CN103314179A - 提高地下储层的油采收率的系统和方法 - Google Patents

Abstract

公开了利用动电感应迁移来增强提高油采收率流体的分布用以提高地下储层的油采收率的系统和方法。通过注入井将提高油采收率流体注入含烃区。贯穿至少部分所述含烃区产生电场以引起所述提高油采收率流体的动电迁移。动电感应迁移允许所述提高油采收率流体与先前未被波及的多个储层部分接触，其结果提高通过生产井采收烃的采收率。

Description

提高地下储层的油采收率的系统和方法

相关申请的交叉引用

本专利申请要求2010年12月21日提交的具有序列号61/425,517的美国临时申请的权益，通过引用将其以其全文并入本文。

技术领域

本发明总体上涉及提高地下储层的油采收率的系统和方法，更具体地涉及在地下储层内利用动电感应迁移（electrokinetic-inducedmigration）来增强提高油采收率流体（enhanced oil recovery fluid）的分布的系统和方法。

背景技术

储层系统，例如石油层，通常含有包括水以及诸如油和气的烃类混合物的流体。为从储层开采烃类，可以使用一次采收工艺、二次采收工艺和三次采收工艺。

在一次采收工艺中，由于储层与井眼内井底压力之间高的自然压力差，烃类被从储层排出。储层的能量和自然力将储层中含有的烃类驱至生产井，直至地面。人工举升系统，例如有杆泵、电动潜水泵或气举系统，通常在一次开采阶段实施，以减少井内的井底压力。这些系统提高了储层和井眼入口之间的压力差；因而增加烃的开采量。但是，即使使用这些人工举升系统，在一次开采工艺中通常也仅能采收原始原油地质储量（OOIP）的一小部分。这种情形的原因是储层压力以及储层和井眼入口之间的压力差由于开采而随着时间减小。例如，或者在储层压力过低使得生产率不经济时，或者在产出流中气或水的比例过高时，在一次采收达到其极限之前，通常只能开采原始原油地质储量的约10-20%。

为了解决逐渐下降的采收率和提高储层的开采寿命，可使用二次采收工艺。通常，这些工艺中，将例如水或气的流体注入到储层中以维持储层压力并使烃类驱替至生产井。二次采收工艺已经将数十亿桶探明的油源转化为储量，并且与一次采收期间的产出相比通常产出额外10-30%的OOIP。还可采用例如使速率分配最优化、机械和化学调剖、加密钻井、井转换、井网重新排列、或它们的组合的另外措施以提高这些驱替工艺的驱扫效率。

尽管这些尝试，但是显著量的OOIP仍保持被截留在储层中，这是因为传统油采收方法（一次和二次）通常仅提取储层中所存在的油的至多约一半。因为油藏变老，油采收变得逐渐困难。流体的液压注入导致流体外窜穿过较高渗透性地形（feature），例如储层内存在的裂缝或较粗透镜体油藏，从而使储层的其它区域保持不被波及。此外，波及区中的未采收的油典型地是由于储层土壤和岩石的多孔骨架内的毛细管压力而被截留的不连续小滴和小珠形式。使用三次采收工艺例如化学驱（如注入表面活性剂、溶剂或氧化剂），气体混相驱（例注入二氧化碳或烃)，热采收（例如，蒸汽注入或原位燃烧），微生物驱，或它们的组合，试图进一步提高来自这些枯竭储层的采收率。

本文所使用的化学驱是指使用化学品或化学品混合物典型地通过降低储层中的界面张力和流体粘度来提高油采收率的注入工艺，目前占三次开采的一小部分。虽然最近在产生已显示出成功地从储层的多孔骨架释放圈闭的油珠的新的化学配方方面取得进展，但是注入的化学品和油之间的良好接触典型地由于流经高传导性区域的窜槽而受制于优先流动通道。因此，注入的化学品通常未与储层中圈闭的油的大部分接触。

注入聚合物可通过充当粘度调节剂对化学驱进行补充，从而减少外窜并且有助于使油运动或将油驱至生产井。在一些实施方案中，可使用聚合物来阻塞高传导性区域或渗透性地形，从而使注入的流体或化学品转入到先前未受到流经的区域中。然而，注入聚合物的益处通常是最小的，这是因为聚合物可移动到的井周围影响半径有限从而在储层的整个大部分中使流体动力学保持不变。因此，由化学驱产生的提高的油采收率通常低，例如小于约1%。由于注入化学品的成本，油采收率的这种低的提高很少是成本有效的，即使油采收率效率的稍微提高产出额外的1%残油可代表数十亿美元。

