CN105612310A - 在chops后油田回收操作中使用碱金属硅化物 - Google Patents

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Abstract

公开了促进从重油出砂冷采(CHOPS)后的含油层中强化石油回收的方法。本发明涉及促进从重油出砂冷采(“CHOPS”)后的含油层中石油回收的方法。所述方法任选地在具有至少一个蚓孔的CHOPS后含油层中冲洗井筒以从井筒和井筒附近区域中排出水；然后将碱金属硅化物经由井筒注入CHOPS后含油层以将碱金属硅化物引入至所述CHOPS后含油层内的至少一个蚓孔中。所述注射步骤后面是使注入的碱金属硅化物反应以促进在CHOPS后含油层内的石油流动；和从所述CHOPS后含油层回收石油。碱金属硅化物分散体还可按交替进行注射、浸泡和采出阶段的循环模式注入地层中。

Description

在 CHOPS 后油田回收操作中使用碱金属硅化物
相关申请的交叉引用
本申请要求2013年10月17日提交的美国临时专利申请号61/892,222的优先权，其全部内容通过引用并入本申请。
技术领域
本发明涉及用于改进可从CHOPS后(重油出砂冷采后)含油层中提取的原油的回收率和增加其量的碱金属硅化物系统和技术。
背景
油田背景
在烃沉积物中，例如包含重油和沥青的储层中，烃资源的主要部分通过现有方法不可回收，包括初级采出和二级注水技术。这些现有回收技术仅到达已知重质石油储备的小部分，剩余部分仍困在地下。这特别符合10-22度API (美国石油学会比重(American Petroleum Institute gravity))种类的重质原油和沥青的情况，其中烃沉积物的粘度可在几百泊范围内或更大。特别地，这些较重质原油难以被水基流体从多孔基质(地层)置换到采出井，由于其粘性指进(不稳定的液体界面)和不利的流度比，使得简单的注水是不可行的选择。
重油出砂冷采(CHOPS)技术已经用于从相对薄的未固结的油砂中回收重质石油。CHOPS是非热过程，其中砂和油两者同时在初级条件下产生。增加的砂采量导致石油采量也有较高水平。典型的CHOPS回收率仅为原始油储量的5-15%，剩下大量储量，且储层的大部分未开采。由于从这些储层和地层采砂，在采油层中产生非常高的渗透性通道(“蚓孔(wormhole)”)。虽然已经表明在很多情况下，这些蚓孔为直径最多数厘米的开放通道，可延伸几百米至地层，但在其它情况下，在初级石油开采停止之后，蚓孔可填充、崩塌和/或继续生长为开放通道的网络和高孔隙度及渗透性的扰动区。蚓孔可为动态现象。随着出砂持续，蚓孔生长得更大和更长，延伸更深至储层。因此，蚓孔在CHOPS后含油层中的存在使得大多数后续强化回收技术的应用在技术上是困难的、高风险的、不经济的乃至不可能的。
在初级CHOPS采出之后，另外的驱油(flooding)或其它二级技术通常无效，因为水或其它流体和气体在沿着CHOPS后含油层中的蚓孔通道行进时，容易绕过重油。注入的流体然后在驱油期间快速地穿透地层，因为水和重油之间不利的流度对比。
已经提出许多技术并尝试用于改进石油回收效率，但大量烃甚至在二级回收努力之后仍然留在富油地层中的。导致烃在地层中滞留的一个因素是不能对基质油层的孔隙中存在的烃液滴施加足够的压力以促进其流向采出井。而且，增加的石油价值和增加的需求对用于恢复较旧的井的强化石油回收方法产生了更大的需求，包括由于水比起采出的全部石油量(含水)的高比率而已经废弃的那些井。
强化石油回收通过有效地增加埋在地层中的石油的相对渗透性和通过减少石油的粘度和表面张力来促进先前受困的石油的流动。大量强化石油回收技术目前已在油田中实施，包括涉及热力学、化学和机械过程的那些。用蒸汽加热石油通常降低受困石油的粘度，只要容易获得热能和可控制热量损失。在CHOPS中，蒸汽无效，因为油带相对薄和传热太难。
