во флюиде в процессе термической обработки и/или к разрыву больших молекул на меньшие молекулы при термической обработке, что приводит к снижению вязкости флюида.

Выражение «ствол скважины» относится к отверстию в пласте, выполненному бурением или внедрением в пласт трубопровода. Ствол скважины может иметь в существенной степени круглое поперечное сечение или поперечное сечение какой-либо иной формы. В данном описании выражения «скважина» или «отверстие», относящиеся к отверстию в пласте, могут использоваться взаимозаменяемым образом по отношению к выражению «ствол скважины».

С целью получения множества разных продуктов пласт может обрабатываться различными способами. Для обработки пласта в процессе его термической обработки in situ могут быть использованы разные стадии или операции. В некоторых вариантах осуществления изобретения один или несколько участков пласта разрабатывают с использованием раствора, удаляя из этих участков растворимые минералы. Извлечение минералов в виде раствора может проводиться до, во время и/или после проведения операции термической обработки in situ. В некоторых вариантах осуществления изобретения средняя температура одного или нескольких участков, в которых осуществляют разработку с использованием раствора, может поддерживаться ниже примерно 120°С.

В некоторых вариантах осуществления изобретения один или несколько участков пласта нагревают с целью удаления из них воды и/или для удаления из этих участков метана и других летучих углеводородов. В некоторых вариантах осуществления изобретения во время удаления воды и летучих углеводородов средняя температура может быть повышена от температуры окружающей среды до температуры ниже примерно 220°С.

В некоторых вариантах осуществления изобретения один или несколько участков пласта нагревают до температур, которые обеспечивают движение и/или легкий крекинг углеводородов в пласте. В некоторых вариантах осуществления изобретения среднюю температуру одного или нескольких участков пласта повышают до температур подвижности углеводородов в участках (например, до температуры в пределах от 100 до 250°С, от 120 до 240°С или от 150 до 230°С).

В некоторых вариантах осуществления изобретения один или несколько участков пласта нагревают до температур, которые обеспечивают протекание в пласте пиролизных реакций. В некоторых вариантах осуществления изобретения средняя температура одного или нескольких участков пласта может быть повышена до температур пиролиза углеводородов в этих участках (например, до температур в пределах от 230 до 900°С, от 240 до 400°С или от 250 до 350°С).

Нагрев углеводородсодержащего пласта с помощью множества источников тепла может привести к установлению вокруг источников тепла тепловых градиентов, которые повышают температуру углеводородов в пласте до заданных значений при заданных скоростях нагрева. Скорость повышения температуры в диапазоне температур подвижности и/или в диапазоне температур пиролиза для целевых продуктов может повлиять на качество и количество пластовых флюидов, добываемых из углеводородсодержащего пласта. Медленное повышение температуры пласта в диапазоне температур подвижности и/или в диапазоне температур пиролиза может обеспечить добычу из пласта высококачественных, обладающих высокой АНИ-плотностью углеводородов. Медленное повышение температуры пласта в диапазоне температур подвижности и/или в диапазоне температур пиролиза может обеспечить извлечение в качестве углеводородного продукта большого количества находящихся в пласте углеводородов.

В некоторых вариантах осуществления термической обработки in situ вместо медленного повышения температуры в каком-либо температурном диапазоне одну из частей пласта нагревают до какой-либо заданной температуры. В некоторых вариантах осуществления изобретения заданная температура равна 300, 325 или 350°С. В качестве заданной температуры могут быть выбраны и другие температуры.

Наложение тепла от источников тепла позволяет относительно быстро и эффективно устанавливать в пласте заданную температуру. Чтобы поддерживать температуру в пласте на близком к заданному уровне можно осуществлять корректировку поступления в пласт энергии от источников тепла.

Продукты подвижности и/или пиролиза могут добываться из пласта через добывающие скважины. В некоторых вариантах осуществления изобретения среднюю температуру одного или нескольких участков поднимают до температур подвижности и добывают углеводороды через добывающие скважины. После того как обусловленная подвижностью добыча снизится ниже установленного значения, средняя температура одного или нескольких участков может быть повышена до температур пиролиза. В некоторых вариантах осуществления изобретения температуру одного или нескольких участков повышают до температур пиролиза без проведения при этом добычи в значительном объеме до тех пор, пока не будут достигнуты температуры пиролиза. Пластовые флюиды, включая продукты пиролиза, могут добываться через добывающие скважины.

В некоторых вариантах осуществления изобретения средняя температура одного или нескольких участков может быть повышена до температур, достаточных для того, чтобы обеспечить добычу синтез-газа после придания подвижности и/или осуществления пиролиза. В некоторых вариантах осуществления изобретения температура углеводородов может быть повышена в достаточной степени для того, чтобы обеспечить образование синтез-газа без проведения при этом добычи в значительном объеме до тех пор, пока не будут достигнуты температуры, достаточные для обеспечения образования синтез-газа. Например, синтез-газ может образовываться в пределах температур от примерно 400 до примерно 1200°С, от примерно 500 до примерно 1100°С или от примерно 550 до примерно 1000°С. Образующий синтез-газ флюид (например, водяной пар и/или воду) можно вводить в участки пласта для генерирования там синтез-газа. Добыча синтез-газа может осуществляться через добывающие скважины.

Добыча с помощью раствора, извлечение летучих углеводородов и воды, придание подвижности углеводородам, пиролиз углеводородов, генерирование синтез-газа и/или другие операции могут проводиться во время процесса термической обработки in situ. В некоторых вариантах осуществления изобретения некоторые операции могут проводиться после процесса термической обработки in situ. В число таких операций могут входить (но не ограничиваясь ими) рекуперация тепла из обработанных участках, хранение флюидов (например, воды и/или углеводородов) в предварительно обработанных участках и/или связывание диоксида углерода в предварительно обработанных участках.

На фиг.1 приведен схематический вид одного из вариантов выполнения части системы термической обработки in situ для обработки углеводородсодержащего пласта. Система термической обработки in situ может включать в себя барьерные скважины 100. Барьерные скважины используются для создания барьера вокруг обрабатываемого участка. Барьер препятствует потоку флюидов к обрабатываемому участку и/или из него. Барьерными скважинами могут быть (но не ограничиваются ими) обезвоживающие скважины, вакуумные скважины, захватывающие скважины, нагнетательные скважины, растворные скважины, замораживающие скважины или их комбинации. В некоторых вариантах осуществления изобретения барьерными скважинами 100 являются обезвоживающие скважины. Обезвоживающие скважины могут удалять жидкую воду и/или препятствовать поступлению жидкой воды в часть предназначенного для нагрева пласта или в нагреваемый пласт. В приведенном на фиг.1 варианте осуществления изобретения барьерные скважины 100 показаны проходящими только вдоль одной стороны источников тепла 102, но, как правило, барьерные скважины опоясывают все используемые или предназначенные для использования источники 102 тепла для нагрева обрабатываемого участка пласта.

