CN102348866A

CN102348866A - 流体的注入

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Publication number: CN102348866A
Application number: CN2010800115876A
Authority: CN
Inventors: S·J·考利; H·加利克; J·N·E·梅森
Original assignee: BP Technology Ventures Ltd
Current assignee: BP Technology Ventures Ltd
Priority date: 2009-03-13
Filing date: 2010-03-10
Publication date: 2012-02-08
Anticipated expiration: 2030-03-10
Also published as: DK2406460T3; AU2010101530A4; EP2233690A1; BRPI1009109A2; EP2406460A1; US9163489B2; US20120003043A1; BRPI1009109B1; EP2406460B1; CA2754927A1; WO2010103275A1; AU2010222694A1; JP5661655B2; CN102348866B; CA2754927C; JP2012520169A

Abstract

一种通过至少一个注入井(202)向含水层或枯竭油气储层(211)注入CO₂的方法被描述，注入井穿过所述的含水层或储层，其中注入井设置有与注入井密封接合的注入管(203)。注入管终止于所述含水层或所述储层的待注入CO₂的区段或者紧挨着地在该区段之上终止，注入管在其底端或者底端附近设置流体注入控制阀(208)，所述阀是关闭的或者当阀上面的压力小于预设压力值时关闭，并且当阀上面的压力处于所述的预设压力值或高于所述的预设压力值时该阀打开或重新打开，选择预设压力值使得注入管内的CO₂保持在液态或者超临界状态。

Description

流体的注入

本发明涉及向低压油气储层或者低压含水层内注入低温流体的方法和装置。本发明尤其涉及向多孔和可渗透地下油气储层，特别是枯竭天然气储层内注入二氧化碳(CO₂)并将该CO₂储存其中。

CO₂是一种在某些工业生产中，例如制造氨，和在燃烧煤、石油或天然气等化石燃料的发电厂里，和在通过重整烃原料生产氢的制氢厂内，作为副产品大量生产的气体。由于这种副产品是温室气体，因此将它释放进大气是不期望的。人们已经付出很多努力开发除了释放到大气中之外的其他处理CO₂的方法。一项让人特别感兴趣的技术就是将CO₂注进多孔地层的地下处理。

相应地，地下油气储层可能适合用于CO₂的地下处理。当CO₂注进多孔且可渗透的油气储层时，注入的CO₂可能有利地向生产井(采出油气的井)驱赶储层中的烃(例如石油)，因此实现了烃回收的提高和CO₂的隔离。

也可以设想枯竭的油气田可能提供储存CO₂的机会。通常，油气田可包括多个储层。如果烃的生产已经将储层压力降低到低于原始(生产前)值，而油气田或储层仍一直在生产烃，那么该油气田或储层就可能变枯竭。如果石油和/或天然气不再从油气田或储层中生产出来(即生产井被关闭或废弃)，那么该油气田或储层也可能是枯竭的；石油和/或天然气被产出以前所占用的储层的岩石地层内部的空间可提供可储藏CO₂的空间。枯竭储层可在陆上或海上油气田中找到。

提供一种用于向油气储层注入流体，例如注入水的系统是众所周知的，其中该系统包括与注入井的井壁呈密封关系的注入管。泵设备沿着管线将流体泵送至井口并进入注入管。提供井口节流器以调节从管线进入注入管的泵送流体流。注入管内可设置井下安全阀。

然而，由于低储层压力条件(例如其通常与枯竭的天然气田有关)下CO₂的相变行为，向枯竭油气田或储层中注入CO₂可能是困难的。

CO₂的相行为可以参照图1所示的相图来理解。这个相图显示了CO₂作为气体、液体、固体或作为超临界流体存在的区域。多个曲线代表处于平衡状态下(在三相点，固相、液相和气相共存)的两相共存的温度和压力。气液共存曲线被称作沸点曲线。沿着沸点曲线向上移动(温度和压力都增加)，液体的密度由于热膨胀变得更小，气体的密度由于压力增加变得更大。最终，两相的密度汇合于一点并变得相同，气液之间的区别消失，沸点曲线到达临界点处的一端。CO₂的临界点在压力为73.8bara(P_c)、温度为31.1℃(Tc)时出现。当液态CO₂处在高于其临界点温度(T_c)和临界压力(P_c)时，CO₂是超临界流体。当CO₂处在低于临界温度并高于其临界压力时，CO₂也是液态或者固态(取决于其温度和压力)。

人们一般希望被隔离的CO₂处于最大化存储的状态，尤其是，它以高密度材料(液体或超临界流体)的形式存在，这种高密度材料每单位体积具有最大量的CO₂摩尔数。因此，CO₂以液态或者超临界状态被注进(后来被储藏于)储层可能是优选的。

