CN103917745A - 使用金属硅化物提高原油采收 - Google Patents
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Abstract
增强的石油采收技术包括将碱金属硅化物引入地下储层中，当与水接触时原位生成氢气、热和碱金属硅酸盐溶液。所述碱金属硅化物（如钠硅化物）用来采收其中粘度和低储层压力是限制因素的烃类，包括较重质原油。氢气是原位生成的，其可与原油混溶并能将重馏分自然地或在添加催化材料的情况下加工成轻馏分。在反应位置还生成了热以降低粘度并促进原油加工。生成的碱性硅酸盐溶液皂化酸性原油组分以形成表面活性剂，其乳化所述原油从而改进了向生产井的移动性。被动地通过消耗反应或主动地通过添加酸性胶凝剂，所述硅酸盐促进了调剖。
Description
相关申请交叉引用
本申请根据35 USC§119 要求对2011年6月14日提交的美国临时申请61/496 881的优先权；通过引用将其整个公开结合到本文中。
技术领域
本发明涉及用于增加可从油田提取的原油的量的系统和技术。本发明还涉及使用碱金属硅化物改进地下烃和沥青物质和沉积物的采收的系统和方法。
背景技术
在烃和沥青物质沉积物（如油和天然气沉积物）中，烃资源的重要部分即使在初级天然压力枯竭生产，次级注水，或保压操作，和甚至在第三级增强的技术之后仍然不可回收。现有采收技术仅提取小部分的已知的重质原油储备，而余量仍困在地下。对于10-20级别API（美国石油学会）类别的较重质原油和沥青来说尤其如此，其中沉积物的粘度可以达到几个泊。沉积物也可能具有不利的润湿性和/或毛细作用力防止有效地采收工作。 例如，具有较高粘度的重质原油使得难以用水基流体将它们驱向生产井。较重质原油倾向于年龄更小并包含可观的酸性组分，如通过用氢氧化钾（KOH）滴定测量的总酸值（TAN）所测定的。此外，许多这些原油可能被归类为“脱气”原油，因为几乎没有（如果有的话）与它们相关的气体提供天然能量来协助采收工作。
往往利用的化学增强的采收方法包括碱驱技术（美国专利 2,288,857，Subkow，7/42），来与原油的酸性组分发生反应而原位生成表面活性剂并由此使部分原油乳化，导致更低的粘度和润湿性改变。多年来，碱性硅酸盐（美国专利 2,920,041，Meadors，1/60）已经被广泛研究并应用于这些目的。碱金属可以与添加的表面活性剂和聚合物（美国专利6,022,834，Hsu等人，2/00）结合以改进性能并将适用性扩展到较轻原油。
热增强的采收技术也已被用来降低粘度，以致可以迫使更大部分的原油在锥进或水突破发生之前进入生产井。这些技术主要包括蒸汽驱（美国专利5,626,193，Nzekwu等人，6/97）以及，和在较小程度上，原位燃烧技术（美国专利3,566,967，Shelton等人，3/71）。这些技术为储层提供足够的热以降低原油的粘度，因此其可以被更容易地驱到生产井。蒸汽通常限于较浅的储层（小于3000英尺），其中向井筒及围岩的热损失是可管理的。蒸汽可以以吞吐模式施加（注入和从同一井中生产）或者连续地施加以将原油驱到专用的生产井。
水平钻井技术允许与储层的更大横截面接触，使得通过吞吐的蒸汽浸泡是有效的。已经提出在水平井中结合蒸汽和碱金属（美国专利4,892,146，Shen，1/90）。原位燃烧不受深度限制，而是通过注入氧燃烧一部分可回收储备以生成热和二氧化碳，其与原油可混溶而膨胀并降低粘度。
混相技术主要包括注入二氧化碳气体（美国专利2,875,830，James W. Martin，1959年3月3日），（美国专利4,589,486，Alfred Brown等人，1986年5月20日）来使石油膨胀并降低粘度，但可以包括其它气体，如氢气。氢气被认为是不太有效的膨胀剂，因为其在原油中的溶解度平均小约15倍。然而，如果储层温度可升高到超过425℃（800℉），存在发生一些原位裂解/加氢反应（美国专利2,857,002，E.F. Pevere等人，10/58）的可能性，其将提高原油的流动性。这可以通过注入适合的催化剂来进一步提高。