Источники 102 тепла помещают в по меньшей мере часть пласта. Источниками 102 тепла могут быть электропроводящие материалы. В некоторых вариантах осуществления изобретения нагревателями являются изолированные проводники, нагреватели типа проводников в каналах, наземные горелки, беспламенные рассредоточенные камеры сгорания и/или природные рассредоточенные камеры сгорания. Источниками 102 тепла могут быть и другие типы нагревателей. Для нагрева углеводородов в пласте источники 102 тепла подают тепло по меньшей мере к части пласта. Энергия может подводиться к источникам 102 тепла по подводящим линиям 104. Подводящие линии 104 могут быть структурно различными в зависимости от типа используемого для нагревания пласта источника тепла или источников тепла. Подводящие линии 104 для источников тепла могут пропускать электричество для электропроводящих материалов или электронагревателей, могут транспортировать топливо для камер сгорания, либо же могут переносить циркулирующий в пласте теплоноситель. В некоторых вариантах осуществления изобретения электричество для операции термической обработки in situ может подаваться от атомной электростанции или от атомных электростанций. Использование энергии атомных электростанций позволяет снизить или исключить выбросы диоксида углерода в процессе термической обработки in situ.

Нагревание пласта может приводить к некоторому увеличению проницаемости и/или пористости пласта. Увеличение проницаемости и/или пористости может быть обусловлено уменьшением массы в пласте в результате испарения и удаления воды, удаления углеводородов и/или образования трещин. Благодаря повышенной проницаемости и/или пористости пласта течение флюида в нагретой части пласта облегчается. Благодаря повышенной проницаемости и/или пористости флюид в нагретой части пласта может перемещаться через пласт на значительное расстояние. Это значительное расстояние может превышать 1000 м в зависимости от различных факторов, таких как проницаемость пласта, свойства флюида, температура пласта и перепад давления, обеспечивающий перемещение флюида. Способность флюида перемещаться на значительное расстояние в пласте позволяет располагать добывающие скважины 106 в пласте на относительно большом расстоянии одна от другой.

Добывающие скважины 106 используются для вывода из пласта пластового флюида. В некоторых вариантах осуществления изобретения добывающая скважина 106 включает в себя какой-либо источник тепла. Источник тепла в добывающей скважине может нагревать одну или несколько частей пласта в добывающей скважине или вблизи нее. В некоторых вариантах осуществления процесса обработки in situ количество тепла, подаваемого в пласт от добывающей скважины с одного метра добывающей скважины, меньше количества тепла, подаваемого в пласт источником тепла, который нагревает пласт, в расчете на один метр источника тепла. Воздействующее на пласт тепло из добывающей скважины может повысить проницаемость пласта вблизи добывающей скважины в результате испарения и удаления жидкофазного флюида вблизи добывающей скважины и/или повысить проницаемость пласта вблизи добывающей скважины в результате образования макро- и/или микротрещин.

В некоторых вариантах осуществления изобретения источник тепла в добывающей скважине 106 позволяет извлекать из пласта паровую фазу пластовых флюидов. Подвод теплоты к добывающей скважине или через добывающую скважину может: (1) препятствовать конденсации и/или обратному потоку добываемого флюида, когда такой добываемый флюид перемещается по направлению к добывающей скважине вблизи покрывающего слоя, (2) увеличить подвод теплоты в пласт, (3) увеличить темп добычи для добывающей скважины по сравнению с добывающей скважиной без источника тепла, (4) препятствовать конденсации соединений с большим количеством атомов углерода (С₆ и больше) в добывающей скважине и/или (5) увеличить проницаемость пласта в добывающей скважине или рядом с ней.

Подземное давление в пласте может соответствовать создаваемому в пласте давлению флюида. При повышении температур в нагретой части пласта давление в нагретой части может возрастать в результате теплового расширения флюидов, повышенного образования флюидов и испарения воды. Регулирование скорости вывода флюидов из пласта может позволить контролировать давление в пласте. Давление в пласте может определяться в нескольких разных точках, вблизи или в самих добывающих скважинах, вблизи или в самих источниках тепла, или в мониторинговых скважинах.

В некоторых углеводородсодержащих пластах добычу углеводородов из пласта задерживают до тех пор, пока по меньшей мере некоторая часть углеводородов в пласте не окажется подвижной и/или не подвергнется пиролизу. Пластовый флюид можно добывать из пласта тогда, когда пластовый флюид обладает заданным качеством. В некоторых вариантах осуществления изобретения заданным качеством является АНИ-плотность, равная по меньшей мере примерно 20, 30 или 40°. Задержка добычи до тех пор, пока по меньшей мере некоторая часть углеводородов не окажется подвижной и/или не подвергнется пиролизу, может повысить превращение тяжелых углеводородов в легкие углеводороды. Задержка начала добычи может минимизировать добычу из пласта тяжелых углеводородов. Добыча значительных количеств тяжелых углеводородов могла бы потребовать дорогостоящего оборудования и/или уменьшить срок службы добывающего оборудования.

В некоторых вариантах осуществления изобретения допускается повышение давления, возникающего в результате расширения подвижных флюидов, пиролизных флюидов или других образовавшихся в пласте флюидов, хотя открытый путь к добывающим скважинам 106 или к какому-либо другому сбрасывающему давление участку в пласте может еще не существовать. Можно допустить повышение давления до уровня литостатического давления. Трещины в углеводородсодержащем пласте могут образоваться тогда, когда давление флюида приближается к литостатическому давлению. Трещины могут появляться, например, в направлении от источников 102 тепла в нагреваемой части пласта к добывающим скважинам. Возникновение трещин в нагретой части может частично снижать давление в этой части. Чтобы помешать нежелательной добыче, растрескиванию покрывающего слоя или подстилающего слоя и/или коксованию углеводородов в пласте, может оказаться необходимым поддерживать давление в пласте ниже заданного уровня.

После достижения температур подвижности и/или пиролиза и начала добычи из пласта давление в пласте можно менять с целью изменения и/или изменения состава добываемого пластового флюида, регулирования содержания конденсируемого флюида по отношению к неконденсируемому флюиду в пластовом флюиде и/или регулирования АНИ-плотности добываемого пластового флюида. Например, снижение давления может повлечь за собой добычу большего количества конденсируемого компонента флюида. Конденсируемый компонент флюида может иметь более высокое содержание олефинов.

В некоторых вариантах осуществления операции термической обработки in situ давление в пласте можно поддерживать достаточно высоким, чтобы стимулировать добычу пластового флюида с АНИ-плотностью выше 20°. Поддержание повышенного давления в пласте может препятствовать оседанию пласта во время термической обработки in situ. Поддержание повышенного давления может уменьшить или исключить необходимость сжатия пластовых флюидов на поверхности перед отправкой этих флюидов в сборных трубопроводах на обрабатывающие устройства.

Неожиданным образом оказалось, что поддержание повышенного давления в нагретой части пласта может позволить добывать большие количества углеводородов повышенного качества с относительно низким молекулярным весом. Можно поддерживать такое давление, при котором добываемый пластовый флюид содержал бы минимальное количество соединений с числом атомов углерода, большим заданного. Заданное число атомов углерода может быть в пределах до 25, до 20, до 12 или до 8. Некоторое количество соединений с большим числом атомов углерода может быть захвачено паром в пласте и вынесено с паром из пласта. Поддержание повышенного давления в пласте может препятствовать вынесению паром соединений с большим числом атомов углерода и/или многоядерных углеводородных соединений. Соединения с большим числом атомов углерода и/или многоядерные углеводородные соединения могут оставаться в жидкой фазе в пласте в течение значительных периодов времени. Эти значительные периоды времени могут обеспечить соединениям достаточно времени для того, чтобы они были подвергнуты пиролизу с образованием соединений с меньшим числом атомов углерода.