已经研究不同的EOR技术以改进初级CHOPS采出之后的石油回收。已经进行尝试，在驱油情况下，利用井下蒸汽发生器将热量应用至CHOPS后采出中，以降低原油粘度和改善流动，因此可将重油驱赶至(第二)收集井中。在水平CHOPS井中的微波设备已经用于加热地层和降低粘度以改进重油的流度。此外，微生物技术也已经用于产生生物气、甲烷或CO2，以再加压CHOPS井的一部分，从而将气体溶解进重质原油中以降低粘度和提供采出的驱动能量。溶剂和溶剂蒸汽注入EOR技术还用于再加压CHOPS后的储层，降低粘度，改进驱油(sweep)和回收率。然而，这些技术都不提供通用的经济解决方案，也未获得广泛用途。需要其它技术加入至石油回收工具箱。因此，需要有效方式从CHOPS后含油层中回收石油。
发明概要
本发明涉及促进从含油层中重油出砂冷采(CHOPS)后的井中额外的石油回收的方法。所述方法任选地在具有至少一个蚓孔的CHOPS后含油层中冲洗井筒以从井筒中排出水；然后将碱金属硅化物经由井筒注入CHOPS后含油层以将碱金属硅化物引入至CHOPS后含油层内的至少一个蚓孔中。注射步骤后面是使注入的碱金属硅化物与水反应以促进CHOPS后含油层内的石油流动；和从CHOPS后含油层中回收石油。在一个实施方案中，所述注入和反应步骤以循环方式重复以促进CHOPS后含油层内的石油流动。
附图简述
图1描绘了发展出蚓孔的典型CHOPS后的井，在循环操作下用于注入碱金属硅化物分散体和石油/水/气/砂的采出。
图2，在30个循环内，比较性碱金属硅化物和柴油溶剂模拟。
图3，石油粘度降低-柴油中的碱金属硅化物vs单独的柴油。
图4A-4C显示了在7.35m3/循环/井碱金属硅化物注射的情况下，油(A)、水(B)和气(C)的采出量曲线。
图5A和5B显示了比较情况的实施例，碱金属硅化物vs溶剂，显示了石油和水的采出量。
图6A-6C显示了使用注射进行循环吞吐激励和使用相同井注射和采出的碱金属硅化物注射方法实施例。
图7显示了采用井模式和围绕井的类似辐条的蚓孔设置的CMG Stars编号层，所述层与实际油田性能历史匹配。
详述
重油出砂冷采(CHOPS)
在未固结的砂岩地层中包含相对薄的重油层的油田已经通过通常称为CHOPS重油出砂冷采方法在初级采出下开采。薄的含烃层使蒸汽驱油是不可行的选择，因为高热量损失至上面或下面的非开采性承压层。原油使用螺杆泵开采最有效，通过允许砂与石油和气体同时采出。通过溶解气驱动/压力衰减机理，在一些情况下，使用起作用的水层压力载体，采出泡沫油、气、水和砂的组合，直到石油采出随时间变少和水采出增加至继续采出变得不经济的程度。在这一点上，井通常仅在采出5-15%的原始石油储量之后中止，平均大约5%的回收率。仅在加拿大估算可能有多达30,000个这些中止的CHOPS井。
从CHOPS后含油层中的石油回收
本发明涉及促进在含油层中从重油出砂冷采(CHOPS)后的井中附加石油回收的方法。所述方法任选地在具有至少一个蚓孔的CHOPS后含油层中冲洗井筒以从井筒中排出水；然后将碱金属硅化物经由井筒注入CHOPS后含油层以将碱金属硅化物引入至CHOPS后含油层内的至少一个蚓孔中。注射步骤后面是使注入的碱金属硅化物与水反应以促进CHOPS后含油层内的石油流动；和从CHOPS后含油层中回收油。本发明的不同方面和实施方案描述如下。