临氢减粘（美国专利6,328,104，Dennis J. Graue，2001年12月11日）是在高压和高温下将氢气施加到重质原油或沥青中，其导致重质石油或沥青的粘度降低至具有降低的粘度的轻质美国石油学会（API）重力材料。所述临氢减粘工艺使用安装在注射井中的燃烧装置来燃烧工业级氢气与工业级氧气。这允许将高质量蒸汽和热氢气注入含烃地层以产生促进原位临氢减粘所需的条件。这种涉及重质原油或沥青的加氢的热裂解工艺通常在炼油厂进行以将重质原油或沥青加工成可销售的产品。Herron（Experimental Verification of In Situ Upgrading of Heavy Oil, E. Hunter Herron, Oct. 2003）和其他人已经表明，通过施加氢气和热可以在很大程度上原位进行加氢反应。所需的条件是345℃（650℉）或更高的温度以及高达8.7兆帕（MPa），或1275psia （88 bar）的氢分压。在这些条件下，据发现在几天内，随着5至10度的重力增大粘度降低可以高达99%。
采收工作往往受制于整个生产带域内变化很大的渗透性或将流体从预期的生产井中导走的裂缝。这导致过早突破并且可能绕过大量本来可采收的油。对付这些难题的方法包括用于非常严重的通道的各种封堵技术和用于不太严重的情况的调剖。封堵方法包括注入可交联有机聚合物或其它胶凝/灌浆无机试剂，如硅酸盐，以在最高渗透性通道中迅速形成不可渗透的阻隔。调剖可以通过在最高渗透性流动通道中沉积和积累胶状材料（美国专利 2,402,588，Andresen，6/46）而随时间来更逐渐地完成，从而将流体转向以前绕过的含油的渗透性较差的通道。与多价阳离子盐交替的硅酸盐的水性段塞(Aqueous slugs)（美国专利 4,081,029，Holm，3/78）在主要通道中构建沉淀来使流体转向。另外，胶状硅酸盐沉淀可以有助于稳定疏松砂岩，从而防止产生不需要的砂。
尽管有这些技术的存在，大量重质原油储备仍然在很大程度上未开发，并且这些采收方法在每桶采收的油上增加了大量成本。这些现有的增强采油技术往往在表面上产生大量盐水，其可能包含有毒金属并且如果不当地包含这些金属的话会对水源构成威胁。
发明内容
要求保护的发明的方法包括使碱金属硅化物与地下地层中的水反应以提高来自地层内的烃和沥青物质的可采性。所述碱金属硅化物当与水接触时迅速并完全地反应而释放氢气和热，并产生碱金属硅酸盐溶液，所有这些都可有助于激活储层并降低原油粘度，从而使得原油能够被有效地驱到和/或收集在生产井中。
要求保护的发明使用了金属硅化物物质组成，其当与水接触时产生大量热、氢气和金属硅酸盐溶液。反应产物的组合提高了原油的采收。例如，可以用于要求保护的发明的一种金属硅化物为钙硅化物。所述金属硅化物物质组成可以是固体，如粉末，但当与大于化学计量的量的水接触时，完全和迅速转化成溶液。金属硅化物可以用于生成氢气和热，并且可以用于调剖应用。
要求保护的发明还使用了碱金属硅化物（如在美国专利
7,811,541，Lefenfeld等人，10/10，为了所有目的在此将其通过引用结合到本文中），其当与水接触时迅速产生大量的热、氢气和碱金属硅酸盐溶液。反应产物的组合为原油的采收工艺的改进提供很大的灵活性。要求保护的发明的示例性实施方案使用了由锂（Li）、钠（Na）和钾（K）构成的碱金属组的碱金属硅化物。例如，几个示例组成包括锂硅化物（Li12Si7）、钠硅化物(Na4Si4)和钾硅化物(K4Si4)，它们可以用于要求保护的发明的方法来改进地下烃和沥青沉积物的采收。例如，由于其较低的成本和性能优点，由孤立的(Si4)4-四面体阴离子构成的钠硅化物，可以有效地用于提取重质原油储备。当与水反应时，钠硅化物产生硅酸钠、氢气和热。此外，在膨胀粘土的存在下(其中流体渗透性的损失可能是一个问题)可以使用钾硅化物。钾离子倾向于减少粘土层的膨胀和扩张。虽然讨论的其余部分集中在以钠形式的碱金属硅化物组为说明性实例的系统和方法上，在油田应用中硅化物的其它碱金属变体（以及硅化物的其它金属变体）也可以有效地用于本发明，并且包括在要求保护的发明的范围内。在本发明中，金属硅化物的混合物可用作金属硅化物。这种混合物包括金属硅化物的组合以及混合金属硅化物。即，金属硅化物中的金属可以为单独的金属（例如，Ca、 Na、 K）或所述金属可以为金属的组合（例如，Ca 和 Na; Na 和 K; Ca、 Na 和 K）-混合金属硅化物。可以使用所有这些硅化物的混合物。
