CN101553643A - 重质碳氢化合物流体的增产和开采 - Google Patents

Abstract

本发明涉及使用电磁辐射、声能和表面活性剂注入以从含碳氢化合物的地层中开采含碳氢化合物的材料。

Description

重质碳氢化合物流体的增产和开采

技术领域

本发明一般涉及碳氢化合物流体的开采(recovery)，特别涉及碳氢化合物流体的现场热增产(thermal stimulation)和开采。

背景技术

重油和超重油和沥青是世界上最大的沉淀物类型的可开采碳氢化合物。例如，加拿大艾伯特的探明的可开采的重油储量大于中东的所有轻油储量。这里使用的重油和超重油是指具有不多于约22.5°API的美国石油组织(API)重力或比重的含碳氢化合物的材料，而沥青指具有不多于约10°API的API重力的含碳氢化合物材料。通过比较，轻原油被定义为具有高于约31.1API的API重力，且中油被定义为具有约22.3API至31.1API之间的API重力。沥青在常温下或不稀释时不流动，且通常被“加浓”至31API至33API的API重力。该加浓的油被称为合成油。

为了开采重油和沥青，要降低其粘度。在一种通常的商用开采中油和沥青的方法中，蒸汽被加压注入到含油地层中。蒸汽加热包括油和/或沥青的地层，使得其在蒸汽(和/或其它(一种或多种)流体)压力下流动到开采井，在那里被泵送到表面以供精炼。在一个称为SAGD或蒸汽辅助重力引流(Steam Assisted Gravity Drainage)的蒸汽辅助技术中，蒸汽被用于加热石油，该石油随后(在流体压力或重力的作用下)向下流动到位于石油地层下的水平开采井。另一种重油开采方法点燃注射气体以建立高温高压的火焰锋面，其扫过石油地层，推动其前面的一些石油。在另一重油开采方法中，实施各种形式的流体注入(例如二氧化碳、水、蒸汽、表面活性剂(其降低石油和地质地层之间的流体层的粘度)、碱性化学物质、聚合物等)。

使用电磁能量(通常为电或射频或RF)来加热重油地层已为人熟知多年。该技术在1970年代被引入，当时广泛地关注于开发油页岩储量。该技术具有多种变化，从相对较低的频率到射频和微波。这些包括多探针“封闭”场加热配置，单探针加热配置和辐射结构。

例如，Bell的US2799641披露了一种通过电解装置的增产方法，其中直流电使得石油流过电渗透装置。另一种电渗透技术披露于Kermabon的US4466484。其它公开内容(例如Gill的US3507330、Kern的US3874450和Whitting的US4084638)描述了通过电方法尝试加热靠近井孔区域以及更远距离的部分储油层。

Kasevich在US4301865中披露了使用RF发射棒的地下阵列，其围绕一要加热的限定体积。该阵列具体用于油页岩油母质的开采。

Bridges等人在US4140180、4144935、4790375、5293936、5621844、4485868和5713415中披露了地下RF加热元件的配置和相关变压器和电缆装置，这些都用于在生产井或附近的封闭限定空间的体积加热。

Elligsen在US6499536中提出在井中注入RF吸收材料作为增强局部加热效果的方法。

Yuan在US6631761中提出井周围的电极装置作为另一种控制加热效果的方法，与如Bridges等人提出的RF探针相协作。

Haagensen在US4620593和Jeambey在US4912971都提出用于RF(和微波)加热的实际地下天线。Haagensen还提出一种放置在井套中的改良的波导。但是，在仅能用的相关微波频率下，该波导对于安装在任意标准井套中来说还是太大。

Supernaw的US5109927描述了使用一种假设定向天线(hypotheticaldirectional antenna)来选择性地把能量引导到生产区的下部区域以改善蒸汽开采。

总体上，RF加热增产技术已遇到多个缺陷。

这些缺陷包括加热探针周围的局部碳化、有限的场穿透、电子井下元件失效等。这些缺陷引起了在电元件上的改进以及试图在整个加热区域内建立更均匀的能量分布。

使用声能来增产重油开采长时间来已为人所知。Bodine的US3378075和Williams的US4437518描述了使用声波传送器作为油井增产的手段。Sherborne的US2670801是披露使用声波能量用于该目的的最早的文献之一。Wesley在US4345650中还还披露了使用爆炸性的、腐蚀性的电火花作为在地下石油地层处或其附近产生高强度声波的手段来增产石油。

最近，Wegener等人的US6186228和6279653披露了在井孔内使用电-声转换器来改善从含油地层生产石油。Huffman等人和Thomas等人的US6227293和6427774分别描述了，与前述可能在井孔内直接产生声波相比，在离井孔更远的距离处，产生结合的电磁和声波脉冲增产石油。推测产生的电磁脉冲在超过6000英尺的延伸距离处可保持可感知的能量密度。Meyer等人在US6405796中教导使用接近声学慢波频率的声波激发配合流体注入置换作为激发石油流动的手段。Abramov等人在US7059413中描述了在井孔底部使用高强度超声场来产生热量和直接降低石油粘度。该技术使用高频电加热井套来保持石油处于相对较低的粘度下。