Пластовый флюид, добываемый из добывающих скважин 106, может транспортироваться по сборному трубопроводу 108 к обрабатывающим устройствам 110. Пластовые флюиды могут также выводиться из источников 102 тепла. Флюид может выводиться из источников 102 тепла, например, с целью регулирования давления в пласте вблизи источников тепла. Флюид, выводимый из источников 102 тепла, может транспортироваться по трубопроводу или системе труб непосредственно к обрабатывающим устройствам 110. В число обрабатывающих устройств 110 могут входить разделительные установки, реакционные установки, облагораживающие установки, топливные элементы, турбины, резервуары-хранилища и/или другие системы и установки для переработки добываемых пластовых флюидов. На обрабатывающих устройствах может производиться моторное топливо из по меньшей мере части добываемых из пласта углеводородов. В некоторых вариантах осуществления изобретения моторным топливом может быть ракетное топливо типа JP-8.

В некоторых вариантах осуществления изобретения источники тепла, источники энергии для источников тепла, добывающее оборудование, подающие линии и/или другую вспомогательную аппаратуру для источников тепла или добычи помещают в туннели, чтобы иметь возможность использовать для обработки пласта меньшие по размерам источники тепла и/или меньшее по размерам оборудование. Расположение этого оборудования и/или конструкций в туннелях может также снизить энергозатраты для обработки пласта, снизить выбросы в процессе обработки, облегчить установку нагревательной системы и/или снизить потери тепла на нагрев покрывающего слоя по сравнению со способами добычи углеводородов, в которых используется наземное оборудование.

В некоторых вариантах осуществления изобретения для нагрева теплоносителя, используемого в циркуляционной системе для нагрева пласта, используется атомная энергия. Источником атомной энергии может быть ядерный реактор, такой как реактор с галечным слоем, реактор на легкой воде или реактор на делящихся гидридах металлов. Использование атомной энергии обеспечивает уменьшение выбросов диоксида углерода или их отсутствие. В некоторых вариантах осуществления изобретения использование атомной энергии является более эффективным благодаря тому, что при непосредственном использовании тепла, производимого в ядерных реакциях без производства электричества, исключаются потери энергии, обусловленные превращением тепла в электричество и электричества в тепло.

В некоторых вариантах осуществления изобретения ядерный реактор нагревает теплоноситель, такой как гелий. Например, гелий протекает через реактор с галечным слоем, и тепло переносится к гелию. Гелий может быть использован в качестве теплоносителя для нагрева пласта. В некоторых вариантах осуществления изобретения ядерный реактор нагревает гелий, а гелий пропускается через теплообменник для передачи тепла какому-либо другому теплоносителю, используемому для нагрева пласта. Ядерный реактор может включать в себя герметичную емкость, в которой содержится инкапсулированное топливо на основе обогащенного диоксида урана. Тепло может передаваться в теплообменнике от гелия к теплоносителю, используемому в циркуляционной системе. Используемым в циркуляционной системе теплоносителем может быть диоксид углерода, расплавленная соль или другие текучие среды. Естественно, возможно, что теплоноситель, в действительности, при определенных температурах может не быть текучей средой. Теплоноситель может обладать многими свойствами твердого вещества при более низких температурах и текучей среды при более высоких температурах. Системы реактора с галечным слоем являются доступными, например от PBMR Ltd (Centurion, Южная Африка).

На фиг.2 схематически показана система, в которой для нагрева обрабатываемого участка 200 используется атомная энергия. Эта система может включать в себя средство 202 перемещения газа для гелиевой системы, ядерный реактор 204, теплообменный блок 206 и средство 208 перемещения теплоносителя. Средство 202 перемещения газа для гелиевой системы может вдувать, перекачивать или сжимать нагретый гелий, поступающий из ядерного реактора 204, для нагрева теплообменного блока 206. Гелий из теплообменного блока 206 может проходить через средство 202 перемещения газа для гелиевой системы к ядерному реактору 204. Гелий из ядерного реактора 204 может иметь температуру от примерно 900 до примерно 1000°С. Гелий из средства перемещения 202 газа может иметь температуру от примерно 500 до примерно 600°С. Средство 208 перемещения теплоносителя может засасывать теплоноситель из теплообменного блока 206 через обрабатываемый участок 200. Теплоноситель может проходить через средство 208 перемещения теплоносителя с целью нагрева теплообменного блока 206. Теплоносителем могут быть диоксид углерода, расплавленная соль и/или какие-либо другие текучие среды. Теплоноситель после выхода из теплообменного блока 206 может иметь температуру от примерно 850 до примерно 950°С.

В некоторых вариантах осуществления изобретения система включает в себя вспомогательную силовую установку 210. В некоторых вариантах осуществления изобретения вспомогательная силовая установка 210 генерирует энергию при проходе гелия из теплообменного блока 206 через генератор для выработки электричества. Гелий может быть направлен в один или несколько компрессоров и/или теплообменников для регулирования давления и температуры гелия перед тем, как гелий будет направлен в ядерный реактор 204. В некоторых вариантах осуществления изобретения вспомогательная силовая установка 210 генерирует энергию с использованием теплоносителя (например, аммиака или аммиачной воды). Гелий из теплообменного блока 206 может направляться в дополнительные теплообменные блоки для переноса тепла к теплоносителю. Теплоноситель может проходить по силовому циклу (такому как цикл Калины) для генерирования электроэнергии. В одном из вариантов осуществления изобретения ядерный реактор 204 представляет собой 400-мегаваттный реактор, а вспомогательная силовая установка 210 генерирует примерно 30 МВт электроэнергии.

На фиг.3 схематически показан вид в вертикальном разрезе компоновки для процесса термической обработки in situ. Стволы скважин (которые могут быть U-образными или иметь иные формы) могут быть образованы в пласте, определяя тем самым участки 200А, 200В, 200С, 200D для обработки. Дополнительные участки для обработки могли бы быть образованы по сторонам показанных участков для обработки. Обрабатываемые участки 200А, 200В, 200С, 200D могут иметь ширину более 300 м, 500 м, 1000 м или 1500 м. Скважинные выходы и входы для стволов скважин могут быть образованы на участке 212 отверстий скважин. По сторонам обрабатываемых участков 200 могут быть уложены рельсовые линии 214. В конце рельсовых линий 214 могут быть расположены склады, административные помещения и/или складские помещения для отработанного топлива. Вдоль ответвлений от рельсовых линий 214 через промежутки могут быть установлены производственные объекты 216. В число производственных объектов могут входить ядерный реактор, компрессоры, теплообменные блоки и/или другое оборудование, необходимое для направления теплоносителя к стволам скважин. В число производственных объектов 216 могут также входить наземные установки для обработки добытого из пласта пластового флюида. В некоторых вариантах осуществления изобретения теплоноситель, приготовляемый на установке 216', может быть повторно нагрет в реакторе на установке 216'' после его пропускания через обрабатываемый участок 200А. В некоторых вариантах осуществления изобретения каждый производственный объект 216 используется для подачи горячей обработочной текучей среды к скважинам в одной половине обрабатываемого участка 200, примыкающего к этому производственному объекту. Производственные объекты 216 могут перемещаться по рельсам к другому участку для производственных объектов после завершения добычи из обрабатываемого участка.