在要求保护的发明中使用的碱性硅化物优选最初为固态，但是当与大于化学计量的量的水接触时完全和迅速转化成溶液。反应速度与粒度和相应的表面积成正比。
所述碱金属硅化物通过井向井下递送，其中在所述反应中生成的热和氢气立即可用于储层的生产带域。这避免了在沿井线向下传输过程中潜在的热损耗。为了完成该递送，在要求保护的发明的范围内可以使用各种技术来防止过早的水反应。例如，这些技术包括将所述碱金属硅化物封装在耐水涂层中、使用具有隔离液段塞(spacer slugs)的非反应性烃载液，或使用双注射管柱来防止混合，直到到达石油储备的生产带。此外，可以在非水载液中将所述碱金属硅化物递送到所述生产带，其中与储层流体的自然混合或随后注入的水性段塞可以使反应开始。添加适当大小的非水隔离液段塞可以防止过早反应，直到所述硅化物已经渗透进入地层中期望的距离。其他防止过早反应的方法也属于要求保护的发明的范围。也可以采用这些技术的组合来延缓和控制硅化物与水的反应，直到所述组合物到达所述储备的生产带内的它可以提供最大益处的位置。
本发明的反应产物为可溶性硅酸盐，由于它们的沉淀和降低多价金属阳离子的活性的能力，其可以用于水处理应用。碱金属硅酸盐的水溶液是碱性的并且可以称为“碱性硅酸盐溶液”。所述硅酸盐反应产物是所述溶液的一种组分。通过与储层盐水反应原位生成硅酸钠生成了一种非常适合于碱驱和调剖的碱金属硅酸盐。生成的碱金属硅酸盐的一个例子具有“液体岩石或砂”的一致性。这在商业上是在热压釜工艺中通过砂和苛性碱(caustic)的反应实现的比例，代表准平衡状态。该液体岩石进一步最小化与储层矿物的不期望的反应。有足够的碱度和pH来促进形成原位表面活性剂，其由所述碱金属硅化物与原油（烃）或沥青物质沉积物中的酸性烃反应而形成。因此，中和的分子具有亲水性离子端和疏水性烃端。即，它是一种表面活性剂并想要划分油相和水相。根据酸性组分的类型，存在有分子量和组成上有变化的表面活性剂。所述表面活性剂可以影响润湿性，促进原油的乳化，并且当生成气体时可以作为发泡剂。当碱度被消耗和pH值下降时，或通过与多价阳离子反应，聚合物和胶状硅酸盐物类被沉积在高渗透性通道中。这提供了调剖和波及改进(sweep improvement)。所形成的表面活性剂也降低了界面张力（IFT）并促进原油的乳化，其降低粘度并有助于形成可以向生产井传播的油带(oil bank)。这些机制也存在于碱驱中。
用于从储备地层中采收烃或沥青沉积物的要求保护的发明的系统包括用于将金属硅化物或碱金属硅化物沉积在烃或沥青沉积物中的硅化物注射泵。例如，可以使用硅化物注射泵将金属硅化物或碱金属硅化物在流体介质中作为浆体向井下递送。此外，所述系统可以包括用于使金属硅化物或碱金属硅化物与水反应以生成氢气、热和降低烃或沥青沉积物粘度的碱金属硅酸盐的注射井。根据烃或沥青沉积物的位置，注射井与生产井可以是物理上分开的，或者可以集成在生产井中。同样地，所述系统也可以包括井，如生产井，例如，用于采收较低粘度的烃或沥青沉积物。
附图说明
图 1说明了钠硅化物与水、金属钠与水、金属硅与氢氧化钠反应，以及铝与氢氧化钠反应生成氢气的能力的对比分析。
图 2显示了根据要求保护的发明的钠硅化物与金属钠的生成热的能力的对比。
图 3说明了作为过量水的函数，生成的碱溶液的预期温度上升的对比。
图 4显示了包括使用根据要求保护的发明的钠硅化物的所选择的增强原油开采技术的热和氢气产量对比。
详细说明
要求保护的发明包括将碱金属硅化物应用于从地下地层中采收粘性原油。所述碱金属硅化物为粉末或用于预期的储层应用的其他固体，并且其当与水接触时迅速且完全地反应而释放氢气和热，并生成碱性硅酸盐溶液。产生的氢气、热和碱金属硅酸盐溶液有助于激活储层并降低原油粘度，以致原油可以被有效地驱出和在适合的去除点（如在生产井）收集。
碱金属硅化物
在美国专利7,811,541中记述了可用于要求保护的发明的系统和方法的碱金属硅化物，通过引用将其整个地并入本文中。碱金属硅化物包括锂，（Li）；钠，（Na）；钾，（K）的硅化物。碱金属硅化物的混合物可以用作本发明中的金属硅化物。这种混合物包括金属硅化物的组合以及混合金属硅化物。即，碱金属硅化物中的金属可以为单独的碱金属（例如，Li、Na、K）或所述碱金属可以为金属的组合（例如，Ca和Na; Na和K; Ca、Na和K）-混合碱金属硅化物。可以使用所有这些碱金属硅化物的混合物。