现有技术具有缺陷。

现有技术通常使用一种或多种增产技术配合一个或多个井孔，该井孔从地面钻探以与地下含油地层中的至少一个含油层相交。垂直管柱引入阻止该技术商业应用的多种天然障碍，或至少引入涉及能量损耗和把电装置定位在石油地层上的地表面上(能量必须从这里向下从钻孔传输以到达石油地层)的必要性的大量附加成本或工程难度。这些障碍包括增产设备在放置后不易接近、增产设备的操作的不可靠性和从设备在井套内的位置难于维修、难于防止有害和/或易燃液体与设备隔离、井套与增产执行机构的不相容性、需要在钻筒的底部构建一装置以由此能量可被传输到地层中、以及不能回收安装的硬件。特别地，标准钻筒的有限尺寸以及超尺寸套筒的昂贵成本，大大限制了可被可靠地放置在其中的构件的尺寸和复杂度。

现有技术寻求在从整个储层生产高达五年或十年的时期后的一个时间热增产整个储层。为了实现这，整个储层必须在储层的生产寿命期间定期被热增产。生产一桶含碳氢化合物材料所需的单位热量相对较高。此外，热量在遇到储层附近的原岩和地下水时遭到损失。

许多现有技术使用垂直地而非水平地沿典型较长的井孔从储层移出碳氢化合物的技术。由于克服重力效应所需的泵送压力和/或驱动压力(例如来自引入到储层的蒸汽)，垂直碳氢化合物移出技术可能提高开采成本和降低碳氢化合物的开采。

现有技术通常不能在某位置开采多于约20％的重油，导致资源潜力的总的低效和损失。

发明内容

本发明的各种实施例和配置解决了这些和其它需要。本发明涉及用于从地下地层开采含碳氢化合物的材料特别是重油、沥青和油母质的方法和系统。这里使用的“碳氢化合物”非排它性地由碳元素和氢元素形成。碳氢化合物主要源自含碳氢化合物的材料，例如油。碳氢化合物具有两种主要类型，即脂肪族的(直链)和环状(闭环)。含碳氢化合物的材料包括任意包含碳氢化合物的材料，例如重油、沥青和油母质。

在一个实施例中，提供了一种用于开采地下的含碳氢化合物材料的方法。该方法包括步骤：

(a)从靠近地下含碳氢化合物地层附近的空间的有人操纵的掘洞，发射辐射到地层的选定区域，以降低该选择区域内的含碳氢化合物的材料的粘度；和

(b)从靠近选定区域的生产井开采被辐射的含碳氢化合物材料。

“有人操纵的掘洞”是指可直接被人接近的掘洞。换句话说，辐射传送器可被工人安装、安装后接近和去除而不需要井下设备，例如缆线装置。典型的有人操纵掘洞具有正交于挖掘方向的至少一个尺寸，其为至少约4英尺。

在一个实施例中，辐射具有多样的、相异的波长，以提供影响粘度的效果。例如，一个或多个波长处于电磁波长范围内，微波波长为优选，且一个或多个其它波长处于声能范围内，超声波长(ultrasonic and supersonicwavelengths)为优选。在辐射发射前后，表面活性剂可被引入到含碳氢化合物的地层中，，以进一步降低含碳氢化合物材料的粘度。应理解，“表面活性剂”是表面活性介质。通过应用声能与该地层，用于实现把粘度降低高期望程度的表面活性剂的量被减少。电磁能量可加热波导组件下的含碳氢化合物地层的一部分。使用例如两个平行波导组件使得可以横向地“扫掠(sweep)”电磁束，以使得包括加热区域内的较宽部分的地层。目的不是要如同其它增产技术中那样加热整个石油地层增产技术，而是要仅仅快速加热地层内的有限区域。

注入的表面活性剂可提供化学促进剂，其可降低含碳氢化合物材料和地层基质材料(其通常包括沙子和粘土)之间的表面结合。

超声波传送器可把高能量声波引入到被加热区域，该被加热区域包括与地层基质内的原生水和注入的表面活性剂混合的石油。超声波用于快速第驱散液体表面活性剂和和原生水以及大大降低直接位于石油和沙粒之间的界面处的被加热的石油的粘度，由此使得石油更快速地穿过地层基质流动。

这些增产技术的结合的总的结果是，使得被加热区域内的较大部分含碳氢化合物材料在重力的作用下向下迁移，以被直接位于石油地层之下的水平生产井收集。

通过本发明的技术，可实现粘度的充分降低。典型地，含碳氢化合物的材料特别是重油、沥青和油母质的粘度可被降低至少约200％，更典型地至少约300％，且甚至更典型地至少约350％。例如，重油、沥青和油母质的粘度典型地被从至少约20000Cp的第一粘度降低到不多于约10Cp的第二粘度。