В некоторых вариантах осуществления изобретения атомную энергию используют для непосредственного нагрева подземного пласта. Частью подземного пласта может быть часть углеводородного обрабатываемого участка. Вместо использования ядерной установки для нагрева теплоносителя, который затем подается в подземный пласт с целью нагрева подземного пласта, под землю могут быть помещены один или несколько саморегулирующихся ядерных нагревателей для непосредственного нагрева подземного пласта. Саморегулирующийся ядерный реактор может быть помещен в один или несколько туннелей или вблизи них.

В некоторых вариантах осуществления изобретения для обработки пласта необходим нагрев пласта до заданного начального верхнего диапазона (например, от 250 до 350°С). После нагрева подземного пласта до заданного температурного диапазона температуру можно поддерживать в этом диапазоне в течение заданного времени (например, до определенной степени пиролиза углеводородов или до достижения средней температурой в пласте выбранного значения). По мере повышения температуры пласта температура нагревателя может постепенно снижаться в течение некоторого периода времени. В настоящее время некоторые описываемые здесь ядерные реакторы (например, реакторы с галечным слоем) достигают после активации присущего им предела выходных температур, равного примерно 900°С, затухая позднее по мере истощения уранового (урана-235) топлива, что ведет к понижению с течением времени температур в нагревателе. Кривая естественной выходной мощности в некоторых ядерных реакторах (например, реакторов с галечным слоем) может быть использована для некоторых подземных пластов с целью обеспечения заданного набора параметров зависимости нагрева от времени.

В некоторых вариантах осуществления изобретения атомная энергия подается с помощью саморегулирующегося ядерного реактора (например, реактора с галечным слоем или реактора на делящихся гидридах металлов). Саморегулирующийся ядерный реактор не может превышать определенной температуры, зависящей от его конструкции. Саморегулирующийся ядерный реактор может быть довольно компактным по сравнению с традиционными ядерными реакторами. Саморегулирующийся ядерный реактор может, например, иметь размер 2 м, 3 м или 5 м и даже меньше. Саморегулирующийся ядерный реактор может быть модульным.

На фиг.4 схематически показан саморегулирующийся ядерный реактор 218. В некоторых вариантах осуществления изобретения саморегулирующийся ядерный реактор содержит делящийся гидрид металла 220. Делящийся гидрид металла может выполнять как функцию топлива для ядерной реакции, так и функцию замедлителя для ядерной реакции. Активная зона ядерного реактора может содержать металлогидридный материал. Усиливаемая температурой подвижность содержащегося в гидриде изотопа водорода может выполнять роль регулятора ядерной реакции. Если температура повышается сверх точки, установленной для активной зоны 222 саморегулирующегося ядерного реактора 218, изотоп водорода диссоциирует от гидрида и выходит за пределы активной зоны, в результате чего производство энергии снижается. Если температура активной зоны снижается, изотоп водорода повторно ассоциируется с делящимся гидридом металла, оказывая обратный эффект на процесс. В некоторых вариантах осуществления изобретения делящийся гидрид металла может быть в порошкообразной форме, которая позволяет водороду легче проникать через делящийся гидрид металла.

Благодаря своей базовой конструкции ядерный реактор может содержать мало движущихся деталей, связанных с регулированием самой ядерной реакции, или вообще не содержать их. Малый размер и простая конструкция саморегулирующегося ядерного реактора может иметь отчетливые преимущества, в частности по сравнению с традиционными промышленными ядерными реакторами, широко используемыми в настоящее время во всем мире. Эти преимущества могут включать в себя относительно легкое изготовление, транспортабельность, надежность, безопасность и финансовую реализуемость. Компактная конструкция саморегулирующихся ядерных реакторов может позволить осуществлять их изготовление на одном предприятии и транспортировку их к месту применения, например к углеводородсодержащему пласту. После привоза и монтажа саморегулирующегося ядерного реактора он может быть активирован.

Саморегулирующиеся ядерные реакторы могут производить тепловую энергию порядка десятков мегаватт на одну установку. На углеводородсодержащем пласте могут быть использованы два или более саморегулирующихся ядерных реакторов. Саморегулирующиеся ядерные реакторы могут работать при температуре топлива в пределах от примерно 450 до примерно 900°С, от примерно 500 до примерно 800°С или от примерно 550 до примерно 650°С. Рабочая температура может быть в пределах от 550 до 600°С. Рабочая температура может быть в пределах от 500 до 650°С.

Саморегулирующиеся ядерные реакторы могут включать в себя энергоотводящую систему 224 в активной зоне 222. Энергоотводящая система может содержать теплоноситель, который циркулирует через систему труб 224А и 224В. По меньшей мере часть труб может размещаться в активной зоне ядерного реактора. Система циркуляции текучей среды может работать так, чтобы через систему труб непрерывно циркулировала текучая среда. Плотность размещения и объем размещенной в активной зоне системы труб может зависеть от обогащения делящегося гидрида металла.

В некоторых вариантах осуществления изобретения энергоотводящая система содержит тепловые трубы из щелочного металла (например, калия). Тепловые трубы могут дополнительно упростить саморегулирующийся ядерный реактор, устраняя необходимость в механических насосах для перемещения текучей среды через активную зону. Любое упрощение саморегулирующегося ядерного реактора может снижать риск каких-либо нарушений работы и увеличивает безопасность ядерного реактора. Энергоотводящая система может включать в себя связанный с тепловыми трубами теплообменник. Теплоносители могут переносить тепловую энергию из теплообменника.

Размеры ядерного реактора могут определяться обогащением делящегося гидрида металла. Ядерные реакторы с более высоким обогащением являются реакторами относительно меньшего размера. Подходящие размеры могут в конечном счете определяться конкретными техническими характеристиками углеводородсодержащего пласта и потребностями пласта в энергии. В некоторых вариантах осуществления изобретения делящийся гидрид металла разбавляется воспроизводящим гидридом металла. Воспроизводящий гидрид металла может быть получен из изотопа, отличного от делящейся части. Делящийся гидрид металла может включать в себя делящийся гидрид U²³⁵, а воспроизводящий гидрид может включать в себя изотоп U²³⁸. В некоторых вариантах осуществления изобретения активная зона ядерного реактора может содержать ядерное топливо, образованное из примерно 5% U²³⁵ и примерно 95% U ²³⁸.

Для работы пригодны также и другие комбинации делящихся гидридов. Делящийся гидрид металла может включать в себя плутоний. Низкая температура плавления плутония (примерно 640°С) делает частицы гидрида менее привлекательными в качестве реакторного топлива для подачи энергии на парогенератор, но может быть полезной в других применениях, где требуются более низкие температуры реактора. Делящийся гидрид металла может включать в себя гидрид тория. Торий позволяет реактору работать при более высокой температуре благодаря своей высокой температуре плавления (примерно 1775°С). В некоторых вариантах осуществления изобретения для получения различных параметров выработки энергии используются различные комбинации делящихся гидридов металлов.

В некоторых вариантах осуществления изобретения ядерный реактор 218 может включать в себя один или несколько резервуаров-хранилищ 226 для водорода. Резервуар-хранилище для водорода может содержать один или несколько неделящихся поглощающих водород материалов для абсорбции водорода, выбрасываемого из активной зоны. Неделящийся поглощающий водород материал может включать неделящийся изотоп гидрида активной зоны. Неделящийся поглощающий водород материал может обладать давлением диссоциации гидрида, близким к давлению диссоциации гидрида делящегося материала.