CHOPS石油开采导致在未固结的砂基质中蚓孔的形成。这些相对开放的、高度多孔的通道或管道，其中砂已经去除，除围绕它们的扰动砂环之外，其在(初级)CHOPS采出期间是有利的，促进油、水、气和砂混合物的流动。这些蚓孔可为10cm大和可延伸几百米至地层中。然而，这些蚓孔通常不利于后续的二级或三级回收技术，因为它们绕过大部分的储层并导致早期的水穿透，因此严重劣化用于改进驱油和促进与地层更多未开发区域接触的预期驱油序列。在本发明的方法中，这些相同的蚓孔可提供深入至地层的高渗透性通道用于引入碱金属硅化物材料，碱金属硅化物材料不易于注入至未开发地层。足够量的碱金属硅化物可注入重油地层的蚓孔并与原位存在的水或注入水或醇反应。反应提供附加的能量和条件以推动更多石油至采出井。
碱金属硅化物，例如美国公开申请号2014/0196,896A1公开的(其通过引用以其全文并入本文)，当用作强化石油回收(EOR)剂时，具有将化学品、不混溶的气体和热驱油技术的益处扩大的性质。与其它的水反应性化学品相比，碱金属硅化物提供优异的氢产量和热释放。碱金属硅化物可用于任何深度，因为唯一的限制因素是水的可得性。当井下输送时，作为时间延迟的防水涂布固体或经由烃载体流体分散体，在与地层水接触的反应点原位产生反应热和不会在传输至地层期间在表面损失或损失到井管柱(well string)，如其它EOR技术那样。碱金属硅酸盐反应产物还在反应点产生，因此它们可更深入发展至较高的温度层以改变润湿性，和产生表面活性剂以在其消耗之前降低原油的界面张力(IFT)。降低的IFT和改变的润湿性促进石油回收。碱金属硅化物的反应产物、热量、氢和碱金属硅酸盐，代表“绿色”化学方法，其可降低石油回收操作的环境影响。
本发明利用碱金属硅化物(例如美国专利7,811,541所公开，其在此通过引用以其全文并入，用于全部目的)，其在与水接触时迅速产生大量热量、氢气和碱金属硅酸盐溶液。反应产物的组合为原油回收过程的强化提供了巨大的灵活性。请求保护的发明的实例实施方案利用由锂(Li)、钠(Na)和钾(K)组成的碱金属的碱金属硅化物。例如，包括锂碱金属硅化物(Li12Si7)、硅化钠(Na4Si4)和硅化钾(K4Si4)的数种实例组合物尤其可用于本发明的方法。在与水反应时，碱金属硅化物产生碱金属硅酸盐、氢气和热量。虽然本讨论的剩余部分集中在作为说明性实施例的碱金属硅化物组合物的钠形式的系统和方法，其它形式的碱金属硅化物(以及其它金属形式的硅化物)还可有效用于本发明的CHOPS后含油层油田应用，并包括在请求保护的发明范围内。碱金属硅化物的混合物可在本发明中用作碱金属硅化物。在这些混合物内包括碱金属硅化物的组合以及混合的金属碱金属硅化物。即，在碱金属硅化物中的碱金属可为单独的金属(例如，Ca、Na、K)或金属可为碱金属的组合(例如，Ca和Na；Na和K；Ca、Na和K)，为混合的金属碱金属硅化物。所有的这些碱金属硅化物的混合物都可使用。
碱金属硅化物，例如美国专利7,811,541中公开的，可为自由流动的颗粒或粉末，其在干燥空气中是稳定的和易于处理的。碱金属硅化物不直接与氧反应和不会燃烧，但与大气中的水反应。如以下化学式[1]说明的钠形式(Na4Si4)，碱金属硅化物与水反应以产生氢气，相应的碱金属硅酸盐(Na2Si2O5)和大量热。
Na4Si4 (s) + 10H2O (ℓ) → 10H2 (g) + 2Na2Si2O5 (aq) + 1,654 kJ [1]
当用作试剂以强化原油回收时，碱金属硅化物直接引入至井，当其与储层孔隙和蚓孔内的水接触时，在其中其反应。在反应期间，碱金属硅化物迅速释放氢气和热量并最终转化为碱金属硅酸盐。当直接或与其它用于重质石油回收的常规技术组合使用时，反应产物的该组合使得碱金属硅化物特别有利。在CHOPS之后，蚓孔和扰动区用作高度多孔高渗透性的开放通道，用于将碱金属硅化物深入传输至地层中。当碱金属硅化物反应时，随着氢气对蚓孔和扰动区加压，蚓孔受激励，热量降低石油的粘度，且硅酸盐副产物降低界面张力(IFT)。