其它优点也可通过本发明的具体配置实现。本发明可提供人对于含碳氢化合物地层的直接访问，由此消除了与井下钻柱相关的障碍。这些障碍包括增产设备在放置后无法接近、在表面和井下端处的完井、增产设备的操作的不可靠性和从井套内的设备位置难于维修、难于把潜在的有害和/或易燃液体与设备隔离、井套与增产执行机构的不相容、在钻套的底部构建一装置以使得能量可被传输到地层内、以及不能回收安装的硬件。通过使用经济的、现代隧道技术，这变得可能，其由此允许直接引入更多可靠的且有效的电磁和声波增产技术到石油地层中。直接接近地层的能力可允许各种辐射传送器被手工定位和操作，以在要加热的地层的选择的整个区域内提供相当均匀的能量分布。使用有人操纵的掘洞可消除传统方法中由标准井筒的有限尺寸和超尺寸套筒的昂贵成本导致的在构件尺寸和可靠性上的限制。本发明通常不寻求同时热增产整个储层。而是，其优选地在一个时间仅增产地层的选择的部分，随后从该部分地层生产。相对于传统的增产技术，这样的选择性的增产可降低生产一桶含碳氢化合物材料所需的能量。不同于现有技术，该现有技术垂直地而非水平地沿典型的较长井孔从储层移出碳氢化合物，本发明可使用位于含碳氢化合物地层中或位于其下的水平井孔来收集碳氢化合物。相对于传统技术，这样的水平移出技术可降低开采成本且增加碳氢化合物的开采量。最后，与现有技术开采约20％的重油相比，本发明可显著地多开采，且通常为现有技术的几倍。这些和其它优点从这里包括的本发明披露内容可显露出来。

这里使用的“至少一个”、“一个或多个”和“和/或”是开放性的表述，其在操作中同时包括连续性和分离性的。例如，“A、B和C中的至少一个”、“A、B或C至的至少一个”、“A、B和C中的一个或多个”、“A、B或C中的一个或多个”和“A、B和/或C”表示单独A、单独B、单独C、A和B一起、A和C一起、B和C一起、或者A、B和C一起。

注意，“a”或者“an”实体是指一个或多个该实体。同样，“a(或“an”)”、“一个或多个”和“至少一个”在这里可被互换使用。还应注意，“包括”、“包含”和“具有”可被互换使用。

上述实施例和配置既不是完全的也不是详尽的。应认识到，本发明的其它实施例也可单独或组合使用上述的或下文描述的一个或多个特征。

附图说明

图1是根据本发明的实施例的现场碳氢化合物增产和生产系统的沿图2的线2-2截取的横截面侧视图；

图2是图1的现场碳氢化合物增产和生产系统的沿图1的线1-1截取的横截面前视图；

图3是根据本发明的实施例的多个地下掘洞的横截面前视图；

图4示出了微波增产的Cold Lake储层的增产性能，其使用单个100Kw注入器和垂直生产；

图5A和5B示出了微波增产的Cold Lake储层的增产性能，使用单个100Kw注入器和水平生产；和

图6示出了微波增产的Cold Lake储层的增产性能，使用四个25Kw注入器和水平生产。

具体实施方式

在一优选实施例中，提供了含碳氢化合物材料特别是重油(或者称为低API油)的现场增产，其包括下列操作：

1.在含碳氢化合物层或地层中或其上边界附近挖掘地下隧道；

2.沿所述隧道的底部、侧部和或顶部纵向设置一个或多个微波波导，以使得波导的表面直接或间接接触含碳氢化合物地层；

3.合并辐射槽或固定装置到波导的下表面中；

4.在波导和含碳氢化合物地层之间合并介质材料或阻抗转换器，以把微波能量有效地从波导传输到该地层中；

5.使用频段从约100MHz到约3000MHz的微波能量激励波导，以局部地加热含碳氢化合物地层的靠近所述波导装置的选择的部分；

6.把超声波传送器沿靠近波导的隧道底部插入到含碳氢化合物地层中，超声波传送器在从约10KHz到约40KHz频段中操作；

7.沿隧道的底部，注入高压表面活性剂(或类似的表面张力调节)流体到含碳氢化合物地层中；

8.沿含碳氢化合物地层的底部边界大致水平并平行于该隧道地设置一个或多个开采井；和

9.使用开采井抽取生产的流体，包括激发的含碳氢化合物材料、原生水或表面活性剂流体；和

10.使得抽取的流体在地面上可以供处理，以分离至少大多数且更优选地基本上所有的抽取的含碳氢化合物材料，和适用于随后的处理或使用的水。

许多世界上的重油沉淀位于相对较浅的深度(小于2000英尺)，而其它的更深。浅地层对于传统的注水和蒸汽注入增产生产存在问题，因为地面强度较差和破裂和沟道，所有这些都导致非常低的净油开采率。在更大深度处，热流体注入技术必须经受在井下通道中较高的能量损失，且其它增产技术例如电和声增产的缺点在于连接缆线的功率损失、缆线破损、以及包括电构件的执行单元难于准确地放置和往往不能回收硬件。