优选的碱金属硅化物可从SiGNa Chemistry, Inc. of New York, New York获得。它们通常为在干空气中可以容易地处理的自由流动粉末。这些碱金属硅化物不与氧反应并且仅从大气中缓慢地吸收水而不燃烧。在本发明的一个实施方案中，所述碱金属硅化物为钠硅化物（优选具有1:1的Na:Si摩尔比）或钾硅化物（优选具有1:1的K:Si摩尔比）。如化学方程式[1]所示，Na4Si4，碱金属硅化物与水反应产生氢气、相应的碱金属硅酸盐和热。本发明的实施方案使用钠硅化物(Na4Si4)或钾硅化物(K4Si4)。如以下化学方程式所示，Na4Si4，碱金属硅化物与水反应产生氢气、相应的碱金属硅酸盐和热。
Na4Si4 (固) + 5H2O (液) 5H2 (气) + 2Na2Si2O5 (固) + 能量 [1]。
该反应在室温下顺利地进行而不需要催化剂。
在用于增强的原油采收的系统和方法中，所述碱金属硅化物与储备沉积物中的大于化学计量的量的水反应。释放的氢气溶解到其接触的重质原油中，从而降低粘度以使原油更容易转移。氢气的迅速放出也生成了粘性泡沫相，其通过升高孔压来转移油。同样地，释放的氢气在井中产生压力，其将原油驱向收集点。如上概述，相应的碱金属硅酸盐的产生提供调剖、波及改进、良好的润湿性和减小的界面张力，所有这些都有助于将原油驱向收集点。氢气和碱金属硅酸盐都是原位形成的。
由以上反应生成的能量是热能，其有助于降低原油储备的粘度。 例如，精确化学计量的反应如下：
钠硅化物生成硅酸钠
2NaSi(固) + 5H20(液) => Na2Si2O5(水溶液) + 5H2 + 827 kJ [2]。
根据单独的生成热(Na2Si2O5作为Na2O和2:SiO2)来估计反应热。-126 kJ/mol的值被假定为NaSi的生成热，作为通过差式波及量热法（DSC）获得的Na与Si的反应的热量的平均值。如从以上反应[2]中可以看出，钠硅化物的金属Na和金属Si部分都有助于氢气的形成/释放。钠产生一个H 2分子，而硅产生四个H 2分子。
在要求保护的发明的系统和方法中使用碱金属硅化物优于其他潜在的成本有效的原位氢气和热生成系统，如仅金属钠（美国专利4,085,799，Bousaid，4/78）或溶解在NaOH中的金属Si（美国专利4,634,540，Ropp，1/87）或溶解在NaOH中的金属Al（美国专利2009/0252671A1，Fullerton，5/09）。这些系统的相应的优先化学计量反应式如下：
金属Na在水中生成氢氧化钠
2Na(固) + 2H2O(液) => 2NaOH(水溶液) + H2(气) + 366.6 kJ [3]
金属硅在氢氧化钠中生成偏硅酸钠
Si(固) + 2NaOH(水溶液) + H2O => Na2SiO3 (水溶液) + 2H2(气) + 423.8 kJ [4]
金属Al在氢氧化钠中生成铝酸钠
2Al(固) + 2NaOH(水溶液) + 2H2O => Na2Al2O4(水溶液) + 3H2(气) + 756.4 kJ [5]。
涂层和递送
向井下递送所述碱金属硅化物，其中生成的所有热和氢气可用于储层的生产带。为了实现这一点，可以利用各种方法来防止过早的水反应。作为例子，这些方法包括将碱金属硅化物封装在耐水涂层中（例如参见，美国专利7,946,342，Eric P. Robertson，5/11），使用仅具有隔离液段塞的非反应性烃载液（例如参见，美国专利4,085,799，Bousaid，4/78）和使用双注射管来防止混合直到遇到生产带。这些技术的组合也可以用来延缓和控制与水的硅化反应，直到所述组合物到达储层中其最有益的位置。
在要求保护的发明的系统和方法中使用的短期涂层最终可溶于水并且可以包含材料，如糖、淀粉、尿素、明胶和各种水溶性聚合物。可以控制涂层的厚度以允许硅化物有足够的时间穿过井筒至生产带或可以通过双管注射系统递送，借此当涂层到达所述生产带时开始溶解和降解。在一种方法中使用的碱金属硅化物颗粒的尺寸，如钠硅化物颗粒，可以是储层特定的，基于许多因素，包括储层材料的渗透性。例如，在要求保护的发明的一个示例性实施方案中，钠硅化物颗粒小于15微米。在另一个要求保护的发明的示例性实施方案中，粒度可以小于1微米。可以针对特定储层来定制粒度以促进材料渗透进入所述储层地层中。例如，材料（如疏松岩砂或砂岩）往往具有大于1达西(=1 x 10-12 m2)量度的渗透性。