碱金属硅化物的反应在任何温度或压力下迅速进行且不需要催化剂。产生的热量和氢提供能量和压力以有效取代较重质原油。反应性研究已表明，与其它产氢化学作用(例如水中的金属钠，苛性碱(碱)中的铝金属或苛性碱(碱)中的硅金属)相比，碱金属硅化物产生最大量的氢（摩尔基准）和具有最快的反应速率，释放氢的速率高至1.49L/min/cm2。反应速率为与水接触的碱金属硅化物表面积的函数，因此具有较高的表面积的细粉末反应最快。
在请求保护的发明的一个实施方案中，硅化钠可按碱金属硅化物的形式使用。硅化钠用于本公开的实施例，但可使用其它的碱金属硅化物且也表现良好。例如，可考虑钾碱金属硅化物，其中膨胀粘土为蒙脱石类，例如蒙脱土和伊利石，存在于石油地层中。钠离子趋向于使这些粘土膨胀，而钾离子具有较少的膨胀倾向，和因此可更好保持储层渗透率和注射率/采出率。具体的碱金属硅化物的选择可基于成本、应用、环境考虑等决定。
碱硅酸盐的影响
碱金属硅化物反应的一个副产物为产生的相应的碱金属硅酸盐。碱性硅酸盐通过与原油的天然酸反应产生表面活性剂来强化石油回收，所述表面活性剂降低界面张力(IFT)、改变润湿性(例如，促进水润湿表面以释放石油)、帮助控制流度和改进油层内的驱油效率。转化为硅酸盐的碱金属硅化物提供足够的碱度以皂化原油酸(通常>10.5pH)，还使可能耗尽碱度和使表面活性剂失活的不利储层反应最小化。这些产生的表面活性剂降低了油/水界面处的界面张力(IFT)以允许原油液滴更易于变形和流过通至采出井的紧密的孔隙通道和蚓孔。
从碱金属硅化物反应产生的硅酸盐，不同于通常用于EOR的其它化学品，例如氢氧化钠、原硅酸钠、碳酸钠等，还提供一定程度的轮廓修整(profile modification)、驱油改进和有利的润湿特性，所有这些有助于从砂层中有效释放原油和置换到收集点。硅酸盐代表从极碱性至极硅质的化合物范围。通常，比率越低，更多碱性硅酸盐例如原硅酸酯(2Na2O:SiO2)用于碱性驱油应用。由请求保护的本发明的碱金属硅化物反应产生的硅酸盐没有堵塞在CHOPS后地层中的蚓孔。同样地，如果在地层盐水存在或有意加入(如在流度受控苛碱驱油中)显著硬度的或多价的阳离子，硅酸盐副产物可与这些离子反应以形成沉淀，其可聚集在孔喉中以在较低的浓度下堵塞流动通道并导致更加渐进的顺应性控制和使流体转向，以减少指进。这些反应可导致渐进的轮廓修整并降低重质原油储层中的粘性指进和提供改进的回收率。由碱金属硅化物产生的特定的硅酸盐副产物为中间物，二氧化硅与碱(Na2O:2SiO2)的摩尔比使得其提供足够的碱度用于与原油酸反应，同时通过轮廓控制提供一定程度的流体转向和驱油改进。
氢的影响
由碱金属硅化物反应放出的氢为无毒气体，且如果需要，可在油田作为燃料源燃烧或点燃。在CHOPS后地层中，氢在原油中极少溶解(可溶性低于CO2的约1/25，根据Ostwald系数)，但有助于粘度降低。例如，在Athabasca真空塔底物中的H2溶解度经测量为在130℃下0.021摩尔H2/kg液体/MPa至186℃下0.034摩尔H2/kg液体/MPa。在水或盐水中，作为温度与压力的函数的氢溶解度也是低的，和在20℃和1 atm下具有0.0016g H2/kg水的值。因此，当实施本发明的方法时，产生的大量氢保持为不混溶的气相。氢的快速产生，与硅酸盐的影响一起，如上论述，有助于粘性油发泡相，其通过升高孔压力有效置换原油，在CHOPS后地层内重新建立石油流动和将原油推向收集点。此外，氢可用来与地层的砂表面反应和减小地层的砂表面以使润湿特性变得更加水润湿，使更多的水润湿将夹带的油推动到更有流动性的相中。