在浅和深的地层情形中，如果可以直接接近含碳氢化合物地层，几乎所有的伴随工程和生产困难可被消除。因此，本发明建立地下掘洞，例如隧道，以提供从地面到含碳氢化合物地层的接近。该掘洞使得可以对基本上全部关注的含碳氢化合物地层区域进行地层激发，在这样做时，使得可以从该区域获得高的含碳氢化合物材料的净开采率，由此充分地采空该地层区域。该掘洞，配合这里披露的增产技术，使得含碳氢化合物地层可以连续地和系统地排油，一个区域接一个区域，而不需要同时增产整个地层区域，如其它增产方法那样。由于天然的高粘度含碳氢化合物材料相对不能自由流动穿过地层，一个区域中的未开采的含碳氢化合物材料基本不可能回流到相邻的采空区域。在一个配置中，通过在含碳氢化合物地层“交付区”的底部或其附近直接钻探水平的且基本上沿隧道方向的井的方法，碳氢化合物被开采。

如应被认识到的，本发明与传统的、表面安装型的用于把释放的油向下朝生产井驱动的增强驱动方法(例如气体注入)完全兼容。

参考图1-2，现在描述根据优选实施例的增产和开采系统。该系统在被原岩或原生岩104覆盖的地下含碳氢化合物地层100的角度来描述，。地层100通常相对较薄，仅有几英尺厚，且可包括多个靠近的间隔区域。

系统108包括带衬接近掘洞(lined access excavation)112，带衬增产掘洞116，沿着增产掘洞116长度延伸的电磁辐射发生、传输和发射组件120，沿掘洞116的长度间隔地定位的表面活性剂注入井124a-c，和也沿掘洞116的长度间隔地定位的声能发射器128a-c。

带衬接近掘洞112可以是任意合适的掘洞，其提供从表面132的接近。例子包括竖井、斜面和斜坡。

带衬增产掘洞116从带衬接近掘洞112延伸，基本上相对于周围的地层流体密封，且可以是任意合适的掘洞，其基本上沿着含碳氢化合物地层的走向和/或倾向。合适的掘洞116的例子包括隧道、采掘面、坑道和溜井。掘洞116可被定位在含碳氢化合物地层100之上、之中或之下。优选地，掘洞116沿地层100的顶部设置，以使得可在掘洞地面上直接接近地层100。该掘洞典型地相对较小(例如从约4到约15英尺且更典型地从约6到约8英尺的直径)，具有衬套如混凝土或水泥，且被适当地增强且在衬套中具有孔，以把地层100暴露于辐射发射器。

电磁辐射发生、传输和发射组件120施加一个或多个选择波长段的电磁辐射到含碳氢化合物地层100的选择的部分或区域。如应认识到的，电磁辐射的频率越高，其衰减越高且地层中的穿透深度越低，而频率越低，其衰减越低且地层中的穿透深度越高。辐射的频率优选地从约直流电(DC)到约10GHz的范围，更优选地电力频率波段从约DC到约60Hz交流电、从约10KHz到约100MHz的短波段、和/或从约100MHz到约10GHz的微波段，从约100MHz到约3GHz范围的微波段是特别优选的。

当辐射处于微波波段时，组件120包括波导136、发生器144和调谐器148，其中波导136具有多个规则地间隔的天线或辐射元件140a-k。波导136可具有任意合适的配置用于设定要被该波导136传输的辐射频率。例如，示例性波导可包括具有任意需要的横截面形状的金属柱体，其通常为矩形。同样，天线元件的具体配置依赖于要发射的辐射频率的具体设定。例如，每个元件可被配置为谐振槽。在一个配置中，发射的电磁辐射(示出为从每个元件140发射的弧)是一组不同频率，这些不同的频率具有到地层中的不同穿透深度，以加热该地层至不同的程度。如应认识到的，较低的频率在地层中传播时比较高的频率具有较小的衰减。发生器144可以是任意合适的发生装置，例如磁控管或速调管。最后，调谐器148可以是任意合适的调谐装置，以提供在波导内的传播特性，其充分地降低或最小化反射的电磁辐射。例如调谐器148可以是可调谐的介电材料，例如薄或厚的膜或块状铁氧体、铁磁体、或非铁金属化材料。

天线元件140a-k的每个都具有相应的阻抗转换器152a-k，其定位在掘洞衬套中以匹配波导场阻抗至地层100的阻抗且耦合电磁辐射至相邻地层。由于地层100可通过掘洞的衬套直接接近，不需要钻孔以把天线元件放置在地层中，而这是所有其它RF或微波增产方法中的情形。此外，组件120在增产处理完成后可被完全移除。

尽管可使用任意合适的一种或多种阻抗匹配材料，优选的阻抗转换器152a-k是特殊材料，例如陶瓷材料，的“枕头”块其为波导和地层100之间的界面。阻抗转换器的主要性质是其固有阻抗，该固有阻抗必须被设计为两个被“匹配”的阻抗的近似平均数值，在这种情况下，典型的空气填充波导(具有约377ohms的固有阻抗)且地层100的固有阻抗由以下给出：

η＝√(jωμ)/(σ+jωε)