然而，枯竭油气储层可能具有小于1000psia(69bara)的最初储层压力，尤其是具有小于500psia(34bara)，例如200至300psia(14至21bara)的压力。正如所意识到的，在通常在注入井内所经历的温度(例如，0至100℃的温度)下，这样的压力处于CO₂的临界压力之下。因此，如果注入井内的压力降到低于CO₂的临界压力，注入的液态或超临界CO₂会在注入井内，也可能在注入管内，可转变成气态。

例如，如果注入井能够容纳比送入注入井的更多的流体时，问题就出现了。就水注入井来说，这个问题会通过降低在井口的注入压力以维持注入系统稳定性(被称为“抑制”井)来解决。然而，对于CO₂的注入，因为井口压力下降到低于大约45bara(环境温度条件下)，将导致CO₂在紧挨着井口的下游经历变为气态的相变，所以在井口处可以对井的抑制的程度是有限的。这样的相变一般是不期望的，因为从液态到气态的相变可能导致液体密度的显著变化，因此通过节流器的压力明显改变。例如，通过节流器的压力梯度可能下降十倍(例如，从0.35psi/ft至0.035psi/ft)，可能引起注入的不稳定。

因此应当意识到注入系统的简单抑制不太可能使CO₂稳定注入枯竭天然气储层。例如，即使在井口处压力保持在高于大约45bara(环境条件下)从而避免液体到气体的相变，那么储层压力仍可能足够低，使得注入的CO₂在注入管或注入井内可能膨胀并经历相变变为气态。

在上面所描述的已知注入系统中，另一个重要的问题可能在开始阶段随着CO₂注入而发生。通常，液体CO₂可在大约70bara的压力下泵送。极低的储层压力(例如200-300psia；14-20bara)将导致井口压力非常低；例如，井口的最初注入压力可能是大约45bara。于是，在液体CO₂注入的开始期间，可能存在通过节流器的明显的压降，例如从70到10para的压降。归因于Joule-Thompson效应，如此的压力将伴随着温度下降，这可能导致CO₂经历到固态(干冰)的相变，这可能阻碍通过管线的流体流动。因此，应当理解，在CO₂注入枯竭储层的开始期间，需在注入井内不存在形成干冰的明显的风险。在已经关闭一定时期的井内重新开始注入CO₂时可能出现同样的问题，因为较低的储层压力可能导致较低的关闭井口压力，这可能带来形成干冰的升高的风险。

本领域技术人员将意识到在注入管内维持稳定的液体或超临界CO₂柱也是重要的，因为与该柱相关的静水头压力对井下压力做出巨大的贡献。

本发明解决了确保CO₂高效注入枯竭储层同时维持注入管内稳定的液体或超临界流体CO₂柱的问题。本发明也力图大幅度减少或避免在CO₂注入期间固态CO₂在井口处或者紧邻井口的下游处的沉积。

因而，根据本发明，提供了一种通过至少一个注入井向含水层或枯竭油气储层注入CO₂的方法，该注入井穿过所述的含水层或储层，其中该注入井设置有与注入井密封接合的注入管，并且含水层压力或者枯竭油气储层的储层压力小于CO₂的临界压力，该方法包括操作注入设备，在高于CO₂的临界压力下沿在注入井的注入管内向下注入CO₂流，该流呈液态或超临界状态；

其特征在于该注入管终止于该含水层或储层的待注入CO₂的区段处或者紧挨着地位于该区段之上，注入管在其底部或者底部附近设置有流体注入控制阀，该阀是关闭的或者当该阀上面的压力小于预设压力值时关闭，并且当该阀上面的压力处于所述的预设压力值或高于所述的预设压力值时该阀被打开或重新打开，选择所述预设压力值使得注入管内的CO₂被维持在液态或者超临界状态。

流体注入控制阀通常是单向阀，例如，包含弹性-偏压元件的阀，该弹性-偏压元件致动阀元件以致阀在预设压力值或高于预设压力值时打开，在低于这个预设压力值时关闭。该弹性-偏压元件通常包括氮气圆顶或弹簧，例如金属弹簧。

应当理解该方法可采用包含弹性-偏压元件的任何合适的阀，该弹性-偏压元件驱动阀元件，以致阀在预设压力值或高于预设压力值时打开，在低于这个预设压力值时关闭。特别是，本发明的各个方面不局限于使用在附图中示出的和下面描述的特定的阀或者特定类型的阀。

阀优选包括可移动构件，其关闭位置和打开位置之间可移动，在关闭位置该构件实现阀的关闭，在打开位置该阀打开。优选地，该构件被设置以致在使用中CO₂流直接对移动构件的一部分施加力。如果该所施加的力高于阈值，则可移动构件被移至打开位置或保持在打开位置；如果该施加的力低于阈值，可移动构件保持在关闭位置，或被移至关闭位置。优选地，可移动构件被偏压至关闭位置。