可以用于要求保护的发明的示例性实施方案中的涂层材料的另一个例子包括各种热控制熔融蜡或可结晶的或热塑性的聚合物（例如参见，美国专利6,224,793，Dwight K. Hoffman，5/01）。可以将这种材料针对特定储层温度设计和定制，以致当达到储层深度下的温度时自然地触发软化和涂层分解。或者，可以将所述涂层设计成刚好在天然储层温度之上，以致随后的一注在足够温度下的流体触发所述分解。一旦一部分注射的硅化物开始反应，将会生成足够的热来使所述反应传播遍及注射的硅化物段塞。
要求保护的发明的另一个示例性实施方案使用了可以允许更深的地层渗透和可通过微生物随时间生物降解的涂层材料。这些涂层可以包含氢-生物降解塑料（HBP）或氧-生物分解塑料（OBP）。聚酯涂层是具有可水解酯键的HBP的一个例子，其适用于要求保护的发明。适用于要求保护的发明的OBP型涂层的一个例子包含少量的过渡金属，如铁、锰、钴或镍，以加速塑料（如聚乙烯（PE）、聚丙烯（PP）和聚苯乙烯（PS））的生物降解。因为降解速度比HBP小约10倍，所以OBP是一种较长期形式的保护。储层具有各种原位微生物或者可以注入非本地微生物来促进涂层降解。通过添加营养物和/或氧可以刺激微生物以降解涂层。
此外，各种塑料涂层当与溶剂，如乙醇、丙酮、汽油或轻烃馏分，接触时可以被软化或膨胀。这些溶剂可存在于天然原油中或可以被随后注射到经涂覆的硅化物应用以释放并促进与水的反应。
可以设计涂层以延缓和控制硅化物与水的反应，直到所述硅化物到达生产带内它可以提供最大益处的位置。
如上所述，可以在非水性载液中将所述碱金属硅化物递送到生产带，其中与储层流体自然混合或随后注射水性段塞将引发该反应。添加适当大小的非水性隔离液段塞可以防止过早反应，直到所述硅化物已经渗透进入地层中期望的距离。这避免了对涂层的需要，该需要增加了硅化物粒度，这可能是一些更致密的储层母岩的限制因素。
也可以部分通过利用的生产模式来选择使用的碱金属硅化物的递送模式。例如，根据特定的原油和储层特性，可以利用正面前进驱，其通过连续或顺序段塞移动碳加氢合物或沥青物质沉积物的前沿，或者也可以使用从同一井筒的吞吐操作(循环蒸汽注入过程)。如果碱驱和结果形成原位表面活性剂和乳化是主要增强机制,，则可以优选连续段塞驱。如果调剖是主要机制,则顺序段塞可以提供在主要流动通道中更好的沉积控制的优点。如果加热和加氢是主要机制，则最初吞吐方式可能是期望的,但在几个循环之后随后驱模式。可以设计段塞的盐度以获得最优分区,以便最小化IFT。表面活性剂可以有助于所有上述机制。它们可以影响润湿性,促进原油的乳化,并且当生成气体时可以作为发泡剂。
在一个示例性实施方案中,要求保护的发明可以应用在从同一井注入和生产的吞吐方案中,在短暂关闭(浸泡)期间以消散氢气、热和碱金属硅酸盐溶液进入原油之后。该方法适用于能最大化与所述生产带的接触的水平井。设置在生产带底部附近的水平井平衡了天然重力影响。热和氢气消散到注射井上面的生产带中。在短暂浸泡阶段之后,当切换到生产模式时,所述水平井允许排出、收集和生产现在处于较低粘度的接触的原油。该技术的几个循环可以在切换到驱机制之前提供储蓄。同样地,在密实地层中，其中渗透性会限制可以穿透所述地层的固体的数量和大小,吞吐技术也有效。例如,即使储备的较小渗透或主要在井筒中的反应也可以产生改进的生产结果。
如果生产带较厚（100 ft或更厚），则第二水平生产井可以位于注射井上面用于纯驱机制。这种配置允许热、氢气和碱金属硅酸盐溶液上升和用其驱加工的(beneficiated)低粘度原油乳液。或者，对于垂直井，可以利用各种模式驱动将反应的原油从注射井移动到生产井。
水力压裂和定向钻井提高了通过单个井对更多的储层可及性，使得这些非传统的储层和紧实地层能经济地生产。水力压裂施加高压来裂开地层岩石从而产生其中流体可以流动的大通道。在水力压裂过程中，将支撑剂放置在通道中以保持其打开。可以放置包衣钠硅化物作为支撑剂包的一部分，并且由此使所述钠硅化物材料能够在反应之前更深地渗透到地层中。然后，这些高渗透性通道可用于随后的注射来将硅化物更深地递送到地层中。