其中ω＝2πf是角频率

f＝915MHz

μ＝自由空间的磁导率

σ＝0.001是介质电导率

ε＝(20-j0.45)×8.854×10^-12是介质介电常数

介电常数值依赖于温度、频率和相对的土壤/水比，其对于典型的重油地层，产生约80ohms的阻抗。优选的转换器因此具有从约377ohms到约80ohms阶梯的或渐变的阻抗(stepped or graded impedance)。替换地，通过在波导内设计辐射槽以具有较低的近场阻抗，即，电场对磁场幅度的比为大约80，阻抗转换可被合并到天线元件中。这样，电磁能量可被有效地耦合到地层100。

天线元件140a-k优选地间歇地发射辐射到含碳氢化合物地层中。波束控制或扫描技术可被用于把辐射导向到选定区域内而不是其它区域中和/或引导不同量的辐射到不同区域内。例如，不是照射180度弧，如所示，波束控制可被使用以照射90度弧。在另一例子中，辐射可被波束控制，以使得其从天线元件以与风挡雨刷移动跨过车辆风挡相同的方式发射。

如应认识到的，可使用植入到含碳氢化合物地层100中的传感器系统和计算机(未示出)来控制来自组件120的电磁辐射的发生和发射。计算机接收来自一连接到遥测线路(未示出)的接口的控制反馈信号。遥测线路依次连接到传感器。每个传感器监测到达传感器所在的地下位置的辐射量和/或该位置处的地层温度。优选地，选择的地层区域的地层温度被保持在从约200到约350摄氏度且更优选地从约250至约300摄氏度。在这些温度下，重油和沥青通常具有不超过约10Cp的粘度且更常见的是从约1至约5Cp的粘度。

在一个操作配置中，发生器144被开关以仅在选择的离散的时间周期内发射辐射到地层100中。该时间周期可具有均匀的长度或不同的长度，这依赖于具体应用。可以确信地层100的选定区域的间歇照射可产生比持续照射该区域产生更大的含碳氢化合物材料流。沉淀物的间歇照射还使得开采选择的体积的含碳氢化合物材料的热量消耗低和防止天线元件附近过热，由此允许积淀的热能通过选择的地层区域消散且使得可以最大化地使用可用微波功率。

在一个操作配置中，辐射，至少在开头，以逐渐增加的辐射功率被发射。如在在前实施例中所述，辐射可被间歇地发射。

在一个操作配置中，交替的天线元件组被在不同时间被赋能。换句话说，第一组天线元件被在第一时间赋能，而第二组天线元件被在通常不重叠的第二时间赋能。这允许发射的微波能量影响更大部分的地层且允许热量在交替的循环之间被消散到地层中。

辐射的电磁辐射的作用加热地层100内的流体(水和沥青是良好的受体)，由此充分地降低流体粘度。对于单个波导，受影响的加热区域将是直接位于波导之下的角形带宽，为从垂直(法向)方向大约+/-60度。给定相对较小厚度的典型地层”产区”，微波频率的使用是有利的，因为不需要在长距离内传输高功率密度，如在所有其它RF和微波加热技术中那样。这样的益处在于易于接收的油和水分子在这些频率下的具有较高的吸收。

表面活性剂注入井124a-c在压力下(经由泵200)把包括一种或多种表面活性剂的水溶剂引入到地层100中。水流体的主要目的不是要引起含碳氢化合物材料的大体积流体置换，而是与声和微波增产的组合互相促进，以有效地降低含碳氢化合物材料的粘度和增强其从地层基质的释放。例如，这可能是由于穿过产区的厚度的流体流动通道的建立，其已知可以增强声学增产的效率。不同于大多数其它流体传输增强技术，“沟流”的发生在本发明中不是有害的且流体流动方向在重力的作用下是向下的，而不是在垂直井之间横向地流动。就这一点，本发明有点类似于重力引流。

表面活性剂可以是降低含碳氢化合物材料或含水材料中的表面张力、或者降低两种液体或一种液体与周围地层之间界面张力的任意物质。例如，表面活性剂可以是去污剂、湿润剂或乳化剂。优选的表面活性剂包括水碱溶液(由氢氧化物、硅酸盐和/或碳酸盐形成)，有机化合物的氧化的含氧有机产物(例如含氧官能团，例如乙醛、酮、酒精和羟基酸，其比原始有机化合物更可溶和具有极性)、反乳化剂(例如松油和其它萜烯烃派生物)和其混合物。

由于表面活性剂与声能组合的相互促进，需要的表面活性剂浓度较低。

声能发射器128a-c把声能(如从发射器发射的弧所示)引入到地层100中，以分散表面活性剂和使得含碳氢化合物材料的粘度降低。虽然不希望被任意理论限制，相信穿过粘性液体如水的声波导致一振动样式，其使得液体处于运动中。该声振动样式形成对水分子层的拉伸、压缩、弯曲和松弛。相互作用的层产生细微的真空空间，称为液体内的气穴。爆聚的气穴擦洗表面且推离外力物质。

