CN104428491A - 用于在注入溶剂和输送射频能时回收烃资源的方法及其相关装置 - Google Patents

Abstract

一种用于在地层中回收烃资源的方法包括下述步骤：在将射频(RF)能从井筒(24)输送到地层(21)中的同时，通过井筒(24)将溶剂注入地层(21)中。该方法还包括下述步骤：在将RF能从井筒输送到地层中时，通过井筒(24)从地层(21)中回收烃资源。

Description

用于在注入溶剂和输送射频能时回收烃资源的方法及其相关装置

技术领域

本发明涉及烃资源生产领域，尤其涉及使用射频应用设备进行烃资源生产的方法以及相关装置。

背景技术

全世界的能源消耗总体上正在增加，传统的烃资源正被消耗。为了满足需求，需要开采非传统资源。例如，高粘度烃资源(如，重油)可能被困在砂层中，但是由于重油具有粘稠性，因此不能进行传统的油井生产。这种烃资源通常称之为油砂。据估计，在这种油砂地层中可找到数万亿筒石油储量。

在某些情况下，目前通过露天开采来采掘这些油砂矿。用于原位开采深矿的其他方法已知为蒸汽辅助重力泄油(SAGD)技术。重油在储层温度下不能流动，因此，通常加热重油以降低其粘度，使油流动。在蒸汽辅助重力泄油技术中，多对注入井和生产井被形成为在地下横向伸展。每对注入井/生产井包括下部生产井和上部注入井。注入井/生产井通常位于地层的产油层中，在下伏岩层和覆盖层之间。

上部注入井通常用来注入蒸汽，下部生产井收集原油或沥青，所述原油或沥青与被注入的蒸汽冷凝物中的任何水以及地层中的一些原生水一起从地层中流出。被注入的蒸汽形成蒸汽腔，该蒸汽腔在地层中竖直和水平地膨胀。来自于蒸汽的热降低重质原油或沥青的粘度，从而可让原油或沥青向下流入下部生产井中，这样就可在生产井中收集和回收原油或沥青。蒸汽和气体由于密度低而上升。气体(如甲烷、二氧化碳和硫化氢)例如倾向于在蒸汽腔中上升，填充限定蒸汽上方的隔离层的油所留下的空间。在重力驱动下，油和水流被排泄到下部生产井中。

全世界许多国家拥有大型的油砂矿，包括美国、俄罗斯以及中东各个国家。油砂可能占全世界石油总资源的三分之二，例如在加拿大阿萨巴斯卡至少有1.7万亿桶油砂。目前，仅加拿大拥有大规模的商业油砂工业，但是在委内瑞拉也从油砂中生产少量油。由于油砂产量增加，因此加拿大已经成为向美国提供石油及其产品的最大单一供应者。油砂目前几乎占加拿大产油量的二分之一，而委内瑞拉产油量近年来在下降。在其他国家仍未从油砂中大量生产油。

美国公开专利申请2010/0078163号(发明人为Banerjee等)公开了一种烃资源回收方法，该方法中配置有三种井：用于注入水的最上部井、用于将微波引入储层中的中间井、以及用于生产的最下部井。微波产生器产生微波，微波通过一系列波导被导入中间井上方的地带中。微波频率基本上等于水的共振频率，从而水可被加热。

根据这些原则，美国公开专利申请2010/0294489号(发明人为Dreher,Jr等)公开了使用微波进行加热的方法。催化剂被注入地面下，并被微波加热，然后催化剂加热生产井中的重油。美国公开专利申请2010/0294488号(发明人为Wheeler等)公开了一种类似的方法。

美国专利7,441,597号(发明人为Kasevich)公开了使用射频产生器来将射频能施予到油/气生产井水平部分上方的射频井的水平部分中。油的粘度由于射频能而降低，从而油由于重力而排泄出。通过油/气生产井回收油。

美国专利7,891,421号(发明人为Kasevich)公开了一种扼流线圈组件，其连接到井的水平部分中的同轴线缆的外导体上。同轴线缆的内导体连接到接触环上。绝缘体位于扼流线圈组件和接触环之间。同轴线缆连接到射频源上以将射频能施予给井的水平部分中。

美国专利申请公开2011/0309988号(发明人为Parsche)公开了一种连续的偶极天线。更具体而言，Parsche公开了一种屏蔽的同轴馈电装置，其通过馈线连接到交流电源和生产井管上。非导电磁珠位于馈线连接器之间的井管周围。