在要求保护的发明的另一示例性实施方案中，可以注射交替的硅化物/载液和水的短段塞，以产生一系列反应前线穿过所述储层。水段塞可以包含催化剂来促进加工重质原油的加氢反应和/或沉淀剂（如多价金属阳离子）以在较高流动通道中沉积硅质沉淀。催化剂的例子可包括铑、钯或铂以及气相催化剂，如碘甲烷或羰基镍（例如参见，美国专利3,102,588，Henry B. Fisher，1963年9月3日）。多价金属阳离子的例子是Ca、 Mg、Fe、Ti、Al等的盐。也可以采用将重质原油暴露于纳米催化剂和还原剂（如氢气）中（例如参见，美国专利7,712,528，John E. Langdon，5/10）。
如上所述，用于从储备地层中采收烃或沥青沉积物的要求保护的发明的系统可包括硅化物注射泵来在烃或沥青沉积物中沉积金属硅化物或碱金属硅化物。例如，可以独立地或在预冲洗之后，用硅化物注射泵将所述金属硅化物或碱金属硅化物作为浆料向井下注射到储备地层中。然后，所述金属硅化物或碱金属硅化物可以与水反应生成氢气、热和碱性硅酸盐，其可降低烃或沥青沉积物的粘度。该反应可发生在井筒中、注射井中、或储备地层本身中。根据烃或沥青沉积物的位置，所述注射井可以与生产井物理分开，或可以集成在生产井中。所述系统还可以包括井，如生产井，例如，用于采收现在较低粘度的烃或沥青沉积物。
氢气生成
在要求保护的发明的一个示例性实施方案中，原位生成氢气和热的现有技术可以与由钠硅化物提供的改进的性能一起利用以扩展或在更长的时间段内提供益处。例如，金属Si和Al与苛性碱和作为结果生成氢气的反应速度与钠硅化物或金属钠相比慢得多。另外，原位生成的无定形铝酸盐也与硅酸盐一起为沸石形成提供了前体，并有益于促进临氢减粘反应。由于更长的反应时间段，在NaOH中的金属Al可被用作一系列的随后的钠硅化物段塞中的初始段塞。随着反应物段塞分散在地层中，实现了形成沸石前体的条件。由于颗粒状地层，可以模式化和控制浓度以提供调剖的量度。这些各种现有技术与碱金属硅化物与水的反应结合来提高采收在要求保护的发明的范围内。
图 1证实了与先前技术相比NaSi的更强生成氢气的能力。可以看出，当在等重量的反应物基础上对比时，钠硅化物比金属钠多生成2.25倍的氢气，且比溶解在NaOH中的金属硅或铝多生成3.5倍的氢气。
热生成
如上所述，由碱金属硅化物和水的反应也生成了大量的热。原油加氢/裂解反应在超过约325至350℃时开始发生。这种反应可导致原油的局部加工和更低分子量分布（临氢减粘）同时导致更低的原油粘度或倾点。在上面的方程式[3，4和5]中的前述的对比化学反应的细节中包括反应热。图 2显示了生成给定量的热所需的反应物的摩尔数的对比。在摩尔基础上，生成与金属钠相同量的热需要少约44%的摩尔数的钠硅化物。虽然金属Si或Al的溶解可生成相当的热，但是它是平缓得多的加热，其很容易被消散到储备地层中。因此，不太可能有助于在反应点的附近的临氢减粘。它还取决于来自地层的竞争反应，其会在碱度有机会溶解Si或 Al之前耗尽它。
图 3显示了要求保护的发明的方法的一个实施方案在最接近生成的碱性溶液的反应位置的地方，作为添加的过量的水的函数，导致的预期的温度升高。图 3对比了作为添加的过量的水的函数，二硅酸钠[2]（钠硅化物/水）、氢氧化钠[3]（金属钠/水）、偏硅酸钠[4]（在NaOH中的金属Si）和铝酸钠[5] （在NaOH中的金属Al）的温度升高。即，在反应中存在大量大于化学计量的量的水。过量的水稀释了有效碱和热的浓度，就像在储层中随时间过去而预期发生的那样。该温度上升估计仅代表水相，并未考虑对储层岩石或原油的加热。另外，所述温度升高估计并入了足够的储层压力来保持水为液相。如果压力太低而不能保持水为液体，一些水可能作为蒸汽闪蒸掉。钠硅化物、金属钠和Al溶解在NaOH中的反应都导致大致相同的温度升高。然而，对于金属Al溶解在NaOH中，反应速度慢得多。虽然每摩尔钠硅化物释放更多的热，但就生成的反应产物而言时，生成的反应物的较高分子量使其与金属钠相当。不管在哪种情况下，预期的温度升高表明，在一般接近钠硅化物/水反应的位置有足够的热和氢气来使临氢减粘反应发生并实现改进的原油采收。