一般认为当声能被施加到含碳氢化合物地层时，可实现地层特性的一种或多种下述改变：由于非线性声学效果(例如孔隙内湍流、声波的流动、气穴和局部压力中的扰动)导致的湿润膜到岩石基质的粘着降低；由于声能加热导致的表面张力、密度和粘度的降低、表面活性剂的溶度的增加和表面活性成分的吸附的减低、固体石蜡和沥青的沉淀、由于孔隙的形成和细微物质的去除或由于稳定相的边界层的减少导致的流动的增加导致的渗透性和孔隙度增加、由于表面膜的破坏导致的毛细力的降低、由于使得水连续流动的Bjerknes力导致含碳氢化合物材料的聚结下降、由于气穴泡以及岩石和流体内的声/机械振动产生的力导致毛细作用收集的含碳氢化合物材料的振荡和激励降低、强烈声震和天然或引入的表面活性剂的存在产生的乳化、声致毛细效应、和/或孔隙壁的变形导致的蠕动传送。

这些效应支配依赖于声能的频率和强度。在较高的强度，机械应力显著地增加且因此温度增加。频率在波的传播、衰减和热量耗散中起着重要作用。

尽管可使用处于亚音速和更低和更高音速波段的声能频率，声能的优选频率是处于超声波或超音速频率频谱中且能量的强度处于紧邻声能变换器附近每平方英寸至少约10瓦特，且更优选地为每平方英寸约50至约100瓦特范围。该声能可以为模拟的(正弦)或数字(脉冲)的形式。数字声能容许响应具体应用来调节气穴。

在一个配置中，多种声能频率被相互混合以使用上述的多种效应。在该配置中，复合的或被调制的振动波源自于不同频率的多个正弦波的组合。复合波的波分量可具有相互的谐波关系，即，分量波中的所有的除了一个(基波)频率可以是一个基波的整数倍。这样的复合波可使用多波发生器来形成。

每个发射器128包括能量源204、波发生器208、换能介质216、和位于能量源204和发生器208之间的耦合器212。尽管发射器128被描述为被定位在钻孔中，应理解，发射器128可以是平板式换能器的形式，其通过螺栓或其它方式固定到地层。平板的使用是允许的，因为地层100可通过衬套接近。一旦完成增产程序，这些发射器被拆除并在其它地方重复使用。

能量源204可以是机械的(如发动机或电机)或电的(如发电机、电磁、电容组等)。

发生器208可被机械地或电驱动且能把大量声能引入到地层100中。

合适的机械发生器208包括，例如，音速泵和电机组件。在机械波发生器的一个例子中，电机和发生器组件被定位在增产掘洞中。电机(或能量源204)旋转凸轮(未示出)，以使得搁置在凸轮上的滚珠轴承垂直运动。该滚珠轴承被固定到绕一点枢转的杆且被可调配重平衡。另一配合杆通过枢轴被连接到该杆。凸轮的旋转产生杆穿过轴承的往复运动。该运动被配合杆传输到钻孔内的换能介质，其把声能释放到地层100中。前述示例性发生器和其它可能的机械发生器设计在US2670801中有述，其通过引用合并于此。

合适的电发生器208包括音速和超音波喇叭、与低或高频振荡电流耦合的压电晶体、位于交变磁场中的磁致伸缩装置等。

转换器或换能介质216优选地是固定或液体介质。在特定情况下，例如那些主要处于高压中的地层，可使用气体介质。例如，换能介质可以是水或其它液体、水泥或混凝土、塑料、熔化的或凝固的合金、或容纳在地层100中或其附近的某些其它材料。

表面活性剂注入和声能发生的相对时间依赖于应用。表面活性剂可在声能发射之前和/或过程中注入。在一个配置中，表面活性剂在被称为声学慢波的点被注入，该该点固体和孔隙(pore)液体的运动为180度异相。在该点，孔隙液体和固体具有最大量的相对运动。当在该慢波频率被激励时，在交替声波半周上，最大可能量的孔隙液体被从靠近渗透流动路径的先前不能到达的孔隙移动到流动路径以供去除和收集。在其间的声波半周上，来自渗透流动路径的含表面活性剂的流体被注入到岩石中的环绕的孔隙中，由此增加渗透流动区域的尺寸。因此，两个超声波半周执行有用的功能，用于二次油开采，即，从围绕渗透流动路径的岩石移出先前不能接近的油且增大表面活性剂可接近的石油储层的面积和渗透流。不管表面活性剂和声能发射的具体定时，粘度可被基本上降低四个数量级。

碳氢化合物材料，在暴露于电磁辐射和声能且接触表面活性剂之后，流动到生产井170，该井位于掘洞116附近且通常具有平行于掘洞116的方位的方位。生产井170优选地通过定向钻孔技术形成且位于地层100的被照射区域或增产区域内。当地层100包括多个区域时，井170被置于最下区域之下。生产井170被覆盖有井套(未示出)，其从表面延伸到靠近地层100的附近，且穿孔的衬套51包括穿孔(未示出)，含碳氢化合物材料穿过该孔且被井170收集。泵管(未示出)延伸到井170中且安装有固定阀(未示出)，其允许向上的流体流动且防止返流。向上的流动由游动阀(未示出)维持，该游动阀被抽油杆(未示出)促动。抽油杆依次由表面132上的电机(未示出)促动。井套由套筒头(未示出)密封。套筒头安装有填料压盖(未示出)，泵管穿过该压盖。收集的含碳氢化合物材料被储存在表面132的储存罐(未示出)内。参考图3，通常需要多个增产掘洞116来开采地层100的全部宽度。在这种情况下，相邻掘洞116被设置，以使得被增产区域300a和b重叠，仅留下非常小部分的产区未开采。典型地，相邻掘洞116基本上是平行的且被分开大约300到约500英尺的距离。