已观察到碱金属硅化物在有限空间内产生的氢压力超过10,000psi，因此反应速率仅受水的可得性的限制。因为1摩尔的碱金属硅化物产生10摩尔的氢气，相对小但浓缩的注入的碱金属硅化物段(slug)可产生大量的气体以提供能量和压力置换。
热量的影响
碱金属硅化物反应还产生显著的热量，其帮助降低CHOPS后含油层中的石油粘度。如本领域已知的，原油粘度以接近对数方式降低，为温度的函数，并取决于API比重和其它因素。这就是为什么蒸汽注射和其它热技术通常在EOR过程中有效，除了在CHOPS后含油层中。虽然用于低等级重油回收的蒸汽应用通常包括天然气或其它高值烃的燃烧以产生蒸汽，其促成温室气体排放，但通过请求保护的本发明的碱金属硅化物反应产生的热量和氢不需要燃烧和根本不会促成温室气体排放。请求保护的本发明的碱金属硅化物反应使用更加环境友好的方法用于产生井下热量。蒸汽技术受储层深度和压力限制，由于缺乏超过水临界点的相边界。因此，蒸汽技术通常限于小于5,000英尺的深度。另外，虽然蒸汽驱油还通常保留于相对厚（大于50英尺）的地层中以最小化至冠岩和下伏岩层的热损失，但相比之下，本发明的方法允许从任何厚度的CHOPS后地层中回收石油。
虽然可从碱金属硅化物反应获得(以示例性应用速率)的热量的量远小于典型的蒸汽驱油，但在CHOPS后地层的蚓孔内原位产生热量，因此在表面上或到传输至油层的井管柱没有损失。来自碱金属硅化物的所有热量在反应位置，在蚓孔和地层孔内部，在与水接触时释放。该热量，与气体压力和碱组合，从蚓孔和孔中驱逐受困石油并允许其自由流动。如果需要额外热量，当氧共注入并使氢自动引燃和燃烧时，热效应可增大为接近三(3)倍。当如此实施本发明时，额外的热效应还降低粘度，并可作为初级回收机制用于使石油移动。
此外，经由加氢/裂化反应的一些原油富选可作为产生的氢和热量的结果而进行。氢化裂解在500-800℉(260-425℃)的温度和800-2,500psi或更高的压力下进行。该附加机制还降低重质原油的粘度并可在以下背景中评价：在作为天然催化剂的粘土矿物存在下在孔内在微观尺度上发生什么。
在CHOPS后地层中的碱金属硅化物输送方法
由单一化学实体提供的化学品、热量和不混溶气体机制的组合使得根据本发明方法的碱金属硅化物用于在CHOPS后含油地层中的强化石油回收(EOR)，用于多种原油，由中质到非常重质(例如，API比重22至10或1,000-100,000cps)。倾向于具有高天然酸含量(总酸值(TAN))的更重、更粘稠的原油可从热量和碱的应用获益最大。根据本发明，碱金属硅化物技术应用在这些情况下是有利的，例如碱金属硅化物注入重油地层的蚓孔，其经受或已经经受初级CHOPS采出(“CHOPS后”)。通常，碱金属硅化物注射过程对初级CHOPS采出已经完成之后的井进行。备选地，当已经采出显著量的砂和已经产生蚓孔网络时，CHOPS后碱金属硅化物注射可在初级CHOPS采出期间引入(即，在初级CHOPS采出已经开始之后但在它的经济目标已达到之前)。当这种蚓孔网络存在时，一个决定性测量是测量井的累计出砂量。
蚓孔的存在使得能将足够量的碱金属硅化物注射深入至重油地层中，其形式是在井筒周围密集但延伸遍及地层。蚓孔允许产生的热量和氢在蚓孔产生的大表面积上接触重油。在地层内的蚓孔之中产生的热量和气体提供附加的能量以推动更多的油至采出井。
在根据本发明将碱金属硅化物注入CHOPS后含油层之前，在CHOPS后地层内的储层可通过烃或其它脱水预冲洗调节，以从井筒、井筒附近的区域和/或蚓孔内排出水。该预调节还可增强蚓孔的形成或崩塌以增加碱金属硅化物的渗透和促进更高的石油含量和/或砂采出。反应性流体，例如强碱或强酸和稀释剂或溶剂如CO2，可注入至裂缝或干扰地层内的内聚力以增强蚓孔的产生和因此促进石油开采。注射根据本发明的碱金属硅化物之前或随后，储层还可通过本领域已知的操作再加压，例如注射烃或气体。