图 4在XY图中显示了氢气和热量的组合效果，以显示根据要求保护的发明使用钠硅化物作为碱金属硅化物的例子来改进重质原油采收潜力的优势。这些热量和氢气值以伪密度表示。热量密度被定义为通过化学计量的反应产物或kJ/gram的产物可获得的热量。氢气密度定义为通过固相反应物，即，排除任何水，可获得的氢气量。之所以排除水是因为所述反应最终包括地储层环境中的不同浓度的溶液。购买所述固体反应物并将其泵入井下。如图 4所示，具有较高氢气密度和热量密度（在图 4中的曲线图的右上角）的材料更好并且直接通过释放热，或间接地通过储层的加压为储层提供更多的能量。
碱金属硅酸盐溶液
除了氢气生成和反应热之外，由要求保护的发明的方法生成的溶液也用于增强的油采收性能。例如，钠硅化物与水完全反应而形成多聚体2.0摩尔比的硅酸钠。金属钠反应形成氢氧化钠溶液。根据比例，在氢氧化钠中溶解金属硅可以产生各种碱性硅酸盐溶液，但为了化学计量的目的，最有可能的物类是单体原硅酸钠或偏硅酸钠。用于持续溶解金属硅到更高的比例的动力随着在溶液中的浓度的增加而降低。
这些是强碱，氢氧化钠是最强的。1%的氢氧化钠溶液具有约13.1的pH值。原硅酸稍低一点，为12.9的pH值，而2.0摩尔比的硅酸钠具有约11.85的pH值。它们足够与酸性原油组分反应原位生成表面活性剂，但溶解硅酸盐的注入可以避免正常的溶解反应（例如参见，美国专利4.458,755，Southwick等人，7/84）。缓冲的2.0摩尔比的硅酸钠对储层母岩锓蚀性不大，从而导致非生产性消耗的碱反应随时间的过去而减少。
在其中含油带由砂（二氧化硅）、粘土（铝硅酸盐）和各种其它矿物（方解石、石膏、菱铁矿等）组成的储层环境中，高pH值倾向于促进消耗反应。与铝硅酸盐粘土和其他储层矿物的反应倾向于将粘土和矿物质转化为富钠形式，从而耗尽碱度储备。pH值越高，这些非生产性反应越容易和更完全。高储层温度也增大碱反应动力学，往往将碱应用限制于低于150℉的储层。例如，在这些高温储层中，碱驱不能存活足够产生效力的长的时间段。所述碱会通过与储层矿物和粘土的非生产性反应，而非通过与原油酸反应而耗尽。在这种情况下，会生成不足的表面活性剂。在要求保护的发明中，使用金属硅化物或碱金属硅化物在储备沉积物地层中生成热和氢气。在最接近该反应的地方，所述反应的益处是最大的，并且所述碱不一定需要存在很长的一段时间来影响烃或沥青沉积物的收集。在苛性碱或氢氧化钠环境中，砂（结晶的SiO2）的氢氧化溶解原位生成硅酸盐。随时间，在约2.0至2.4比例的硅酸盐下将获得准平衡的较低pH值状态。另一方面，钠硅化物与水反应自然导致该“液态岩石”准平衡状态，从而部分避免了在纯苛性碱环境中由金属钠的施加导致的高pH值消耗性反应。
储层盐水硬度（由多价阳离子导致的）对表面活性剂和聚合物性能是不利的。储层粘土充当天然离子交换剂将硬度返回到正在流经储层的任何流体中。氢氧化钠降低了这些硬度离子的活性，但硅酸钠可以在相同的pH值下将其再降低两个数量级。由碱金属硅化物与水的反应生成的硅酸盐有助于最小化储层盐水硬度的不利影响。由碱金属引起的降低的硬性离子活性与当碱耗尽时天然二氧化硅聚合形成胶体结合，导致在储层中形成沉淀。在较高流量通道中的该硅酸盐沉淀和胶体沉淀是调剖的一种方法（例如参见，美国专利3,871,452 和 3,871,453，Sarem，3/75）。其导致温和的分流剂，以致化学品/表面活性剂和乳化油更容易地流入并通过毛细管和密实油带(其在任何之前二次（注水）采收工作过程中在很大程度上被绕过)。
用于碱驱的注入的氢氧化钠，最终通过溶解储层砂颗粒产生了富含二氧化硅的溶液，但与直接注入硅酸盐溶液相比该效果是延缓的。即，与例如碱金属硅化物（如硅酸钠）相比，氢氧化钠导致可用碱的更多的非生产性消耗。氢氧化物的高pH值倾向于以提高的速度消耗碱度，直到达到准平衡溶解的二氧化硅状态，并作为结果对由储层盐水和粘土导致的天然硬度提供了较少的保护。
要求保护的发明施加碱金属硅化物，包括钠硅化物，来从地下地层中采收粘性原油。所述碱金属硅化物可以是粉末和固体，其当与水接触时迅速且完全地反应以释放氢气和热，并形成碱金属硅酸盐溶液，所有这些都有助于激活储层并降低原油粘度，以致可以将原油有效地驱向生产井并收集。
Claims (25)
1. 从地下储层中采收烃或沥青物质的方法，其包括：
将碱金属硅化物或碱金属硅化物的混合物沉积在所述储层中，和