为了促进更有效的电磁加热作用和充分地最小化产区的未开采部分，通过合并沿掘洞地面在第一波导旁并从第一波导分离至少约4英寸距离(或915MHz的微波的约四分之一波长)的第二波导(未示出)，电磁束被横向地操纵(沿横向掘洞方向)。通过调节相邻波导内的微波信号的相位，可有效地操纵辐射束，以使得增加横向覆盖且能更宽的隧道间隔，仅相当小量的产区未开采。如下文更充分的披露，与其它增产方法相比，在更短的时间周期内可实现接近80％的净含碳氢化合物材料开采率。

本领域技术人员应理解，对于这里披露的电磁、声学和流体增产技术的组合，其具有相当大的优点。

例1

对Cold Lake，Alberta，Canada的多个重油现场进行了广泛的计算机储层模型分析，以评估微波增产的预期性能。该储层参数如下：

产区厚度  20m

孔隙度  0.35

渗透率  2200md

Res.温度  13摄氏度

粘度(原油)  22000Cp@20摄氏度

            950Cp@50摄氏度

            43Cp@100摄氏度

BHP 500KPa

水饱和度  0.26

油饱和度  0.327

孔隙体积  0.446

单个垂直微波(915MHz)发射器被定位在直径150米的圆柱形测试区域的中央。油“开采”被模拟为到达测试圆柱底部的油。圆柱底部与产区的底部一致。该模拟运行为在第一个150天具有100KW的微波功率且在其后为70KW。微波功率根据温度从300摄氏度(最大)到280摄氏度(最小)的温度调节装置设定而被开关。模拟运行时间是三年(图4)。1095天内的累计油产量为3404立方米，平均每天3.10立方米，且累计开采11.65％。

例2

对于与例1相同的Cold Lake储层参数，单个微波发射器(100KW、915MHz)被定位在水平开采井的正上方150m乘150m区域的中央，该开采井位于产区的底部。微波能量供应被如例1那样调温地控制。增产时间是10年(图5A和5B)。平均油产量是3.28立方米/天，且累计开采为35.3％。

例3

对于与例2相同的Cold Lake储层配置，四个垂直微波发射器的配置被沿水平开采井且离开25m定位。每个注入天线提供25KW的915MHz的微波功率且源被如例1那样调温地控制。增产时间是10年(图6)。平均产率为4.80立方米/天，且累计开采为59.7％。

可使用本发明的多种变化和修正。可以提供本发明的一些特征而不提供其它特征。

例如在一个替换实施例中，表面活性剂不注入到地层100中，而是就地产生，通过受约束的有机物(例如石油和石油产品，包括燃料碳氢化合物、多环芳烃、氯代烃类和其它挥发性材料)的水合热解/部分氧化产生。这些材料被包含在地层100中的地下水中。当被氧化时，有机材料产生中间氧化有机化合物，例如表面活性剂和其先质(precursorss)。上述中间氧化有机化合物具有含氧官能团，例如醛、酮、酒精和羟基酸。这些表面活性剂通过把氧化物(例如蒸汽(或空气)和/或矿物氧化物)、有机部分氧化物的催化剂(例如二氧化锰或铁氧化物)和电磁辐射形式的热能引入到地层100中而就地形成。

在另一替换实施例中，上述各种要素，即电磁辐射加热、声能增产和表面活性剂注入被单独或任意组合使用来增产储层。本发明在各种实施例中包括这里描述和说明的大部分构件、方法、过程、系统和/或装置，包括各种实施例、子组合和其子集。本领域技术人员应理解在理解本披露内容之后如何实施和使用本发明。本发明在各种实施例中包括提供在这里或在其实施例中未列举的设备和方法，包括未列举的已使用的前述设备或方法，例如为了改进性能、实现容易和/或降低实施成本。

本发明的前述讨论是为了阐述和说明的目的。前述不是要限制本发明于这里披露的形式。在前面的具体实施方式中，本发明的各种特征在一个或多个实施例中被集合在一起是处于简洁的目的。披露的方法不被解释为反映一目的，即要求保护的本发明需要多于在每个权利要求中清楚记载的特征。而是，如权利要求书所反映的，发明的方面在于少于单个前述披露实施例的所有特征。因此，权利要求书由此被合并到该具体实施方式中，每个权利要求自身作为本发明的单独的优选实施例。