美国专利申请公开2012/0085533号(发明人为Madison等)公开了结合蒸汽吞吐和射频加热来从井中回收烃。将蒸汽注入井中之后进入吞吐阶段，其中，来自于蒸汽的热量被传递给烃资源。吞吐阶段之后，收集烃资源，当生产量下降时，冷凝蒸汽借助射频辐射而再蒸发，从而提高了烃资源质量。

不幸运的是，由于启动失败，通过使用蒸汽辅助重力泄油技术长时间开采石油会导致大量热损失到相邻土壤中，消耗过量蒸汽，回收成本高昂。大量的水资源通常也用来通过使用蒸汽辅助重力泄油技术来回收石油，但蒸汽辅助重力泄油技术会对环境造成影响。有限的水资源也限制油回收。蒸汽辅助重力泄油技术也不适用于(例如)永久冻土区或没有大量冠岩的区域(通常认为是薄的产油层或具有页岩间质层(interstitial layer)的产油层)。

另外，生产时间和效率也受到被回收的油的后提炼过程限制。更具体而言，与其他类型的被回收的油相比，该被回收的油的化学成分或物理性质可能需要另外或其他的后提炼过程。

发明内容

鉴于前述背景技术，因此，本发明的目的是：更高效地从地层中回收烃资源，同时可能使用更少的能量并更快速地回收烃资源。

通过一种用于在地层中回收烃资源的方法，可实现本发明的这些和其他目的、特征和优点。该方法包括下述步骤：在将射频(RF)能从井筒输送到地层中的同时，通过井筒将溶剂注入地层中。该方法还包括下述步骤：在将RF能从井筒输送到地层中的同时，通过井筒从地层中回收烃资源。因此，对于单井而言，烃资源在被处理和回收时在地层中被加热。这样可有利地提高烃资源回收效率，从而减少了总生产时间。例如，与蒸汽辅助重力泄油回收技术相比，在两个井筒的每个井筒中实施文中所述的方法可将生产时间减少一半以上。

注入溶剂的步骤和回收烃资源的步骤可随着时间循环进行。该方法还包括下述步骤：例如，在注入溶剂之前，将RF能从井筒输送到地层中。

在注入溶剂和回收烃资源期间输送射频能的步骤包括：将射频能输送到传输线中，该传输线连接到井筒内的导电井管上。导电井管上可以具有孔，以让溶剂和烃资源通过。

地层中可以具有产油层。井筒可以(例如)在产油层中横向伸展，产油层的竖直厚度小于10米。

在注入溶剂和回收烃资源期间输送RF能的步骤包括：输送射频能来加热地层使其温度例如在50℃至200℃范围内。该方法还包括下述步骤：控制井筒内的条件，使得溶剂在渗透回井筒中时就从液相改变成气相。

回收烃资源的步骤可包括：例如在井筒内操作泵。该方法还包括以下步骤：随着时间的推移，减少被输送的RF能的量。

本发明的装置方面涉及一种用于在地层中回收烃资源的回收装置。该回收装置包括射频(RF)源和导电井管，导电井管定位在地层的井筒内并连接到所述RF源上，以将RF能输送到地层中。导电井管上具有孔，以让溶剂和烃资源通过。该回收装置还包括溶剂源，溶剂源连接到所述导电井管上，并且被构造成在将射频能输送到地层中时将溶剂注入地层中。该装置还包括回收泵，该回收泵连接到所述导电井管上，并且被构造成在将RF能输送到地层中时从地层中回收烃资源。

附图说明

图1是地层的示意图，该地层包括根据本发明的用于回收烃资源的回收装置；

图2是流程图，示出了根据本发明的用于回收烃资源的方法，该方法使用图1中的回收装置；

图3是流程图，示出了根据本发明的另一实施例的用于回收烃资源的方法，该方法使用图1中的回收装置；

图4a-4c是根据本发明的烃资源回收方法的模拟烃资源饱和度曲线图；

图5是曲线图，比较了现有技术的烃资源回收方法和根据本发明的烃资源回收方法。

具体实施方式

在下文中将参照附图更充分描述本发明，这些附图中示出了本发明的优选实施例。但是，本发明可具体体现为许多不同的形式，不应解释为局限于在文中提出的实施例。但是，提供这些实施例能让本专利申请说明书公开得更透彻、更充分，并且将让本领域的技术人员能完全理解本发明的范围。相同的附图标记表示附图中的相同元件。