Активная зона 222 и резервуары-хранилища 226 для водорода могут быть разделены изоляционным слоем 228. Изоляционный слой выполнять функцию отражателя нейтронов для уменьшения утечки нейтронов из активной зоны. Изоляционный слой может уменьшать выделение тепла Пельтье. Изоляционный слой может защищать резервуары-хранилища для водорода от нагрева со стороны активной зоны реактора (например, путем радиационного нагрева или конвекционного нагрева от газа внутри камеры).

Эффективная температура в стационарном режиме активной зоны может регулироваться давлением окружающего водорода. Давление окружающего водорода может регулироваться температурой, при которой выдерживается материал, поглощающий неделящийся водород. Температура делящегося гидрида металла может не зависеть от количества извлекаемой энергии. Выход энергии может зависеть от способности системы извлечения энергии извлекать мощность из ядерного реактора.

Газообразный водород в активной зоне реактора может контролироваться на чистоту и периодически подвергаться восстановлению давления для поддержания нужного количества и содержания изотопов. В некоторых вариантах осуществления изобретения газообразный водород поддерживается в состоянии доступа в активную зону ядерного реактора через одну или несколько труб (например, труб 230А и 230В). Температура саморегулирующегося ядерного реактора может регулироваться путем регулирования давления водорода, подаваемого в саморегулирующийся ядерный реактор. Давление можно регулировать по температуре теплоносителя в одной или нескольких точках (например, в точке, где теплоноситель поступает в один или несколько стволов скважин).

В некоторых вариантах осуществления изобретения протекающая в саморегулирующемся ядерном реакторе ядерная реакция может регулироваться введением нейтронопоглощающего газа. Нейтронопоглощающий газ в достаточных количествах может охладить ядерную реакцию в саморегулирующемся ядерном реакторе (снижая в конечном итоге температуру реактора до температуры окружающей среды). Нейтронопоглощающие газы могут содержать ксенон ¹³⁵.

В некоторых вариантах осуществления изобретения ядерная реакция активированного саморегулирующегося ядерного реактора регулируется с помощью регулирующих стержней. Регулирующие стержни могут размещаться по меньшей мере частично в по меньшей мере части активной зоны саморегулирующегося ядерного реактора. Регулирующие стержни могут быть выполнены из одного или нескольких нейтронопоглощающих материалов. Нейтронопоглощающими материалами могут быть (но не ограничиваясь ими) серебро, индий, кадмий, бор, кобальт, гафний, диспрозий, гадолиний, самарий и европий.

В настоящее время описываемые в заявке саморегулирующиеся ядерные реакторы достигают после активации естественного предела теплового выхода, равного приблизительно 900°С, затухая впоследствии по мере расхода топлива. Кривая естественной выходной мощности саморегулирующихся ядерных реакторов может быть использована для обеспечения заданного временного профиля нагрева для определенных подземных пластов.

В некоторых вариантах осуществления изобретения саморегулирующиеся ядерные реакторы могут обладать естественным выходом энергии, который затухает со скоростью 1/Е (Е иногда называют числом Эйлера, и оно равно приблизительно 2,71828). В некоторых вариантах осуществления изобретения саморегулирующиеся ядерные реакторы могут обладать естественным выходом энергии, который затухает до 1/Е от начальной мощности в течение периода времени от примерно 4 до примерно 8 лет. Как правило, когда пласт нагрет до заданной температуры, потребность в тепле уменьшается, и объем тепловой энергии, подаваемой в пласт для его нагрева, с течением времени уменьшается. В некоторых вариантах осуществления изобретения подача тепла в по меньшей мере часть пласта в течение некоторого времени приблизительно соотносится со скоростью затухания мощности из саморегулирующегося ядерного реактора. С учетом естественного затухания по меньшей мере части саморегулирующихся ядерных реакторов нагревательные системы могут конструироваться таким образом, чтобы в нагревательных системах использовалось преимущество естественной скорости затухания мощности из ядерного реактора. Нагревательные системы включают в себя, как правило, два или более нагревателей. Нагреватели, как правило, помещают в расположенные по всему пласту стволы скважин. Стволами скважин могут быть, например, U-образные и L-образные стволы скважин или стволы скважин иной формы. В некоторых вариантах осуществления изобретения расстояние между стволами скважин определяют на основании скорости затухания выходной мощности саморегулирующихся ядерных реакторов.

Саморегулирующийся ядерный реактор может вначале подавать по меньшей мере к части стволов скважин выходную мощность примерно 900 Вт/м, которая вслед за этим падает в течение предопределенного периода времени до примерно 360 Вт/м. Предопределенный период времени может быть определен типом самого саморегулирующегося ядерного реактора (например, топливом, используемым в активной зоне ядерного реактора, а также обогащением этого топлива). Естественное снижение выходной мощности может соответствовать временной зависимости ввода энергии в пласт. Любую переменную (например, выходную мощность и/или ввод энергии) можно регулировать таким образом, чтобы обе переменные по меньшей мере приблизительно соотносились или соответствовали одна другой. Саморегулирующийся ядерный реактор может быть рассчитан на затухание в течение периода 4-9 лет, 5-7 лет или примерно 7 лет. Период затухания саморегулирующегося ядерного реактора может соответствовать нагревательному циклу IUP (процессу облагораживания in situ) и/или ICP (процессу конверсии in situ).

В некоторых вариантах осуществления изобретения расстояние между стволами скважин нагревателя зависит от скорости затухания одного или нескольких ядерных реакторов, используемых для подачи энергии. В некоторых вариантах осуществления изобретения расстояние между стволами скважин нагревателя составляет от примерно 8 до примерно 11 м, от примерно 9 до примерно 10 м или от примерно 9,4 до примерно 9,8 м.

В некоторых ситуациях может оказаться целесообразным продолжать поддерживать какой-либо конкретный уровень выходной мощности саморегулирующегося ядерного реактора на более длительный период по сравнению с тем периодом, который могло бы обеспечить естественное затухание топливного материала. В некоторых вариантах осуществления изобретения, чтобы сохранять уровень выхода энергии в заданном интервале, к пласту в процессе его обработки (например, нагрева) может быть подключен второй саморегулирующийся ядерный реактор. Второй саморегулирующийся ядерный реактор может в некоторых случаях иметь затухшую выходную мощность. Выходная мощность второго реактора может быть уже пониженной в результате предшествующей эксплуатации. Выходная мощность двух саморегулирующихся ядерных реакторов может быть в существенной степени эквивалентна начальной выходной мощности первого саморегулирующегося ядерного реактора и/или заданной выходной мощности. Дополнительные саморегулирующиеся ядерные реакторы могут подключаться к пласту по мере необходимости для достижения желаемой выходной мощности. Такого рода система может благоприятным образом увеличивать эффективный полезный срок службы саморегулирующихся ядерных реакторов.

Эффективный полезный срок службы саморегулирующихся ядерных реакторов может быть растянут путем использования тепловой энергии, вырабатываемой ядерным реактором для производства водяного пара, для чего в зависимости от пласта и/или применяемых систем может требоваться намного меньше тепловой энергии, чем для других упомянутых в заявке применений. Водяной пар может использоваться для ряда целей, в том числе (не ограничиваясь ими) для производства электроэнергии, производства водорода на месте, превращения углеводородов и/или облагораживания углеводородов. Углеводороды могут превращаться и/или мобилизоваться in situ с помощью закачки в пласт производимого водяного пара.