单向阀的预设压力值取决于注入井的注入管内的液体或超临界CO₂柱的静水头压力，静水头压力进而取决于被注入井穿过的含水层或枯竭油气储层的深度。预设压力值通常可能在200至300bara的范围，优选在225至275bara的范围，例如240至255bara的范围。

有利的是流体注入控制阀的使用防止了注入的液体或超临界流体CO₂在该阀之上的注入管内经历相变而变为气态。

进一步地，流体注入控制阀可用于维持井口处的压力高于一定压力，比如说45bara，从而降低了通过节流器的任何压力降，并因此降低了形成干冰的风险。

流体注入控制阀也可减少或基本消除了在注入的初始阶段对泵送流体流的抑制的需要。

通常，待被隔离的CO₂在75至250bara范围内的压力下、在环境温度下，例如0至40℃范围内的温度，通常是0至20℃范围内的温度，被输送到注入设备。因此在输送期间，CO₂是液态或超临界状态。将液体或超临界流体输送到含水层或油气储层的注入设备比输送气态CO₂更加高效，因为不需要压缩机。代替地，液体或超临界CO₂可被泵到在管线输送压力。

管线内的压力降可能是小的，例如，小于25psia(1.7bara)的压力降。因此，CO₂可基本在管线输送压力下到达含水层或油气储层的注入设备。本领域技术人员可理解的是，在管线内的任何压力降的程度取决于多个因素，例如沿着管线长度的环境温度的改变、管线长度以及管线穿过的地势等因素。

必要的话，注入设备可包括至少一个泵以增加CO₂压力至预期注入压力。

注入管通常延伸进入注入井到达邻近或紧挨着地位于含水层或储层的待注入CO₂的区段之上的位置。可以预见，注入管的内径可在3至7.0英寸(7.6至17.78cm)的范围内，优选4至5.5英寸(10.2至13.97cm)。

如果注入管和注入井的井壁之间存在环形空间，必须把它密封。为此，优选在注入管底部处或接近底部处设置封隔器。

本领域技术人员可理解的是，注入井内的井下压力包括两部分：(a)井口压力；(b)注入井内的液体CO₂或超临界CO₂柱的静水头或重力。

因此，由于流体柱的水头压力对注入井内紧邻枯竭油气储层的压力有贡献，所以一般希望在注入井的注入管内维持液体或超临界流体CO₂柱。因此本发明的一个优势是在流体注入控制阀之上的注入管内的流体被维持在液态或超临界状态，以致该流体柱具有显著的压头。

应当意识到的是，液体CO₂或超临界CO₂等密实流体柱的静水头远远高于气态CO₂柱的静水头，以致与将气态CO₂向下注入井眼相比，可采用较低的井口压力。因此，本发明的工艺通过减少或消除注入管内的CO₂经历相变变为气态的风险可降低注入成本。

油气储层可以是任何天然积聚了石油，天然气或气体凝析油的地质构造、地层、油砂、储层岩石等。通常，多个注入井和多个生产井都穿透油气储层。在向枯竭储层注入CO₂期间，生产井可保持生产。或者另一种选择，生产井可关闭或废弃。也可以设想至少一些生产井，优选全部生产井，可转换为注入井，并且剩余的生产井可关闭或废弃。在CO₂注入低压含水层的情况下，在大多数情形下，仅仅存在注入井。

通常，可一直向油或气储层内注入CO₂，直到储层压力已经上升至原始储层压力为止。在油或气储层保持生产的情况下，注入井和生产井随后可被废弃，CO₂的安放量因此被隔离。当然，如果储层不再生产烃，则任何生产井可在CO₂开始注入之前就已被关闭或废弃或者可已被转换为注入井。

在CO₂注入低压含水层的情况下，含水层内的压力不应当被允许上升到含水层在注入井已经关闭或废弃后不能容纳该CO₂的那么高的压力值。因此，含水层内的最终压力将取决于岩石层、特别是覆盖水层岩石层的地质情况。

本领域技术人员将理解的是，一旦CO₂注入已经引起含水层或储层的井眼附近区域中的压力上升到高于ca.1000psia(ca.69bara)的值，那么流体注入控制阀就可从注入管移除，因为不再存在注入管内的CO₂经历相变变为气态的显著风险。然而，流体注入控制阀仅应在含水层或储层的井眼附近区域中的压力没有消散并因此下降到小于ca.1000psia(ca.69bara)的值的风险时才能移除。这个阈值压力值取决于储层温度或含水层的温度。