首先参照图1以及图2中的流程图61，描述了一种用于在地层21中回收烃资源的方法。地层21中包括井筒24。为了进行解释说明，示出井筒24在地层21内横向伸展。在某些实施例中，井筒24例如可以是竖直伸展的井筒，可在地层21中竖直伸展。地层21中具有产油层P。井筒24在产油层P中横向伸展。为了进行解释说明，示出产油层P是相对薄的产油层，其厚度例如小于10米。当然，产油层P可以具有其他厚度，例如厚度在30至40米之间。

从方框63开始，该方法包括：在将射频(RF)能从井筒输送到地层中的同时，通过井筒24将溶剂注入地层21中(方框65)。该方法还包括：在将RF能从井筒输送到地层中的同时，通过井筒24从地层21中回收烃资源(方框67)。该方法在方框69处结束。

现在请参照图1和图3中的流程图60，描述了根据另一实施例的另一种用于在地层21中回收烃资源的方法。从方框62开始，该方法在方框64处包括：将射频能从射频源22输送到地层21中。射频源定位在地层21上方。更具体而言，将RF能从RF源22输送到RF传输线28中，射频传输线位于导电井管23内并被连接到其上。RF传输线28例如可以是同轴传输线。RF传输线28例如是管形，以让设备、传感器等装置从其中穿过。更具体而言，温度传感器和/或压力传感器可定位在RF传输线28内。可供选择地或另外，温度传感器和/或压力传感器可定位在导电井管23内以通过孔25读取地层21的温度和压力。例如，温度传感器和/或压力传感器可连接到RF传输线28的外表面上。

导电井管23例如可以是油井衬管，其上可包括槽或孔25以让烃资源和其他流体或气体通过，下面将进一步对此进行详细描述。有利地，导电井管23界定射频天线，如，偶极天线。当然，导电井管23可界定其他类型的天线，传输线28可以其他构造连接到导电井管上。

输送RF能的步骤(方框64)可被认为是预热或启动阶段的一部分。启动阶段期间，射频天线23输送射频能以将地层21内的产油层P预热至达到一定温度，使得烃资源(如，沥青)可流动。天线23周围会变得干燥，产生蒸汽。当蒸汽环绕或包围天线23时，天线的阻抗被稳定。换句话说，射频功率和频率被调制成使阻抗在传输匹配限制范围内变化。

在作为启动阶段的一部分的方框66中，回收烃资源。天线23有利地起到生产井的作用，由于热膨胀和蒸汽驱作用而以相对低的速度生产烃资源。通过利用回收泵27，使用导电井管23回收烃资源。回收泵27例如可以是潜水泵，可定位在导电尽管内。在某些实施例中，回收泵27可定位在地层21上方。回收泵27可以是人工气举(AGL)装置、或是例如通过使用液压提升或气动提升技术的其他类型泵。在某些实施例中，在回收泵27的操作期间，可降低被输送的射频能的量。

启动阶段的持续时间例如可以是大致2至3个月。当然，启动阶段可具有其他持续时间，持续时间例如取决于烃资源的类型、地层21和/或产油层P的尺寸。

在启动阶段之后的第二阶段期间，井筒24可从生产操作模式切换成注入操作模式。在方框68(其作为第二阶段的一部分)中，停止烃资源回收操作，即，停止回收泵27的操作。在方框70中，在将射频能从井筒输送到地层中的同时，通过井筒24将溶剂注入地层21中。更具体而言，将溶剂从地层21上方的溶剂源26注入到导电井管23或天线中。溶剂例如可以是丙烷。当然，溶剂可包括其他或另外的物质。在整个第二阶段期间(即，停止回收和注入溶剂的阶段)继续输送射频能。

溶剂有利地可降低烃资源的粘度或使烃资源变稀薄。另外，溶剂占据烃资源的容积空间。例如，还可降低射频传输线28和导电井管23的温度。在某些实施例中，射频传输线28还包括冷却系统。较低的操作温度例如符合较小的传输线，从而可降低成本。例如，可输送射频能以加热地层21使其温度在50至200℃范围内。当然，地层21的温度可被加热至达到合适温度，例如，根据井筒24或储层条件认为该合适温度是最优的。实际上，温度高于150℃时，射频传输线28和射频天线23的部件可能开始损坏，尤其是电介质材料开始损坏。另外，在较低温度下，射频传输线28的性能(如，传导性)可能提高。当温度高于150℃时，上述冷却系统可以特别有利于进一步保护射频传输线28，更具体而言，有利于进一步保护介质材料。实际上，冷却系统可让射频传输线28在温度高于射频传输线所需的操作温度的情况下运行。