Продуктовый поток (например, поток содержащий метан, углеводороды и/или тяжелые углеводороды) может добываться из пласта, нагретого с помощью теплоносителей, которые нагреваются ядерным реактором. Водяной пар, производимый с помощью тепла, генерируемого ядерным реактором или вторым ядерным реактором, может быть использован для реформинга по меньшей мере части продуктового потока. Продуктовый поток может быть реформирован для получения по меньшей мере некоторого количества молекулярного водорода.

Молекулярный водород может использоваться для облагораживания по меньшей мере части продуктового потока. Молекулярный водород может закачиваться в пласт. Продуктовый поток может получаться с помощью наземного процесса облагораживания. Продуктовый поток может получаться с использованием способа термической обработки in situ. Продуктовый поток может получаться с использованием способа подземного нагрева водяным паром.

По меньшей мере часть водяного пара может закачиваться в подземный паронагревательный процесс. По меньшей мере некоторое количество водяного пара может быть использовано для реформинга метана. По меньшей мере часть углеводородов в пласте может быть мобилизована с помощью водяного пара и/или тепла от водяного пара.

В некоторых вариантах осуществления изобретения саморегулирующиеся ядерные реакторы могут использоваться для производства электроэнергии (например, с помощью приводимых в действие водяным паром турбин). Электроэнергия может использоваться для любых применений, в которых обычно используется электроэнергия. Конкретно, электроэнергия может использоваться для применений, связанных с требующими энергии процессами термической обработки in situ. Электроэнергия от саморегулирующихся ядерных реакторов может использоваться для подачи энергии к скважинным электронагревателям. Электроэнергия может использоваться для охлаждения текучей среды с целью создания низкотемпературного барьера (замороженного барьера) вокруг обрабатываемых участков и/или подачи электроэнергии к обрабатывающим установкам, расположенным на участке процесса термической обработки in situ или вблизи него. В некоторых вариантах осуществления изобретения производимая ядерными реакторами электроэнергия используется для резистивного нагрева трубопроводов, используемых для циркуляции теплоносителя через обрабатываемый участок. В некоторых вариантах осуществления изобретения атомная энергия используется для генерирования электроэнергии, которая приводит в действие компрессоры и/или насосы (компрессоры/насосы производят сжатые газы (такие как окислительная текучая среда и/или топливо для ряда предназначенных для окисления агрегатов) для обрабатываемого участка), необходимые для процесса термической обработки in situ. Значительные расходы в процессе термической обработки in situ могут быть связаны с эксплуатацией компрессоров и/или насосов на всем протяжении процесса термической обработки in situ, если для приведения в действие компрессоров и/или насосов в процессе термической обработки in situ используются традиционные источники электрической энергии.

Превращение тепла от саморегулирующихся ядерных реакторов в электричество не обязательно должно быть наиболее эффективным использованием тепловой энергии, производимой ядерными реакторами. В некоторых вариантах осуществления изобретения производимая саморегулирующимися ядерными реакторами тепловая энергия используется для непосредственного нагрева частей пласта. В некоторых вариантах осуществления изобретения один или несколько саморегулирующихся ядерных реакторов помещаются под землю в пласт таким образом, чтобы производимая тепловая энергия непосредственно нагревала по меньшей мере часть пласта. Один или несколько саморегулирующихся ядерных реакторов могут быть помещены в подземный пласт под покрывающим слоем так, чтобы повысить эффективное использование производимой саморегулирующимися ядерными реакторами тепловой энергии. В целях дополнительной защиты помещенные под землю саморегулирующиеся ядерные реакторы могут быть заключены внутрь оболочечного материала. Например, помещенные под землю саморегулирующиеся ядерные реакторы могут быть заключены в бетонный контейнер.

В некоторых вариантах осуществления изобретения производимая саморегулирующимися ядерными реакторами тепловая энергия может отводиться с использованием теплоносителей. Производимая саморегулирующимися ядерными реакторами тепловая энергия может передаваться на часть пласта и распределяться по ней с помощью теплоносителей. Теплоносители могут циркулировать по системе труб энергоотводящей системы саморегулирующегося ядерного реактора. При циркуляции теплоносителей в и по активной зоне саморегулирующегося ядерного реактора производимое ядерной реакцией тепло нагревает теплоносители.

В некоторых вариантах осуществления изобретения для переноса производимой саморегулирующимися ядерными реакторами тепловой энергии могут использоваться два или более теплоносителей. Первый теплоноситель может циркулировать по системе труб энергоотводящей системы саморегулирующегося ядерного реактора. Первый теплоноситель может проходить через теплообменник и использоваться для нагрева второго теплоносителя. Второй теплоноситель может использоваться для обработки углеводородных текучих сред in situ, подвода тепла к электролизной ячейке и/или для каких-либо других целей. Первый теплоноситель и второй теплоноситель могут быть разными материалами. Использование двух теплоносителей может снизить риск нежелательного воздействия на системы и персонал радиации, которая может оказаться поглощенной первым теплоносителем. Могут использоваться теплоносители, которые устойчивы к поглощению ядерной радиации (например, азотистокислые или азотнокислые соли).

В некоторых вариантах осуществления изобретения энергоотводящая система включает в себя тепловые трубы из щелочного металла (например, калия). Тепловые трубы могут дополнительно упростить саморегулирующийся ядерный реактор, устраняя необходимость в том, чтобы механические насосы переносили теплоноситель через активную зону. Любое упрощение саморегулирующегося ядерного реактора может снижать опасность нарушений в работе и повышает безопасность ядерного реактора. Энергоотводящая система может включать в себя теплообменник, соединенный с тепловыми трубами. Теплоносители могут переносить тепловую энергию от теплообменника.

Теплоносители могут включать в себя природное или синтетическое масло, расплавленный металл, расплавленную соль или другие типы высокотемпературных теплоносителей. Теплоноситель может иметь низкую вязкость и высокую теплотворную способность в нормальных рабочих условиях. Если теплоносителем является расплавленная соль или какая-либо другая текучая среда, обладающая способностью затвердевать в пласте, трубы в системе могут быть электрически связаны с каким-либо источником электроэнергии для резистивного нагрева труб в случае необходимости, либо в систему труб или рядом с ней может быть помещен один или несколько нагревателей с целью поддержания теплоносителя в жидком состоянии. В некоторых вариантах осуществления изобретения в систему труб может быть помещен изолированный проводник-нагреватель. Изолированный проводник-нагреватель расплавляет твердые материалы в трубе.

На фиг.5 схематически показан один из вариантов выполнения системы термической обработки in situ, помещенной в пласт 232 с u-образными стволами 234 скважин, в которой используются саморегулирующиеся ядерные реакторы 218. Изображенные на фиг.5 саморегулирующиеся ядерные реакторы способны производить 70 МВт тепла. В некоторых вариантах осуществления изобретения расстояние между стволами 234 скважин определяется на основании скорости затухания выхода энергии саморегулирующихся ядерных реакторов 218.