因此，流体注入控制阀优选是可用钢丝缆绳取回的。

优选地，在使用中，流体注入流动控制阀可安装在注入管中设置的短节中。

输入的CO₂流可向下注入一个或多个已存在的注入井(例如，水注入井或水气交替(WAG)注入井)和/或转换的生产井，该生产井通过在注入管的底部处或附近设置流动控制阀已被改进，和/或被注入一个或多个为注入所输入的CO₂流已被专门设计的注入井，该注入井具有位于注入管底部或底部附近的流动控制阀。

输入的CO₂流可能是发电厂(例如从烟道气中回收)的副产品流，或者可能是制氢厂的副产品(例如从包括氢和CO₂的气流中分离出，氢随后一般被用于发电厂产生电力)。输入的CO₂流也可能源自天然气厂，在天然气厂CO₂从天然气产品流中分离出来。另外，输入的CO₂可能是制氨的副产品。

应当意识到的是本发明的多个方面可用于任何CO₂流，与它的来源无关。

输入CO₂流优选在干基上包括至少95％，例如至少98％的CO₂。因而，输入的CO₂流可包括微量另外选自氢、一氧化碳、氮及他们的混合物的成分。例如，在输入的CO₂流从制氢厂获得的情况下，另外的成分大多数是氢和一氧化碳。通常，在输入CO₂流中的氢的量小于1％重量百分比。

虽然输入的CO₂流不必是单一组分流，但在许多实例中输入CO₂流内的杂质量非常低，以致该流的相行为与纯CO₂的相行为类似。在其他的实例中，CO₂流中的杂质量可能较高。

可以理解的是，本发明的多个方面可应用任何合适的CO₂流，与流的组分无关。应意识到的是，该流将包括至少90％，优选至少95％，更优选至少98％的CO₂。然而，在具有较低CO₂含量的流方面，本发明也可被应用。例如，该含量可能是80％、70％，甚至更低。然而，在许多示例中已证明，在将如此低CO₂含量的流注入枯竭储层在经济上是不太可能有利的。优选地，CO₂流包括至少95％摩尔含量的CO₂。然而，在大多数情况下，流中CO₂摩尔百分比不会影响注入方法。

在输入的CO₂的压力低于期望井口压力的情况下，它可被送至注入设备的一个或多个注入泵(例如一个、两个、三个或四个串联的泵)，以使CO₂达到期望井口压力。优选地，输入的CO₂可被送到歧管，该歧管能将CO₂转移至一个或多个注入井并注入含水层或储层。

本领域技术人员众所周知，含水层或油气储层的平均压力(并因此用于将CO₂流注入含水层或油气储层所需的井下压力)随着储层的深度、岩石的类型以及其它因素而变化。例如，含水层或油气储层越深，井下压力就越高。一般来说，油气储层的平均压力受注入井的压力和生产井(当储层保持生产时)的压力控制。通常，为了保证CO₂被注进含水层或储层，有必要确保注入井内的井下压力维持在高于含水层或油气储层的平均压力的压力值。

根据本发明的一方面，提供一种向含水层或枯竭油气储层注入CO₂的系统，该系统包括：穿过储层或含水层的注入井，该注入井设置有注入管，注入管在其底部或接近底部处与注入井的壁密封接合；位于注入井内、紧邻油气储层或含水层的流体注入区段；注入设备，用于泵送包括液体或超临界CO₂的CO₂流进入注入井并向下进入注入管；其特征在于该注入管终止于流体注入区段内或紧挨着地在该流体注入区段之上终止，并且该系统还包括位于注入管内的在该注入管底部或接近底部处的流体注入控制阀，该流体注入控制阀适合于处于关闭或当该阀上面的压力小于预设压力值时关闭，并且当该阀上面的压力处于所述的预设压力值或高于所述的预设压力值时打开或重新打开，选择该预设压力值使得注入管内的CO₂被维持在液态或者超临界状态。

根据本发明的另一个方面，提供向低压油气储层或低压含水层注入CO₂的系统，该系统包括：

穿过储层或含水层的注入井，该注入井设置有注入管，注入管与注入井的壁密封接合；

位于注入井内、紧邻油气储层或含水层的流体注入区段；

注入设备，用于泵送包括液体或超临界CO₂的CO₂流进入注入井并向下进入注入管；

其特征在于，该注入管终止于流体注入区段内或紧挨着地在流体注入区段之上终止，并且该系统还包括位于注入管内在该注入管底部或接近底部处的流体注入控制阀，该流体注入控制阀包括阀关闭元件、阀座和致动装置，其中，该致动装置提供给阀关闭元件偏压力，该力能够被由注入管内的液体或超临界CO₂柱施加到阀关闭元件上的力抵消或超过，并且其中，在使用中，当注入管内的液体或超临界CO₂柱施加的力小于致动装置提供的偏压力，使得阀关闭元件被致动装置推进与阀座接合时，阀关闭，因此阻止了注入的CO₂到达注入井的流体注入区段，并且在使用中，当注入管内的液体或超临界CO₂柱施加的力大于或等于偏压力时，阀打开。