硅化钠为具有1.7g/cc的密度和约3.5的莫氏硬度的固体。因此，注射和输送碱金属硅化物进储层地层，其尺寸降低至其可有效穿透多孔介质的程度。碱金属硅化物可作为涂布粉末或在载体流体中成浆注入CHOPS后含油层。这些碱金属组合物如美国公开专利申请号2014/0196896A1所描述。在一个实施方案中，根据本发明注入的碱金属硅化物分散和/或悬浮在适当的非水性介质中以形成碱金属硅化物分散体。碱金属硅化物可易于经由机械方法湿磨或干磨至亚微米尺寸。许多便宜的非反应性烃可用于载体流体，包括但不限于矿物油、煤油、柴油和石脑油。中质至轻质本地原油还可在其脱水之后用于降低成本。这些烃载体流体其次作为稀释剂溶剂以进一步降低地层中的重质原油粘度。最多80%固体的适合的分散体在石蜡矿物油、煤油、柴油和轻质原油中制备。一些短链醇不可接受用于载体流体，因为-OH端基可被碱金属硅化物断裂，类似于水，尽管与水相比处于降低的速率。为了稳定性和悬浮目的，可添加少量非离子表面活性剂或烃可溶性聚合物以降低沉降趋势和促进再分散。此外，可添加增稠剂，例如尤其是热解二氧化硅，以增加制剂粘度以延缓沉降。然后这些添加剂可有助于地层中的界面张力(IFT)降低和流度改进。
在本发明的方法所用的一个实施方案中，在石油分散体中的碱金属硅化物在柴油中制备，具有约20-25微米的最大粒径。大部分颗粒为亚微米。为制备该分散体，将硅化钠Na4Si4锭干法破碎，然后使用本领域已知的研磨技术湿磨以获得最终粒径的分散体。该分散体可然后进一步用附加的柴油和非离子表面活性剂或粘度调节剂稀释以减少沉降趋势和帮助再分散。可使用本领域已知的非离子表面活性剂和粘度调节剂，但应该和碱金属硅化物相容。本领域已知的用于选择特定非离子表面活性剂或粘度调节剂的其它因素包括分散体中的溶解度、熔点、HLB值等。
在储层环境中，通常目标为较高渗透性的地层(>1Darcy)，例如具有高渗透性孔洞和通道的未固结的砂岩或破裂的碳酸盐地层。这允许固体分散体注射且没有明显的层面堵塞。如果碱金属硅化物太大，且沉积物导致注射率随时间损失，则小于1Darcy的地层可随着固体材料桥接孔洞而在井界面处形成表面堵塞。CHOPS采出之后留下的蚓孔提供了期望的通道用于碱金属硅化物分散体深入注射进地层且不需紧密范围的粒径。碱金属硅化物在分散体中的量的唯一限制为分散体注入CHOPS后含油层的能力。一般而言，可使用具有约15-约80重量%载量的碱金属硅化物分散体。在其它实施方案中，可使用20-50重量%的分散体或25重量%、30重量%、35重量%或40重量%的分散体。
碱金属硅化物反应过程
当碱金属硅化物注入CHOPS后含油层时，为避免过早反应，本发明的方法首先冲洗井孔，且还可冲洗井筒附近的区域以从井筒和井筒附近的区域排出水。这可通过以下完成：将缺少硅化物的烃或气体向下循环至管道和从套管环空退出，或交替沿环空向下循环和通过管道返回，或通过交替地从环空或管道向下注入蚓孔和储层，以去除包含水或水反应性组分的任何滞留流体(resident fluid)。不需从井筒或井筒附近的区域排出全部水，但优选在注射步骤期间，没有显著量的碱金属硅化物在井筒或井筒附近的区域反应。冲洗井筒可为CHOPS后地层预冲洗的一部分，以增强蚓孔的形成以增加产量，如上讨论。
当大量碱金属硅化物反应在采出层内的深处延迟发生时，在其中其与水和滞留的原油密切接触，然后使石油回收最大化。为影响碱金属硅化物的合适输送，碱金属硅化物注射段可根据请求保护的本发明制备。如上讨论，碱金属硅化物注射段可包括涂布粉末，用于这些粉末的载体，或在一个实施方案中，碱金属硅化物分散体例如碱金属硅化物粉末分散在烃载体流体中。碱金属硅化物可以几种方式输送至储层。其可在驱油模式中用专用于CHOPS后含油层的注入井和采出井注入，其中碱金属硅化物在储层基质中接触水和石油，例如在未固结储层中。更通常，在CHOPS后地层中，碱金属硅化物可按循环方式注入，例如吞吐方法，在短注射阶段内进入采出井的井筒内，然后为短的浸泡和长的采出阶段，其中碱金属硅化物在储层基质或未固结的储层地层的蚓孔内与水和油接触。