在启动阶段之后，第二阶段(溶剂注入阶段)可持续几周。当然，第二阶段的持续时间可更长或更短。

在第二阶段之后的第三阶段或循环阶段期间，井筒24的操作模式在生产和注入模式之间交替或循环。更具体而言，在方框72中，停止注入溶剂的操作。如果循环开始或继续(方框74)，那么该方法然后返回到方框66：再次运行回收泵27以通过导电井管23从地层21中回收烃资源。在回收期间，继续将射频能从射频天线23输送到地层中。可改变注入操作和回收操作之间的转换的工作因数(duty cycle)，以保持合适的操作条件(如温度)，如上所述。

另外，还可通过在生产模式期间被生产的烃资源的“节流作用”(即，压力和流量控制)控制井筒内的压力。在某些实施例中，在循环阶段期间被输送的射频能的量可随着时间而减少。例如，可控制井筒24内的条件，使得溶剂在渗透回井筒时(溶剂“回流”或“逆流”)从液相改变为气相。换句话说，在循环阶段的回收操作期间，在继续输送射频能的同时，限制在井下条件下的气体生产，以让溶剂迅速流到原位气体中，再渗入烃资源中。在烃资源回收期间限制气体生产可保持储层或井筒压力，并且可降低溶剂生产过剩。换句话说，这种“节流作用”可让溶剂在井筒中被再利用，从而可降低返回到地面的溶剂的量，这些溶剂通常被分离，并且返回到井筒中。实际上，这会使溶剂在井筒位置处再循环，从而进一步提高效率和降低成本。

第三阶段或循环阶段持续1至25年。当然，第三阶段可具有其他持续时间。

操作的第四阶段是停止阶段。更具体而言，在停止注入溶剂之后(方框72)，当射频能量从或不从天线23被输送、不注入溶剂、以及烃资源被或不被回收时，判断是否应该停止循环操作(方框74)以及产气量是否增加。在方框76中，从井筒24中回收被注入的溶剂。任何一种溶剂回收技术可用来从井筒24中回收溶剂。并且，惰性气体(如，氮气)可被注入井筒24中以助于溶剂回收。

实际上，文中所述的烃资源回收方法对于具有相对薄(如，小于10米)的产油层的地层而言特别有利。与蒸汽辅助重力泄油开采技术相比，使用在输送射频能量时既用于注入又用于回收操作的单井的技术特别有利，例如，蒸汽辅助重力泄油开采技术通常不太适用于具有相对薄的产油层的地层。

更具体而言，对于在典型的蒸汽辅助重力泄油地层中进行回收而言，薄产油层通常并不认为是经济可行的，这是因为资金投入通常会超过从薄产油层回收的油的价值。在投入较少的资金的情况下，文中所述实施例的方法对于薄产油层而言是经济可行的，该方法利用“单井”回收原理。

另外，从功能装置的角度来看，本发明的实施例是特别有益的。例如，典型的蒸汽辅助重力泄油技术中，注入井与生产井之间的竖直间距大致为5米(蒸汽注入井与收集烃资源的生产井之间大致间隔5米)。并且在产油层仅10米厚的情况下，愈加难以将注入井和生产井布置在相对薄的波状地质层内。

另外，文中所述方法使用的井筒数量是蒸汽辅助重力泄油技术的一半。从而降低了生产成本，原因在于回收是基于单井进行的。可供选择地，使用的井筒数量可以与蒸汽辅助重力泄油技术的相同，但是生产时间会减少一半以上，例如，减少7至17年。在某些实施例中，相邻井之间的间距例如设定为50米，而不是100米，以增加烃资源回收或降低保留在地层中(尤其在相邻井之间)的烃资源量。在方框78中，该方法结束。

现在请参照图4a中的曲线图40，示出了井距为100米的30米厚产油层的模拟烃资源饱和度曲线。产油层对应于线41，下伏岩层对应于线42。天线位置处于“点视角(point view)”中(延伸进页面)，对应于线43。请注意，因为用于制作整个储层的模型的天线两侧是对称的，因此曲线示出了储层的一半。