选择由阀致动装置提供的偏压力以使阀在预定或预设压力值下关闭，选择这个预定值以使注入管内的CO₂被维持在液态或超临界状态。

注入管往往设置密封装置，例如封隔器，其密封注入管和注入井的壁之间的环形空间。

注入井可有作为衬的套管。围绕流体注入区域的套管部分可设有穿孔，以允许井和储层之间的流体连通。作为选择，注入井也可裸眼完井。

注入设备可置于地面上，例如陆地或海上平台。作为选择，注入设备也可置于水下位置。CO₂从注入设备经由注入流动管线传送至注入井。注入井往往设置井口并且注入流动管线在井口终止。

在注入设备处，CO₂可达到期望输送压力。作为选择，注入设备也可设置一个或多个用于CO₂增压以达到期望输送压力的增压泵。

该系统可包括至少一个井下安全阀。

该系统可包括节流阀，该节流阀通常位于井口中。

根据本发明的另一方面，提供一种在井下使用的流体注入控制阀，包括：

·具有入口和出口的主体；

·入口和出口之间的阀装置，该阀装置包括阀座和阀关闭元件；和

·致动装置，该致动装置提供推动阀关闭元件靠在阀座上以关闭该阀的偏压力，因此阻止注入流体通过该阀；

其特征在于：在使用中，仅当阀关闭元件上由于受到注入流体的压力而产生的力大于偏压力时，该阀才打开。

该致动装置可被选择为使得，在使用中，每当注入流体的压力下降到低于预设值时就关闭该阀，该预设值取决于注入井的深度。如上所讨论，预设值的范围一般在200至300bara，例如225至275bara，特别是240至255bara。

致动装置可包括弹性偏压装置，例如弹簧或填充气体的波纹管或圆顶。通常，填充气体的波纹管或圆顶被充填惰性气体，例如氮气。

阀还可包括用于在预期使用位置处固定阀的接合装置，例如连接装置，优选在使用中可释放地连接该阀至，井壁、套管或注入管。接合装置可适用于与在注入管内的短节轮廓接合。

阀可能还包括用于连接，优选地可释放地连接阀与钢丝缆绳的装置。当阀被插入井或从井中取回时，该阀可在钢丝绳上悬挂。因此，阀可以是可用钢丝缆绳取回的。

阀还可包括一个或多个可操作以阻止阀周围的流体流、而非阻止通过阀的流体流的密封元件。必要的话，该密封元件可是可充气或可膨胀的。

阀可被用于本发明的一个或多个方法。附加地或可选择地，阀可包含在根据本发明的注入系统中。

值得注意的是，本发明的流体注入控制阀的使用可在关井期后，特别是较短的关井期后，允许安全和稳定的注入井启动。由于在较长的关井期间，必须关闭注入系统内的所有其他阀(例如井下安全阀和与井口相关的阀，例如主阀、翼阀和井口节流器)，因此在较长的关井期后，可能需要辅助气体的供应，例如氮气，以产生井口节流器的下游的背压。

因此，必要的话，可设置氮气注入管线，用于向井口节流器(井口)下游的注入井内注入氮气，以在延长的关井期间产生足够的井口节流器的下游的背压，因此减轻了注入管内的CO₂经历相变变为气态的风险。

为了使本发明更容易理解，现在将参照附图仅通过实例来描述本发明，其中：

图2示出了根据本发明的CO₂注入系统。

图3是根据本发明的流体注入控制阀的部分截面。

图2示出了向地下储层注入CO₂的系统2。系统2包括内衬套管的井202。井202从地面向下延伸并穿过枯竭油气储层211。套管设有允许流体从井202流进储层211的穿孔210。储层211包括近井眼区域212，即储层靠近穿孔210的区域。

系统2还包括在地面位置上的CO₂泵送设备201。泵送设备201与管线204连接，管线连接泵送设备201和井口213。位于管线204内的是井口节流器205。

井口213位于注入管203的上端，管203延伸入井202并使其下端到达注入区域209，即井202内靠近穿孔210的区域。井下安全阀206和流体注入控制阀208设置在管203内。井下安全阀206位于流体注入控制阀208之上并远离流体注入控制阀208一定距离。流体注入控制阀208的位置相对靠近管203的下端，紧邻枯竭油气储层或低压含水层。流体注入控制阀208被偏压到关闭位置，因此除非流体注入控制阀208之上的流体逐渐累积足够的压力，否则该控制阀阻止CO₂流进注入区域209。

井口213包括一系列阀(未示出)，这些阀是本领域技术人员熟悉的，例如，翼阀、抽汲阀、压井翼型阀和上、下主阀。

管203和井202套管之间存在环形通道。提供封隔器207来密封这个通道；封隔器207将注入区域209与井202的剩余部分密封开。

在注入管的下端或朝向注入管的下端，注入管可优选包括坐落短节(未示出)以为流体注入控制阀208提供安放位置。流体注入控制阀208可包括在该短节处与注入管接合的密封构件。