使所述碱金属硅化物或所述碱金属硅化物的混合物与水反应生成氢气、热和碱金属硅酸盐，它们共同增强所述烃或沥青物质的采收。
2. 根据权利要求1所述的方法，其中所述碱金属硅化物为钠硅化物。
3. 根据权利要求1所述的方法，其中所述碱金属硅化物为锂硅化物、钾硅化物，或其混合物。
4. 根据权利要求1所述的方法，其中所述碱金属硅化物为Na4Si4。
5. 根据权利要求1所述的方法，其中所述碱金属硅化物为K4Si4。
6. 根据权利要求1所述的方法，其进一步包括：
用井采收所述烃或沥青物质。
7. 根据权利要求1所述的方法，其进一步包括：
涂覆所述碱金属硅化物以防止与水的过早反应。
8. 根据权利要求7所述的方法，其进一步包括：
降解所述碱金属硅化物的涂层，使所述碱金属硅化物或所述碱金属硅化物的混合物在所述储层中与水反应。
9. 根据权利要求8所述的方法，其中通过热、溶解、或微生物反应中的至少一种促进降解所述碱硅化物或碱金属硅化物的混合物的涂层。
10. 根据权利要求9所述的方法，其中所述降解发生在所述储层中。
11. 根据权利要求1所述的方法，其中沉积所述碱金属硅化物或碱金属硅化物的混合物包括用非反应性烃载液将所述碱金属硅化物或碱金属硅化物的混合物沉积到所述储层中期望的位置。
12. 根据权利要求1所述的方法，其中沉积所述碱金属硅化物或碱金属硅化物的混合物包括用烃隔离液将所述碱金属硅化物或碱金属硅化物的混合物沉积到所述储层中期望的位置。
13. 根据权利要求1所述的方法，其中沉积所述碱金属硅化物或碱金属硅化物的混合物包括在连续的基础上将所述碱金属硅化物或碱金属硅化物的混合物沉积在所述储层中。
14. 根据权利要求1所述的方法，其中沉积所述碱金属硅化物或碱金属硅化物的混合物包括通过一系列的交替的段塞将所述碱金属硅化物或碱金属硅化物的混合物沉积在所述储层中。
15. 根据权利要求11或12所述的方法，其进一步包括：
将所述烃或沥青物质采收到生产井。
16. 根据权利要求1所述的方法，其进一步包括：
在所述烃或沥青物质中沉积所述碱金属硅化物或所述碱金属硅化物的混合物包括在关井之前将所述碱金属硅化物或所述碱金属硅化物的混合物随注入的蒸汽一起沉积到所述储层中；
驱散来自蒸汽和所述储层中的所述碱金属硅化物-水反应的热；和
用所述驱散的热加热所述烃或沥青物质。
17. 据权利要求16所述的方法，其进一步包括：
通过同一个井采收回所述烃或沥青物质。
18. 根据权利要求1所述的方法，其进一步包括：
将金属Na和金属Al中的至少一种沉积到所述储层中以产生额外的热和氢气来补充所述碱金属硅化物或所述碱金属硅化物的混合物；和
在所述储层内生成沸石材料前体以促进加临氢减粘反应。
19. 根据权利要求1所述的方法，其进一步包括：
将催化材料施加到所述碱金属硅化物或所述碱金属硅化物的混合物以促进所述烃或沥青物质的原位加氢。
20. 根据权利要求19所述的方法，其中在用井采收所述烃或沥青物质之前将所述催化材料施加到所述碱金属硅化物或碱金属硅化物的混合物。
21. 根据权利要求1所述的方法，其进一步包括：
施加表面活性剂或聚合物中的至少一种，以促进所述烃或沥青物质向用于采收的生产井流动。
22. 一种从地下储层采收烃或沥青物质的方法，其包括：
将金属硅化物或金属硅化物的混合物沉积在所述储层中；和
使所述金属硅化物或所述金属硅化物的混合物与水反应生成氢气、热和金属硅酸盐，它们共同增强所述烃或沥青物质的采收。
23. 根据权利要求22所述的从储层地层中采收烃或沥青物质的方法，其中所述金属硅化物为钙硅化物。
24. 用于从地下储层中采收烃或沥青物质的系统，其包括：
用于将金属硅化物或金属硅化物的混合物沉积在所述储层中的硅化物注射泵；和
用于使所述金属硅化物与水反应以生成氢气、热和金属硅酸盐的注射井，所述氢气、热和金属硅酸盐共同增强所述烃或沥青物质的采收。
25. 用于从地下储层中采收烃或沥青物质的系统，其包括：
用于将碱金属硅化物或金属硅化物的混合物的沉积在所述储层中的碱性硅化物注射泵；和
用于使所述碱金属硅化物或所述金属硅化物的混合物与水反应以生成氢气、热和碱金属硅酸盐的注射井，所述氢气、热和碱金属硅酸盐共同增强所述烃或沥青物质的采收。
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