水驱或化学驱的主要局限是常规井注入技术不允许注入的流体和圈闭的油之间广泛接触。需要一种使注入的流体均匀地分布遍及储层的较大部分用以提高油采收率的方法。

概述

公开了一种用于提高地下储层中烃采收率的方法。注入井和生产井延伸到地下储层的含烃区中并且与其流体连通。所述方法包括通过所述注入井将提高油采收率流体注入所述含烃区中。贯穿至少部分所述含烃区产生电场以引起所述提高油采收率流体的动电迁移。通过所述生产井从所述地下储层的所述含烃区采收烃。

在一个或多个实施方案中，通过在含烃区内在具有相反电荷并且彼此间隔开的电极对之间放出直流电来产生电场。在一个或多个实施方案中，通过在与注入井连接的第一电极和与生产井连接的第二电极之间放出直流电来产生电场。在一个或多个实施方案中，通过在电极对之间放出小于约50伏/米的直流电来产生电场。在一个或多个实施方案中，直流电定期以脉冲方式产生。在一个或多个实施方案中，定期颠倒所述电极对的极性。

在一个或多个实施方案中，通过在散布于含烃区内的多个电极之间放出直流电来产生电场。可调节在所述多个电极中的一个或多个之间放出的直流电以使提高油采收率流体迁移到含烃区的未波及区域。

在一个或多个实施方案中，提高油采收率流体包含极性流体。在一个或多个实施方案中，提高油采收率流体具有净总电荷。在一个或多个实施方案中，提高油采收率流体包含水。在一个或多个实施方案中，提高油采收率流体包含表面活性剂。在一个或多个实施方案中，提高油采收率流体包含氧化剂。在一个或多个实施方案中，提高油采收率流体改变含烃区的地层基质的物理性质。

根据本发明的另一个方面，公开了用于提高地下储层中烃采收率的方法。该方法包括提供延伸到地下储层的含烃区中并且与其流体连通的注入井和生产井，以及在所述含烃区内提供具有相反电荷并且彼此间隔开的电极对。通过注入井将提高油采收率流体注入所述含烃区中。在电极对之间放出直流电以引起提高油采收率流体的动电迁移。通过生产井从所述地下储层的含烃区采收烃。

在一个或多个实施方案中，直流电小于约50伏/米。在一个或多个实施方案中，直流电定期以脉冲方式产生。在一个或多个实施方案中，定期颠倒所述电极对的极性。

在一个或多个实施方案中，电极对的电极与注入井连接。在一个或多个实施方案中，电极对的电极与生产井连接。

在一个或多个实施方案中，提高油采收率流体包含水。在一个或多个实施方案中，提高油采收率流体包含表面活性剂。在一个或多个实施方案中，提高油采收率流体包含氧化剂。在一个或多个实施方案中，提高油采收率流体改变含烃区的地层基质的物理性质。

根据本发明的另一个方面，公开了用于提高地下储层中烃采收率的方法。该方法包括提供延伸到地下储层的含烃区中并且与其流体连通的注入井和生产井。使多个电极散布于地下储层的含烃区内。通过注入井将提高油采收率流体注入所述含烃区中。在所述多个电极之间放出直流电以引起提高油采收率流体的动电迁移。通过生产井从所述地下储层的含烃区采收烃。

在一个或多个实施方案中，调节所述多个电极中的一个或多个放出的直流电以使提高油采收率流体迁移到含烃区的未波及区域。

附图简要描述

图1是根据本发明实施方案的油采收系统实例的示意性截面图，其包括在提升油采收操作期间与注入井和生产井流体连通的储层。

图2是根据本发明实施方案的油采收系统实例的示意性截面图，其包括在提升油采收操作期间与配备有电极对的注入井和生产井流体连通的储层。

详述

本文所述的系统和方法涉及提高储层的油采收率，其特别是通过动电感应迁移使储层内提高油采收率流体的分布最大化。关于常规提升油采收的综述是M.Baviere编辑的“Basic Concepts in EnhancedOil Recovery Processes”（Elsevier Applied Science,London and NewYork,1991就SCI所出版）。

参考图1，地下储层10包括多个岩石层，所述岩石层包括含烃地层或含烃区11。注入井13延伸到地下储层10的含烃区11中从而使注入井13与含烃区11流体连通。地下储层10可以是其中贮存烃的任何类型地下地层，例如石灰石、白云石、油母岩、砂岩或它们的组合。生产井15也与地下储层10的含烃区11流体连通以由其接收烃。将生产井15设置成距离注入井13预定横向距离。例如，可将生产井15设置成距离注入井13为100英尺-10,000英尺。如本领域技术人员所可容易地意识到，可存在另外的注入井13和生产井15，使得生产井15与注入井13以预定位置间隔开从而最佳地接收由注入井13的注入所推动的经过地下储层10的含烃区11的烃。此外，虽然在图1中未显示，注入井13和生产井15可偏离垂直位置使得在一些实施方案中，注入井13和/或生产井15可以是定向井、水平井或分支井。