注入管203可被安装就位以在系统中使用，或者，作为另一种选择，它可包括现有管，例如在另一个注入过程或烃生产期间，在井内处于合适位置的管。在现有的管可被使用的情况下，这有利于降低安放系统就位的费用。

流体注入控制阀208优选是可用钢丝缆绳取回的。因此，它可以相对快速并易于部署。

可选择地，系统可包括一个或多个增压泵以辅助增加泵送的CO₂的压力，例如在启动时从而引起流体注入控制阀208打开。

现在将描述该系统的操作方法。泵送设备201沿着管线204泵送液体或超临界CO₂，并通过井口节流器205到达井口213。泵送的CO₂随后进入注入管203和沿着管203向下泵送至流体注入控制阀208。流体注入控制阀208之上的被泵送CO₂的压力随后上升；一旦这个压力足够(临界压力)提供足够大的力，流体注入控制阀208将打开。

如果流体注入控制阀208之上的被泵送的CO₂的压力下降到低于临界压力，那么流体注入控制阀208将关闭。

当流体注入控制阀208打开时，泵送的CO₂可流进注入区域209。注入区域与注入管203内泵送的CO₂相比，压力往往是相当低的。因此，泵送的CO₂随着进入注入区域209，可能变成气相。封隔器207阻止任何CO₂从注入区域向上的注入管203和井202的套管间的环形通道的逃逸。

穿孔210允许CO₂进入枯竭油气储层211。当CO₂进入储层211时，基于压力条件，它可能是液相或者气相。然后，CO₂将渗透进储层211并隔离在其中。

应当意识到储层211内可能存在多个压力差，这些压力差影响着注入的CO₂的相行为。特别是当CO₂注入继续进行时，由于CO₂流进储层211的速度可超过储层211内CO₂的渗入速度，因此靠近井眼区域212内的压力可能增加。因此，可能的是，CO₂以液相进入储层211，但是当它渗透远离靠近井眼区域212进入更远、更低压力的储层区域时，其变为气体。

现在，将参照图2提供和说明如何预见该系统能在实践中运行良好的示例。在这个例子中，泵送设备201位于陆上，例如在英国，而储层211在接近海床下3000米，例如在北海。在这个例子中的储层211是具有200-300psia(14-20bara)范围内的最初储层压力的枯竭天然气储层。

CO₂被捕获，例如从发电厂。然后，捕获的CO₂从捕获的工厂运输到泵送设备201，例如，在英国的例子中，运输在70bara的压力和环境温度下进行，比如说在0到20℃之间。在这些条件下，应当意识到CO₂将是液相。

液体CO₂然后被沿着管线204向海泵送至井口213。井口的环境条件取决于海床处的温度，该温度可能季节性变化。因此，井口213处的压力可能低于70bara。

泵送的CO₂然后将注入管203，但是一开始，其沿着注入管203的前进将被流体注入控制阀208阻止，该阀被偏置以致于在注入开始时，阀是关闭的。

因此，在注入管203内，在流体注入控制阀208之上，形成CO₂柱。流体注入控制阀208上形成的CO₂柱施加力给流体注入控制阀208的闭合元件。由于CO₂持续泵入注入管203，这个力随着柱内压力的增加而增加。

在这个例子中，流体注入控制阀208被设计成当阀上压力超过大约250bara时，阀将打开。

在这个例子中，应当意识到在一般的井下温度(例如0至100℃)下，在250bara的压力下，CO₂是液相或超临界流体相。因此，在注入管内形成稳定的液体或超临界CO₂柱。

流体注入控制阀208打开，允许CO₂以液相或超临界流体相流进注入区域209。然后，CO₂通过穿孔210进入储层211.

在这个例子中，如果流体注入控制阀208上的CO₂的压力下降到低于250bara，流体注入控制阀208随后将关闭。因此，流体注入控制阀208阻止了在注入管203内，CO₂从液态或超临界流体态变为气相的相变的发生，该相变由于将引起泵入CO₂柱变得不稳定，因此是不期望的。

本领域技术人员应当理解，流体注入控制阀可设计成响应于阀上流体中形成的CO₂的任何合适的压力而打开。例如，流体注入控制阀可包括弹性偏压装置，该装置可设计为在比如说105、110、120、150bara或者一些其他预定压力，例如100和500bara之间，比如说100和200bara之间的阀上压力下被克服。