而且，尽管本发明的说明书已包括一个或多个实施例和特定变式和修改的说明，其它变式和修改也在本发明的范围内，例如在理解本披露内容之后可能在本领域的技术和常识内。期望获得一些权利，包括替换实施例至允许的程度，包括替换、交换和/或等效结构、功能、范围或步骤至那些要求的，是否这些替换、交换和/或等效结构、功能、范围或步骤在此披露，且不是要公开地献出任一专利性主题。

Claims (20)

1.一种开采地下的含碳氢化合物的材料的方法，包括：

(a)从有人操纵的地下掘洞从发射器发射处于电磁和声能范围中的至少一个中的辐射到地下的含碳氢化合物的地层的选定区域，以降低选定区域中的含碳氢化合物的材料的粘度，该发射器定位在掘洞中，该掘洞至少是以下之一(i)与该地层直接物理接触；(ii)对于电磁能量的情形，与阻抗转换器接触，该转换器与该地层直接物理接触和(iii)对于声能的情形，与换能介质接触，该换能介质与地层直接物理接触；和

(b)通过靠近选定区域的生产井，开采被照射的含碳氢化合物的材料。

2.如权利要求1所述的方法，其中所述辐射是微波辐射，其中该微波辐射由波导发射，该波导沿着该掘洞的长度延伸，且其中至少一部分所述生产井被定位在所述选定区域之下。

3.如权利要求1所述的方法，其中所述至少一个发射器与阻抗转换器接触，该阻抗转换器与地层直接物理接触。

4.如权利要求1所述的方法，其中所述辐射是声能，且其中所述阻抗转换器是换能介质，声能穿过该换能介质，且其中所述换能介质与所述地层直接物理接触。

5.如权利要求4所述的方法，还包括：

(c)在步骤(a)之前或在其过程中，把表面活性剂引入到所述选定区域中

6.如权利要求1所述的方法，其中所述掘洞大致沿着所述地层的走向和倾向中的至少一个。

7.如权利要求4所述的方法，其中所述声能具有处于超声波段的频率。

8.一种用于开采地下的含碳氢化合物的材料的方法，包括：

(a)把表面活性剂引入到地下的含碳氢化合物的地层的选定区域中；

(b)从地下掘洞发射声能到该选定区域中，以降低该选定区域中的含碳氢化合物的材料的粘度，其中所述地下掘洞具有至少约4英尺的正交于掘洞的走向的尺寸；和

(c)通过靠近所述选定区域的生产井开采含碳氢化合物的材料。

9.如权利要求8所述的方法，其中所述声能具有处于超声频谱中的频率，其中所述声能由定位在所述地下掘洞中的发射器发射，且其中所述反射器与所述地层接触或靠近该地层。

10.如权利要求9所述的方法，还在步骤(c)前包括：

(d)从所述地下掘洞发射电磁能量到所述选定区域中。

11.一种用于开采含碳氢化合物的材料的方法，包括：

(a)把表面活性剂引入到含碳氢化合物的地层的选定区域中，该地层包括至少一种含碳氢化合物的材料；

(b)在表面活性剂处于所述选定区域中时，使声能穿过该选定区域；

(c)使电磁辐射穿过所述地层的选定区域；和

(d)随后开采所述至少一种含碳氢化合物的材料。

12.如权利要求11所述的方法，其中所述声能具有处于超声频谱中的频率且其中所述电磁辐射具有处于微波段中的频率。

13.如权利要求12所述的方法，其中所述电磁辐射是由波导发射，该波导定位在地下掘洞中，该掘洞位于所述地层中或靠近该地层，且其中所述地下掘洞具有至少约4英尺的正交与掘洞的走向的尺寸。

14.一种用于开采含碳氢化合物的材料的系统，包括：

(a)含碳氢化合物的地层，包括含碳氢化合物的材料；

(b)地下掘洞；

(c)在所述地下掘洞中，至少一种电磁辐射发射器，用于把辐射导入到所述地层中；和

(d)在所述地下掘洞中，至少一个声能发射器，用于把声能导入到所述地层中。

15.如权利要求14所述的系统，其中所述地下掘洞被用衬套加衬，其中所述地下掘洞具有至少约4英尺的正交于掘洞的走向的尺寸，且其中所述衬套包括通道，用于使接触该通道的电磁发射器和/或阻抗转换器与该地层物理接触。

16.如权利要求14所述的系统，其中所述地下掘洞被用衬套加衬，其中所述地下掘洞具有至少约4英尺的正交于掘洞的走向的尺寸，且其中所述衬套包括通道用于使接触该通道的声能发射器和/或换能介质与该地层物理接触。

17.如权利要求14所述的系统，包括：

(e)生产井，其至少一部分被定位在所述地层之下。

18.如权利要求17所述的系统，其中所述至少一部分生产井大致平行于掘洞的走向。

19.如权利要求18所述的系统，其中所述至少一部分生产井是基本上水平的。

20.如权利要求14所述的系统，还包括：

(e)多个传感器，定位在所述地层中的不同位置；和

(f)计算机，其操作以接收来自传感器的信号且响应该信号控制电磁辐射发射器和声能发射器中的至少一种的操作。

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