如将在下文所进一步详细描述的，在操作中，通过注入井13将提升油采收(EOR)流体17注入到地下储层10的含烃区11中。EOR流体17包含极性流体或具有净总电荷的流体。例如，EOR流体17可以是水，这是因为其具有不均匀的电子密度分布，且因此包含极性分子。在一个或多个实施方案中，EOR流体17包含极性气体。在一个或多个实施方案中，EOR流体17包含具有净总电荷的化学品或化学品混合物。例如，EOR流体17可包含氧化剂（例如过氧化物、次卤酸盐、臭氧、过硫酸盐、高锰酸盐），还原剂(例如初生态氢、有机酸)，表面活性剂/助表面活性剂，溶剂/共溶剂，聚合物，或它们的组合。

在一些实施方案中，EOR流体17改变含烃区11的地层或岩石基体的物理性能，其例如通过提高基体的有效孔隙率和可透过性从而使烃更易获取（accessible）和更易采收。例如，油母岩常含有大量的紧密结合的碳酸盐和硫化铁矿（它们可使用酸例如产硫酸杆菌溶解）。这些碳酸盐矿物从页岩基体耗失，例如通过生物浸出，产生有效提高油母岩的孔隙率（例如从小于0.5%到约4或5%）和可透过性的新形成的孔穴，从而提高了烃的采收。在一些实施方案中，EOR流体17渗透入地层的孔隙空间中从而与圈闭的油珠接触使得释放出储层岩石基体的孔隙空间中圈闭的油。例如，EOR流体17可以是降低地下储层中水和油之间界面张力的表面活性剂使得释放出储层岩石基体的孔隙空间中圈闭的油。

参考图1，贯穿含烃区11的至少一部分产生电场以引起EOR流体17的动电迁移。动电感应迁移允许EOR流体17与先前由于常规液压注入的局限性而未被波及的多个储层部分接触，从而提高通过生产井15从地下储层10的含烃区11的烃采收率。由电极产生电场，所述电极施加穿过注入井13和生产井15之间的至少部分含烃区11的低电压直流电。

在一个实施方案中，设置一个或多个电极与注入井13连通使得带电（electrically charged）的注入井充当阳极或阴极。类似地，设置一个或多个电极与生产井15连通使得带电的生产井充当与注入井13相反的阴极或阳极。各自的电荷在地下储层10的含烃区11内所含的储层流体中产生电流，这引起EOR流体17的动电迁移使得其分布于地下储层10的含烃区11内。本领域技术人员可意识到，可在除与注入井13和生产井15连通外的位置设置另外的电极，使得产生能够将EOR流体17导引向地下储层10内多个区域的电场。在一些实施方案中，将电极直接设置在含烃区11内。在一些实施方案中，将电极设置在高于或低于含烃区11的位置例如在与含烃区11相邻的岩石层内。

电极可由任何导电材料例如碳或石墨制成。碳电极和石墨电极通常更为耐腐蚀。在另一个实施方案中，电极是也抑制腐蚀的导电聚合物材料或者本身导电的聚合物(ICP)。在一个实施方案中，电极产生小于约10伏/米(V/m)的低电压直流电。在另一个实施方案中，电极产生小于约20伏/米(V/m)的低电压直流电。在另一个实施方案中，电极产生小于约50伏/米(V/m)的低电压直流电。在一些实施方案中，以脉冲或颠倒的方式定期产生低电压直流电，这可有助于防止在阴极处积累出酸性状态。在一个实施方案中，脉冲频率和/或极性的颠倒小于约1秒。在另一个实施方案中，脉冲和/或极性颠倒的频率大于约1分钟，例如几分钟至几天的时段。

图2显示了其中注入井13和生产井15分别配备有电极对21、23的本发明实施方案。提供电源25使得正端和负端连接到电极21、23。电源的大小取决于储层的大小和特性。然而，电源的大小足够大从而充分产生贯穿含烃区11的至少一部分低电压直流电。在一个实施方案中，电源25的正端与电极21连通使得与注入井13连接的电极21充当阳极。电源25的负端与电极23连通使得与生产井15连接的电极23充当阴极。在另一个实施方案中，切换电源25的正端和负端使得电源25的正端与电极23连通而电源25的负端与电极21连通。此时，注入井13充当阴极而生产井15充当阳极。在任一个实施方案中，电极对21、23产生贯穿至少部分所述含烃区11的电场以引起EOR流体17动电迁移。在其它实施方案（未在图2中显示）中，将电极21、23设置在除与注入井13和生产井15连接的以外的位置。还可以将电极设置在高于或低于含烃区11的位置例如在与含烃区11相邻的岩石层内。另外，可使多个电极散布于地下储层10内使得产生电场以将EOR流体17驱至含烃区11内的未波及区域。