虽然本发明用垂直井眼来举例，本领域技术人员将意识到本发明的方法和系统也可在斜井或水平井上实施。

如图3部分截面所示的流体注入控制阀3包括大体上圆形截面的细长的主体，该主体包括宽的上部31a和窄的下部31b。在上部31a和下部31b之间是中间锥型部35。上部31a包括顶部32，顶部32包括入口(未示出)。锥型部35包括至少一个出口34。该入口通向主体31的上部31a内的通道33。通道33的下端以阀座37终止。阀座37位于入口和上述或每个出口之间。阀座37适合容纳阀关闭元件38以阻止流体流到上述或每个出口。

阀关闭元件38连接到轴39。轴39从阀关闭元件38向下延伸达到主体的下部31b内。阀关闭元件38和轴39合起来可叫做提升阀。轴39在阀关闭元件38和位于下部31b的下部的充氮金属波纹管36之间延伸。

金属波纹管36内包含的氮气的压力偏压提升阀，以致于阀关闭元件38与阀座37接合，因此除非阀上累积足够的流体压力，否则将关闭通过阀的流体流动。

附图3示出了打开状态的流体注入控制阀3。CO₂流进和流出阀3的方向如实箭头所示。

在使用中，阀3安装在井下，优选与注入管下部密封接合，从而上部31a和注入管之间形成了密封。从出口或每一个出口流出的CO₂能够流进围绕阀的主体的下部31b的空间，例如阀3的主体的下部31b和注入管之间的环形空间。

根据本发明的阀特别适合用于注入的液体或临界流体CO₂。正如所意识到的，像这样的低温流体对阀提出了特定要求，特别是关于材料的选择。例如，当阀的某些部分，例如壳体，为金属材质时，需要选择合适的冶金工艺，例如可加工的不锈钢或者铬或镍合金钢。阀密封材料的选择也需要适用于低温流体，特别是CO₂。

基于预期井的条件，用于向枯竭烃，例如天然气，储层注入液体CO₂的典型的操作参数是类似于下表中给出的那些参数。

表1-CO₂注入操作参数

进一步地，虽然本发明已经描述了向枯竭油气储层内的CO₂的注入和后来的存储，但可预见的是本发明的原理在任何情况下都将具有效用，任何情况是指当向低压系统内注入时期望保持注入的稳定性。尤其是，低压系统可理解为指任何系统，它的压力低于待在给定温度下被注入的流体的临界压力，Pc。例如，在向枯竭天然气储层注入液相或超临界流体CO₂的情况下，储层压力将小于该流体的温度下的Pc(CO₂)。

Claims

1.一种通过至少一个注入井向含水层或枯竭油气储层注入CO₂的方法，所述注入井穿过所述的含水层或储层，其中所述注入井设置有与所述注入井密封接合的注入管，并且其中所述含水层的压力或者所述枯竭油气储层的储层压力小于CO₂的临界压力，所述方法包括操作注入设备，从而在高于CO₂的临界压力的压力下，沿着注入井的注入管向下注入CO₂流，所述流呈液态或超临界状态；

其特征在于，所述注入管终止于所述含水层或所述储层的待注入CO₂的区段处或者紧挨着地在该区段上终止，并且所述注入管在其底端或者底端附近设置有流体注入控制阀，所述控制阀是关闭的或者当该阀上面的压力小于预设压力值时关闭，并且当阀上面的压力处于所述的预设压力值或高于所述的预设压力值时该阀打开或重新打开，选择所述的预设压力值使得注入管内的CO₂被维持在液态或者超临界状态。

2.如权利要求1中的所述的方法，其中：所述的流体注入控制阀是包含弹性-偏压元件的单向阀，所述的弹性-偏压元件致动阀元件，以致阀在所述的预设压力值或高于所述的预设压力值时打开，并在低于所述的预设压力值时关闭。

3.如权利要求1或2中的所述的方法，其中预设压力值在200至300bara的范围内，优选在225至275bara的范围内，例如在240至255bara的范围内。

4.如前面任意一项权利要求所述的方法，其中密封装置设置在注入管的底部或底部附近，以致于注入管与注入井的壁密封接合。

5.如前面任意一项权利要求所述的方法，其中多个注入井和多个生产井都穿过枯竭油气储层，并且所述生产井或者在向枯竭油气储层注入CO₂期间保持生产，或者所述生产井被关闭或废弃。

6.如前面任意一项权利要求所述的方法，其中所述的流体注入控制阀是可通过钢丝缆绳取回的，并且在使用中，安置在设置在注入管内的短节中，并且其中，一旦所述含水层或所述储层的靠近井眼区域中的压力上升到高于大约1000psia的值，所述的流体注入控制阀就从注入井内取回。