现在请参照图4b中的曲线图44，示出了井距为50米的30米厚产油层的模拟烃资源饱和度曲线。产油层对应于线45，下伏岩层对应于线46。天线位置对应于线47。现在请参照图4c中的曲线图48，示出了井距为50米的15米厚产油层的模拟烃资源饱和度曲线。产油层对应于线49，下伏岩层对应于线50。天线位置对应于线51。实际上，单井特别适于相对薄的产油层。例如，在资本成本相同的情况下，回收指定量的烃资源所花费的时间不到蒸汽辅助重力泄油技术中的双井结构所花费的时间的一半。下面的表1总结了图4a至4c中的相应曲线的模拟结果。

表1

现在请参照图5中的曲线图52，示出了烃资源生产量与时间的关系曲线。线53对应于不输送射频能且不注入溶剂的基线生产。线54对应于不输送射频能但注入溶剂的基线生产。线55对应于输送射频能但不注入溶剂的基线生产。线56对应于输送射频能并且注入溶剂的基线生产。基线曲线对应于井距为100米的30米厚产油层，并且将曲线标准化使其对应于在井筒水平方向上宽为100米、长为1米的情况。

线57对应于井距为50米的15米厚产油层(输送射频能且注入溶剂)。线58对应于井距为100米的30米厚产油层(输送射频能且注入溶剂)。线59对应于井距为50米的30米厚产油层(输送射频能且注入溶剂)。为了进行说明解释，线59表示(yields)烃资源累积生产量随时间增加的关系。

本发明的装置方面涉及用于在地层21中回收烃资源的回收装置20。回收装置20包括射频(RF)源22和导电井管23，导电井管要定位在地层21的井筒24内并连接到射频源上，以将射频能输送到地层中。导电井管23上具有孔25，可让溶剂和烃资源通过。溶剂源26连接到导电井管23上，并且被构造成在将射频能输送到地层中时将溶剂注入地层中。回收泵27连接到导电井管23上，并且被构造成在将射频能输送到地层21中时从地层中回收烃资源。

在代理人案号为Nos.GCSD-2623、GCSD-2624、GCSD-2625和GCSD-2592的申请(其受让人为本专利申请的受让人)中可找到回收烃资源和提高烃资源质量的其他细节内容，上述申请的全部内容组合到文中作为参考。本领域的技术人员在从前述内容以及相关附图提供的相关技术知识中受益之后，可想到本发明的许多改进形式和其他实施方式。因此，应该理解为，本发明并不局限于文中公开的具体实施例，所述改进和实施方式应该包含在所附权利要求书的范围内。

Claims (10)

1.一种用于在地层中回收烃资源的方法，该方法包括以下步骤：

在将射频(RF)能从井筒输送到所述地层中的同时，通过所述井筒将溶剂注入所述地层中；以及

在将射频能从所述井筒输送到所述地层中的同时，通过所述井筒从所述地层中回收烃资源。

2.根据权利要求1的方法，其中，随着时间的推移，使注入所述溶剂的步骤和回收所述烃资源的步骤循环进行。

3.根据权利要求1的方法，所述方法还包括以下步骤：在注入所述溶剂之前，将射频能从所述井筒输送到所述地层中。

4.根据权利要求1的方法，其中，在注入所述溶剂和回收所述烃资源期间输送射频能的步骤包括：将射频能输送到传输线中，所述传输线连接到所述井筒内的导电井管上。

5.根据权利要求4的方法，其中，所述导电井管上具有孔，所述孔能够让溶剂和烃资源通过。

6.根据权利要求1的方法，其中，所述地层中具有产油层；并且其中，所述井筒在所述产油层中横向伸展。

7.一种用于在地层中回收烃资源的回收装置，所述回收装置包括：

射频(RF)源；

导电井管，其要定位在所述地层的井筒内并连接到所述射频源上，以将射频能输送到所述地层中；所述导电井管上具有孔，所述孔能够让溶剂和烃资源通过；

溶剂源，其连接到所述导电井管上，并且所述溶剂源被构造成在将射频能输送到所述地层中时将溶剂注入所述地层中；以及

回收泵，其连接到所述导电井管上，并且所述回收泵被构造成在将射频能输送到所述地层中时从所述地层中回收烃资源。

8.根据权利要求7的回收装置，其中，所述溶剂源和所述回收泵被构造成，随着时间推移，使所述溶剂的注入和所述烃资源的回收循环进行。

9.根据权利要求7的回收装置，所述回收装置还包括连接在所述导电井管和所述射频源之间的传输线。

10.根据权利要求7的回收装置，其中，所述射频源和所述导电井管被构造成将所述地层加热至温度达50至200℃范围内。