因此，本发明的实施方案使用动电感应迁移来克服有关常规液压注入的流体外窜限制。特别地，使用低电压直流电使EOR流体17移动或散布于储层的饱和多孔介质内。例如，极性流体或具有净电荷的流体（包括水、气、表面活性剂、溶解的物质、胶体和胶粒），可在直流电的影响下快速移动穿过多孔介质。一般而言，移动速率与电源的功率输出、储层基体的孔隙率和电荷密度有关。此外，EOR流体17的迁移速率不依赖于液压传导率。因此，在EOR流体17迁移穿过地下储层时，移动速率不取决于多孔岩石基体的可透过性和连通性。例如，在动电学迁移下的EOR流体17可渗透穿过具有非常小的孔隙率，例如0.02%或更小的孔隙率的岩石。因此使EOR流体17分布到其中圈闭油所位于的部分地下储层，例如其中传统提高油采收率驱替未波及的那些区域。本领域技术人员可认识到这是有利的，因为注入的EOR流体17，例如在引发（induced）水驱期间的水，可从其中含油饱和度低的储层的一个部分迁移到其中含油饱和度高的储层的另一部分中。

在一个实施方案中，EOR流体17渗透入地层的孔隙空间中从而与圈闭的油珠接触使得通过降低地下储层中水和油之间的表面张力而释放出储层岩石基体的孔隙空间中所圈闭的油。例如，EOR流体17可包含至少一种表面活性剂或可原位产生至少一种具有净总电荷的表面活性剂的组分。EOR流体17可产生天然表面活性剂，例如来自生物介导反应。或者，EOR流体17可原位产生作为引发工艺的副产物的表面活性剂。例如，可将一种或多种化合物注入到储层中使得它们与储层物质反应产生表面活性剂。在另一个实施方案中，可将一种或多种化合物注入到储层中，此时其在岩石基体中彼此混合从而产生表面活性剂。可用作或用于EOR流体17的表面活性剂的实例包括阴离子表面活性剂、阳离子表面活性剂、两性表面活性剂、非离子表面活性剂和它们的组合。如本领域技术人员所可以意识到的，表面活性剂的选择可以根据如储层中的盐度和粘土含量这些因素而改变。可以按任何方式例如以水溶液、表面活性剂-聚合物(SP)驱或碱-表面活性剂-聚合物(ASP)驱注入表面活性剂。可连续地或者以间歇工艺注入表面活性剂。

EOR流体17可包含阴离子表面活性剂例如硫酸盐/磺酸盐/磷酸盐或羧酸盐。这类阴离子表面活性剂都是已知的并且在本领域，例如在SPE129907和美国专利No.7,770,641（通过引用将它们二者并入本文）中进行了描述。阳离子表面活性剂的实例包括伯胺、仲胺或叔胺、或者季铵阳离子。两性表面活性剂的实例包括连接到末端磺酸根基团或羧酸根基团上的阳离子表面活性剂。非离子表面活性剂的实例包括醇烷氧化物例如烷基芳基烷氧基醇或烷基烷氧基醇。目前可获得的烷氧化的醇包括

TDA10EO和

OP40，它们均由BASF SE headquartered in Rhineland-Palatinate,Germany制造。Neodol25（其由Shell Chemical Company制造）也是目前可获得的烷氧化的醇。Chevron Oronite Company LLC,即Chevron Corporation的子公司也制造烷氧化的醇例如L24-12和L14-12，它们均是线性碳链醇的12摩尔乙氧基化物。其它非离子表面活性剂可以包括烷基烷氧化的酯和烷基多糖苷。在一些实施方案中，将多种非离子表面活性剂例如非离子醇或非离子酯组合。EOR流体17的表面活性剂可以是任意组合或单独的阴离子、阳离子、两性或非离子表面活性剂，只要EOR流体17具有净总电荷。

在一个实施方案中，动电学用于废物的环境处理（非原位和/或原位）。特别地，动电学可增强污物土壤或沉积物的化学处理。所述污染物可以是有机物，例如油或溶剂，或者是无机物，例如汞和砷。EOR流体可包括降低油和水之间的界面张力的表面活性剂，从而提高污染物溶解性。