7.一种向含水层或枯竭油气储层注入CO₂的系统，所述的系统包括：

穿过所述储层或含水层的注入井，所述注入井设置有注入管，所述注入管在其底部或接近底部处与所述注入井的壁密封接合；

位于所述注入井内、紧邻所述油气储层或含水层的流体注入区段；

注入设备，用于泵送包括液体或超临界CO₂的CO₂流进入所述的注入井并向下进入注入管；

其特征在于，所述注入管终止于流体注入区段内或紧挨着地在该流体注入区段之上终止，并且所述系统还包括位于所述注入管内在其底部或接近底部处的流体注入控制阀，所述的流体注入控制阀适合于处于关闭或当阀上面的压力小于预设压力值时关闭，并且适合于当阀上面的压力处于所述的预设压力值或高于所述的预设压力值时打开或者重新打开，选择所述的预设压力值以使得所述注入管内的CO₂被维持在液态或者超临界状态。

8.根据权利要求7的系统，其中，所述阀包括可移动构件，所述可移动构件可在关闭位置和打开位置之间移动，在关闭位置，该可移动构件实现阀的关闭，在打开位置，该阀是打开的。

9.根据权利要求7或8的系统，所述构件被设置成以致在使用中CO₂流直接对可移动构件的一部分施加力，并且如果所施加的力高于阈值，则所述可移动构件移至打开位置或保持在所述打开位置；如果所施加的力低于所述阈值，所述可移动构件保持在关闭位置，或移至所述关闭位置。

10.根据权利要求8或9的系统，所述的可移动构件被偏压至所述关闭位置。

11.一种用于实施权利要求1至6中任一项所述方法的系统。

12.一种向低压油气储层或低压含水层注入CO₂的系统，包括：

注入设备，用于泵送包括液体或超临界CO₂的CO₂流进入所述注入井并向下进入所述注入管；

其特征在于，所述注入管终止于所述流体注入区段内或紧挨着地在所述流体注入区段之上终止，并且所述系统还包括位于所述注入管内并在其底部或接近底部处的流体注入控制阀，所述流体注入控制阀包括阀关闭元件、阀座和致动装置，其中，所述致动装置提供给所述阀关闭元件偏压力，所述偏压力能够被由所述注入管内的液体或超临界CO₂柱施加到所述阀关闭元件上的力抵消或超过，并且其中，在使用中，当所述注入管内的液体或超临界CO₂柱所施加的力小于所述致动装置提供的所述偏压力，使得所述阀关闭元件被所述致动装置推进与阀座接合时，该阀关闭，从而阻止了注入的CO₂到达所述注入井的所述流体注入区段，而在使用中，当所述注入管内的液体或超临界CO₂柱所施加的力大于或等于所述偏压力时，所述阀打开。

13.如权利要求7至12任一项所述的系统，其中，所述注入管设置有密封装置，例如封隔器，其密封所述注入管的底部和所述注入井的所述壁之间的环形空间。

14.如权利要求7至13任一项所述的系统，其中，所述注入井设置有井口，并且CO₂从注入设备经由终止于所述井口的注入流动管线传送至所述注入井。

15.如权利要求7至14任一项所述的系统，其中，所述的系统另外包括至少一个井下安全阀和节流阀，其中所述的节流阀位于所述井口。

16.一种用于权利要求1至6中任一项的方法中的流体注入控制阀。

17.一种用于注入井中的流体注入控制阀，包括：

具有入口和出口的主体

所述入口和所述出口之间的阀装置，所述阀装置包括阀座和阀关闭元件；和

致动装置，所述致动装置能提供推动所述阀关闭元件靠在所述阀座上以关闭阀的偏压力，因此阻止注入的流体通过所述阀；

其特征在于：在使用中，仅仅当所述阀关闭元件上由于受到注入的流体的压力而产生的力大于所述偏压力时，所述阀才打开。

18.如权利要求17所述的流体注入控制阀，其中，所述致动装置被选择为，使得在使用中，每当所述注入的流体的压力下降到低于预设值时就关闭所述阀，所述预设值取决于所述注入井的深度，其中，所述预设值的范围是200至300bara，例如225至275bara，特别是240至255bara。

19.如权利要求17或18所述的流体控制阀，其中，所述致动装置包括选自弹簧或充气波纹管或充气圆顶的弹性偏压装置，其中充气波纹管或圆顶被充填惰性气体。

20.如权利要求17至19任一项所述的流体控制阀，其中，所述阀还包括(a)接合装置，用于可释放地固定所述阀和注入管内的短节轮廓，所述注入管布置在注入井内；(b)用于可释放地连接该阀和钢丝缆绳的装置，当该阀被插入注入井的注入管或从注入井的注入管中取回时，该阀可悬挂于该钢丝缆绳。

21.如权利要求17至20任一项所述的流体控制阀，其中，所述阀还包括一个或多个可操作以阻止该阀周围的而非穿过该阀的流体流的密封元件。

22.一种基本如本文所述的方法、装置或系统，优选参考一个或多个附图。