U-образные стволы скважин могут проходить вниз через покрывающий слой 236 в углеводородсодержащий слой 238. Примыкающая к покрывающему слою 236 система труб в стволах 234 скважин может содержать изолированную часть 240. В изолированные резервуары-хранилища 242 может поступать расплавленная соль из пласта 232 через систему 244 труб. Система 244 труб может транспортировать расплавленные соли с температурами в пределах от примерно 350 до примерно 500°С. Температура в резервуарах-хранилищах может зависеть от типа используемой расплавленной соли. Температура в резервуарах-хранилищах может быть вблизи примерно 350°С. Насосы могут перемещать расплавленную соль к саморегулирующимся ядерным реакторам 218 через систему 246 труб. Каждому из насосов может быть необходимо перемещать, например, от 6 до 12 кг/с расплавленной соли. Каждый из саморегулирующихся ядерных реакторов 218 может подавать тепло к расплавленной соли. Расплавленная соль может проходить из системы 248 труб к стволам 234 скважин. В некоторых вариантах осуществления изобретения проходящая через слой 238 нагреваемая часть ствола 234 скважины может иметь длину от примерно 2400 м до примерно 3000 м. Температуры расплавленной соли на выходе из саморегулирующихся ядерных реакторов 218 могут быть порядка 550°С. Каждый из саморегулирующихся ядерных реакторов 218 может подавать расплавленную соль к примерно 20 или более входящих в пласт стволов 234 скважин. Расплавленная соль течет через пласт и обратно к резервуарам-хранилищам 242 через системы 244 труб.

В некоторых вариантах осуществления изобретения атомная энергия используется в процессе комбинированного производства тепловой и электрической энергии. В некоторых вариантах осуществления добычи углеводородов из углеводородсодержащего пласта (например, битуминозного песчаного пласта) добываемые углеводороды могут содержать одну или несколько частей с тяжелыми углеводородами. Углеводороды могут добываться из пласта с использованием более одного способа. В некоторых вариантах осуществления изобретения атомную энергию используют в качестве средства, способствующего добыче по меньшей мере некоторых из углеводородов. По меньшей мере некоторые из добываемых тяжелых углеводородов могут быть подвергнуты воздействию пиролизных температур. Пиролиз тяжелых углеводородов может использоваться для производства водяного пара. Водяной пар может использоваться для ряда целей, включая (но без ограничения этим) производство электроэнергии, конверсию углеводородов и/или облагораживание углеводородов.

В некоторых вариантах осуществления изобретения теплоноситель нагревают с помощью саморегулирующегося ядерного реактора. Теплоноситель может быть нагрет до температур, которые позволяют производить водяной пар (например, от примерно 550 до примерно 600°С). В некоторых вариантах осуществления изобретения получаемые в процессе термической обработки in situ газ и/или топливо поступают на установку реформинга. Часть получаемого в процессе термической обработки in situ газа может поступать на газоразделительную установку. На газоразделительной установке из получаемого в процессе термической обработки in situ газа может удаляться один или несколько компонентов, в результате чего образуется топливный и один или несколько других потоков (например, диоксида углерода или сероводорода). Топливо может содержать (но без ограничения ими) водород, углеводороды с числом атомов углерода до 5 или их смеси.

Установкой реформинга может быть установка парового реформинга. Установка реформинга может вводить водяной пар во взаимодействие с топливом (например, метаном), в результате чего образуется водород. Установка реформинга может, например, содержать катализаторы сдвига водяного газа. Установка реформинга может включать в себя одну или несколько разделительных систем (например, мембраны и/или адсорбционную систему с переменным давлением), способных отделять водород от других компонентов. Реформинг топлива и/или получаемого в процессе термической обработки in situ газа может осуществляться способами, известными в области каталитического или термического реформинга углеводородов, с образованием водорода. В некоторых вариантах осуществления изобретения для получения из водяного пара водорода используется электролиз. Некоторая часть от всего потока водорода может быть использована для других целей, таких как (но без ограничения ими) источник энергии и/или источник водорода для гидрогенизации углеводородов in situ или ex situ.

Саморегулирующиеся ядерные реакторы могут использоваться для производства водорода на установках, расположенных вблизи углеводородсодержащих пластов. Возможность производства водорода на месте около углеводородсодержащих пластов является очень выгодной, если учесть множество направлений, в которых водород используется для конверсии и облагораживания углеводородов на месте на углеводородсодержащих пластах.

В некоторых вариантах осуществления изобретения первый теплоноситель нагревают с использованием тепловой энергии, заключенной в пласте. Тепловая энергия может заключаться в пласте вследствие ряда различных процессов термической обработки.

Саморегулирующиеся ядерные реакторы имеют ряд преимуществ по сравнению с многими существующими ядерными реакторами с постоянным выходом. Однако существует ряд новых ядерных реакторов, конструкция которых получила законодательное одобрение на реализацию. Атомную энергию можно получать от нескольких различных типов существующих ядерных реакторов и ядерных реакторов, находящихся в настоящее время в разработке (например, реакторов четвертого поколения).

В некоторых вариантах осуществления изобретения в число ядерных реакторов входят реакторы, работающие при очень высоких температурах (VHTR). В VHTR может быть, например, использован гелий в качестве охладителя для приведения в действие газовой турбины для обработки углеводородных флюидов in situ, запитывания электролизных ячеек и/или для других целей. VHTR могут производить тепло до примерно 950°С или выше. В некоторых вариантах осуществления VHTR в число ядерных реакторов входит быстрый реактор с натриевым охлаждением (SFR). SFR могут изготовляться в менее крупном масштабе (например, 50 МВт) и, следовательно, могут быть более экономичными при изготовлении на месте для обработки углеводородных флюидов in situ, питания электролизных ячеек и/или для других целей. SFR могут иметь модульную конструкцию и быть потенциально переносными. SFR могут производить температуры в пределах от примерно 500 до примерно 600°С, от примерно 525 до примерно 575°С или от 540 до примерно 560°С.

В некоторых вариантах осуществления изобретения для создания тепловой энергии используют реакторы с галечным слоем. Реакторы с галечным слоем могут производить до 165 МВт энергии. Реакторы с галечным слоем могут обеспечивать температуры в пределах от примерно 500 до примерно 1100°С, от примерно 800 до примерно 1000°С или от примерно 900 до примерно 950°С. В некоторых вариантах осуществления изобретения в число ядерных реакторов входят надкритические водоохлаждаемые реакторы (SCWR) на основе предшествующих реакторов на легкой воде (LWR) и надкритических котлов, работающих на ископаемых топливах. SCWR могут обеспечивать температуры в пределах от примерно 400 до примерно 650°С, от примерно 450 до примерно 550°С или от примерно 500 до примерно 550°С.

В некоторых вариантах осуществления изобретения в число ядерных реакторов входят быстрые реакторы, охлаждаемые свинцом (LFR). LFR могут изготовляться в определенном диапазоне размеров, от модульных систем до нескольких сотен мегаватт или более. LFR могут обеспечивать температуры в пределах от примерно 400 до примерно 900°С, от примерно 500 до примерно 850°С или от примерно 550 до примерно 800°С.

В некоторых вариантах осуществления изобретения в число ядерных реакторов входят реакторы на расплавленной соли (MSR). MSR могут содержать в себе делящиеся, воспроизводящие и осколочные изотопы, растворенные в расплавленной фторидной соли с температурой кипения примерно 1400°С. Расплавленная фторидная соль может выполнять функцию как реакторного топлива, так и охладителя. MSR могут обеспечивать температуры в пределах от примерно 400 до примерно 900°С, от примерно 500 до примерно 850°С или от примерно 600 до примерно 800°С.

В некоторых вариантах осуществления изобретения для переноса тепловой энергии к и/или от углеводородсодержащего пласта используют два или более теплоносителей (например, расплавленные соли). Первый теплоноситель может нагреваться (например, с помощью ядерного реактора). Первый теплоноситель может циркулировать через множество стволов скважин в по меньшей мере части пласта с целью нагрева этой части пласта. Первый теплоноситель может характеризоваться первым температурным диапазоном, в котором первый теплоноситель находится в жидкой форме и является стабильным. Первый теплоноситель может циркулировать через часть пласта до тех пор, пока температура этой части пласта не достигнет заданного температурного диапазона (например, температуры около верхнего предела первого температурного диапазона).