动电感应迁移的应用描述于美国专利No.7,547,160和D.A.Reynolds等的“Electrokinetic Migration of Permanganate ThroughLow-Permeability Media”，Ground Water,Jul-Aug2008,46(4),pp.629-37中，通过引用将它们二者并入本文。这些出版物描述了氧化剂（高锰酸钾）穿过低透过性粘土材料的快速动电感应迁移。特别地，将所述氧化剂以比水力所致流动快多个数量级输送穿过低透过性粘土材料。

例如，在下面实验中描述了动电感应迁移与传统液压输送相比的优点。构造一个宽度为约4cm的薄玻璃罐以模拟穿过非均相多孔介质的两维流动区域。将房屋砖大小的粘土块（其代表低透过性地形）安放在接邻玻璃珠区域内。所述玻璃珠代表窜出流体的高透过性区域。所述罐浸满水并且通过将液压压头以不同高度固定在所述罐的任一侧而建立横跨该设备的流动区域。将高锰酸钾引入到所述罐的一侧并让其流经所述设备。在2小时后高锰酸钾基本上分布于玻璃珠内。然而，基本上没有发生渗入粘土砖，从而表明高锰酸钾绕开了低透过性区域。然而，重复该实验，在高锰酸钾流经设备2小时后将阳极和阴极置于所述罐的任一端。在阳极和阴极之间施加约10伏/米(V/m)的低电压直流电20分钟。将粘土块切开，其显示出高锰酸钾完全渗透入粘土砖。

公开了动电感应迁移提高EOR流体分布的应用。动电感应迁移的使用允许EOR流体与先前由于常规液压注入的局限性而未被波及的多个储层部分接触。在一些实施方案中，EOR流体还渗透入到与圈闭的油珠接触的地层的孔隙空间中，从而降低了储层中水和油之间的界面张力并且从所述孔隙空间释放出油。

尽管在前面说明书中结合本发明的某些优选实施例对本发明作了描述，并且为了例示的目的，展示了许多细节。但对于本领域的普通技术人员来说，显而易见，可以容易地对本发明加以改变，并且可以在不偏离本发明的基本原理的情况下大幅度改变本文所述的某些其它细节。例如，在一个实施方案中，使用动电迁移通过使极性气体例如硫化氢(H₂S)迁移到远离注入井或生产井的地下储层部分来防止腐蚀或在所述井中的结垢积累。在该情况下，极性气体天然存在于储层中而不是通过注入井如EOR流体注入。

Claims (15)

1.提高地下储层中烃采收率的方法，该方法包括：

(a)提供延伸到地下储层的含烃区中并且与其流体连通的注入井和生产井；

(b)通过所述注入井将提高油采收率流体注入所述含烃区中；

(c)贯穿至少部分所述含烃区产生电场以引起所述提高油采收率流体的动电迁移；以及

(d)通过所述生产井从所述地下储层的所述含烃区采收烃。

2.权利要求1的方法，其中通过在电极对之间放出小于约50伏/米的直流电来产生电场。

3.权利要求1的方法，其中通过在所述含烃区内在具有相反电荷并且彼此间隔开的电极对之间放出直流电来产生电场。

4.权利要求1的方法，其中通过在散布于所述含烃区内的多个电极之间放出直流电来产生电场。

5.权利要求4的方法，其还包括：

(e)调节所述多个电极中一个或多个之间放出的所述直流电从而使所述提高油采收率流体迁移到所述含烃区的未波及区域。

6.权利要求1的方法，其中所述提高油采收率流体包含极性流体。

7.权利要求1的方法，其中所述提高油采收率流体具有净总电荷。

8.权利要求1的方法，其中所述提高油采收率流体包含水。

9.权利要求1的方法，其中所述提高油采收率流体包含表面活性剂。

10.权利要求1的方法，其中所述提高油采收率流体包含氧化剂。

11.权利要求1的方法，其中所述提高油采收率流体改变所述含烃区的地层基质的物理性质。

12.提高地下储层中烃采收率的方法，该方法包括：

(a)提供延伸到地下储层的含烃区中并且与其流体连通的注入井和生产井；

(b)在所述含烃区内提供具有相反电荷并且彼此间隔开的电极对；

(c)通过所述注入井将提高油采收率流体注入所述含烃区中；

(d)在电极对之间放出直流电以引起所述提高油采收率流体的动电迁移；以及

(e)通过所述生产井从所述地下储层的所述含烃区采收烃。

13.权利要求12的方法，其中所述直流电小于约50伏/米。

14.权利要求12的方法，其中定期以脉冲方式产生直流电。

15.权利要求12的方法，其中定期颠倒所述电极对的极性。

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