Второй теплоноситель может нагреваться (например, с помощью ядерного реактора). Второй теплоноситель может характеризоваться вторым температурным диапазоном, в котором второй теплоноситель находится в жидкой форме и является стабильным. Верхний предел второго температурного диапазона может быть горячее и выше первого температурного диапазона. Нижний предел второго температурного диапазона может перекрываться первым температурным диапазоном. Второй теплоноситель может циркулировать через множество стволов скважин в части пласта с целью нагрева этой части пласта до более высокой температуры по сравнению с той температурой, которая была бы возможной с помощью первого теплоносителя.

Преимущества использования двух или более разных теплоносителей могут, например, включать способность нагревать часть пласта до намного более высокой температуры, чем это обычно возможно, при минимально возможном использовании других способов дополнительного нагрева (например, электрических нагревателей) для повышения эффективности в целом. Использование двух или более разных теплоносителей может оказаться необходимым в случае отсутствия теплоносителя с температурным диапазоном, способным нагреть часть пласта до заданной температуры.

В некоторых вариантах осуществления изобретения после нагрева части углеводородсодержащего пласта до заданного температурного диапазона первый теплоноситель может циркулировать через часть пласта. Первый теплоноситель может не быть нагрет до его рециркуляции через пласт (не считая необходимого нагрева теплоносителя до его температуры плавления в случае расплавленных солей). Первый теплоноситель может нагреваться с использованием тепловой энергии, уже запасенной в части пласта от предшествующей термической обработки пласта in situ. Первый теплоноситель может затем быть перенесен за пределы пласта так, чтобы тепловая энергия, рекуперированная первым теплоносителем, могла быть утилизирована для какого-либо другого процесса в данной части пласта, в какой-либо второй части пласта и/или в каком-либо дополнительном пласте.

Примеры

Ниже приведены не ограничивающие изобретения примеры.

Моделирование потребностей в энергии.

Проведено моделирование для определения потребностей в энергии для нагрева пласта с помощью расплавленной соли. Расплавленная соль циркулировала через стволы скважин в углеводородсодержащем пласте и в течение некоторого времени определяли потребности в энергии для нагрева пласта с помощью расплавленной соли. Расстояние между стволами скважин изменяли для определения его влияния на потребности в энергии.

На фиг.6 изображена кривая 250 зависимости мощности (Вт/м) (ось у) от времени (годы) (ось х), относящаяся к потребностям во вводе энергии для термической обработки in situ. На фиг.7 изображена зависимость мощности (Вт/м) (ось y) от времени (годы) (ось х), относящаяся к потребностям во вводе энергии для термической обработки in situ для разных расстояний между стволами скважин. Кривые 252-260 описывают результаты на фиг.7. Кривая 252 описывает зависимость потребностей в энергии от времени для стволов скважин с расстояниями между ними примерно 14,4 м. Кривая 254 описывает зависимость потребностей в энергии от времени для стволов скважин с расстояниями между ними примерно 13,2 м. Кривая 256 описывает зависимость потребностей в энергии от времени для пласта Grosmont в Альберте (Канада) с нагревательными стволами скважин, образующими гексагональный рисунок при расстояниях между ними примерно 12 м. Кривая 258 описывает зависимость потребностей в энергии от времени для нагревательных стволов скважин с расстоянием между ними примерно 9,6 м. Кривая 260 описывает зависимость потребностей в энергии от времени для нагревательных стволов скважин с расстоянием между ними примерно 7,2 м.

Как следует из графика, изображенного на фиг.7, расстояние между стволами скважин, представленное кривой 258, представляет собой расстояние, которое приблизительно соотносится с выходной мощностью в течение некоторого периода времени у некоторых ядерных реакторов (например, по меньшей мере некоторых ядерных реакторов, выходная мощность которых затухает до приблизительно 1/Е в течение, например, от примерно 4 до примерно 9 лет). Кривые 252-256, изображенные на фиг.7, описывают потребность в выходной мощности для нагревательных стволов скважин с расстояниями между ними от примерно 12 до примерно 14,4 м. Для расстояния между нагревательными стволами скважин, большего, чем примерно 12 м, может потребоваться больший ввод энергии, чем могли бы обеспечить некоторые ядерные реакторы. Расстояние же между нагревательными стволами скважин, меньшее, чем примерно 8 м (например, как это представлено кривой 260 на фиг.7), может стать причиной отсутствия эффективного использования поступления энергии, производимой некоторыми ядерными реакторами.

На фиг.8 приведена зависимость средней температуры (°С) (ось y) коллектора от времени (годы) (ось х) при термической обработке in situ для разных расстояний между стволами скважин. Кривые 252-260 описывают повышение температуры пласта в течение некоторого периода времени, отражающее потребности во вводе энергии в зависимости от расстояния между скважинами. Заданная температура для термической обработки углеводородсодержащих пластов в некоторых вариантах осуществления изобретения может, например, быть порядка 350°С. Заданная температура для какого-либо пласта может варьироваться в зависимости от, по меньшей мере, типа пласта и/или целевых углеводородных продуктов. Расстояния между стволами скважин для кривых 252-260, изображенных на фиг.8, те же, что и для кривых 252-260, изображенных на фиг.7. Кривые 252-260, показанные на фиг.8, описывают повышение температуры в пласте в течение некоторого времени для нагревательных стволов скважин с расстояниями между ними в пределах от примерно 12 до примерно 14,4 м. При расстоянии между стволами скважин, большем, чем примерно 12 м, нагрев пласта может быть слишком медленным, в результате чего может потребоваться больше энергии, чем в состоянии обеспечить некоторые ядерные реакторы (в частности, по истечении 5 лет как в настоящем примере). Расстояние же между нагревательными стволами скважин, меньшее, чем примерно 8 м (например, как это представлено кривой 260, изображенной на фиг.8), может в некоторых ситуациях термической обработки in situ стать причиной слишком быстрого нагрева пласта. Как следует из фиг.8, расстояние между стволами скважин, представленное кривой 258, может быть расстоянием, которое обеспечивает типичную целевую температуру примерно 350°С за желаемый отрезок времени (например, примерно 5 лет).

На основании настоящего описания специалисту в данной области станут очевидны дополнительные модификации и альтернативные варианты осуществления разных аспектов изобретения. Соответствующим образом это описание следует рассматривать лишь как иллюстративное, целью которого является показать специалистам общее направление осуществления изобретения. Следует иметь в виду, что показанные и описанные в заявке формы изобретения следует рассматривать как предпочтительные в настоящий момент варианты осуществления. Описанные в заявке элементы и материалы могут быть заменены другими, порядок частей и операций может быть изменен на обратный, а некоторые признаки изобретения могут быть использованы независимым образом, и при этом все из них, как это должно быть очевидным специалистам, содержат в себе выгоду от описания настоящего изобретения. Описанные в заявке элементы могут быть изменены в рамках сути и объема изобретения в том виде, в каком оно описано в приведенной ниже формуле изобретения. Наконец, следует иметь в виду, что описанные в заявке независимым образом признаки в некоторых вариантах осуществления изобретения могут быть объединены.