在碱金属硅化物注入CHOPS后含油层之后，碱金属硅化物可与例如原位存在于地层和/或蚓孔内的水，或与注入水或醇反应。可使用其它的能与碱金属硅化物反应的液体反应物/组合物。注入的水或醇可从相同或不同的井中供应作为注入的碱金属硅化物。碱金属硅化物反应通过以下至少之一促进石油开采：地层压力增加、石油粘度降低、界面张力(IFT)改变、润湿性改变、蚓孔崩塌和再生长、流体转向和驱油改进。在本发明的其它实施方案中，使所述注入的碱金属硅化物反应以促进CHOPS后含油层内的石油流动的反应步骤可与以下至少一个单独的步骤组合进行：注水、注气、蒸汽注射、溶剂注射、含油地层的加热或CHOPS后含油层的化学处理。
图1显示了例如在循环构造中引入碱金属硅化物的请求保护的方法的机理性实例，例如在吞吐系统中。同样地，请求保护的发明也可用于驱油模式。硅化物分散体101沿管道143和外罩(未编号)形成的井的环空155向下注入，例如井下螺杆泵110。硅化物分散体101沿环空155向下移动至蚓孔网络166中。水可能存在于蚓孔网络166内和紧邻目标原油(由于存在于地层中的conate水和在初级CHOPS采出期间连同石油产生的游离水)。除实际的硅化物分散体101之外，烃或气体107的预冲洗可用于从井筒177和蚓孔166置换尽可能多的该滞留水以保证最大渗透性。示例注射段序列显示在图1中。通常，实施纯烃(没有碱金属硅化物)预冲洗107，和碱金属硅化物101在预冲洗之后注入。轻质烃为优选，因为它们随后作为稀释剂用于重质原油以进一步降低粘度影响。添加剂例如polmers可在预冲洗中加入以改善冲洗效率。此外，气体例如甲烷、丙烷、空气、氮、氧、二氧化碳等可用于从CHOPS井的井筒或环空置换任何水流体，然后注射碱金属硅化物。烃预冲洗107还可推动水通过蚓孔166进入地层，然后其由于得到的压力增加，其在减小的粘度下返回至蚓孔网络。在碱金属硅化物注射段101之前，该预冲洗用于“干燥”蚓孔输送路径，允许碱金属硅化物更深入渗透进地层内，然后与大量水相遇并被消耗。在储层地层中，在该预冲洗区域内，其中碱金属硅化物和水发生混合以产生热量、氢和硅酸盐副产物。对于较重的原油，该预冲洗107还用作适合的溶剂或稀释剂，以进一步改善石油流度。
类似地，在碱金属硅化物段101的后端，烃或气体的短的后冲洗段109可用于清洁碱金属硅化物分散体（来自碱金属硅化物注射段101）的井筒和尽可能多地将其与后续的任何水基驱动流体分离，例如盐水或聚合物稠化水111。这还可增加压力至地层。在循环情况下，短的水段可跟随后冲洗以保证所有硅化物在浸泡阶段期间反应，然后返回井采出。当在预冲洗的情况下，后冲洗段109还可为纯烃或气体。以这种方法，当碱金属硅化物段101前进入地层内时，随着地层的多孔基质内的天然流体分散体产生与水接触的机会，在碱金属硅化物段101的烃预冲洗107区域之前和在烃后冲洗109区域之后可能有反应。烃后冲洗109提供附加益处，因为在后端快速反应可迅速将未反应的碱金属硅化物段101推进前进通过蚓孔和深入至地层并加快其在前端与水的接触，允许其在短时间内在随后的压力和温度峰下迅速消耗自身。油、水和砂188经由管道143采出至表面。
对于较重质原油和特别对于CHOPS后的井，碱金属硅化物可在循环(例如，吞吐，吐吞)模式下注射使用和从井中产生，至少在开始。如上概述，图1描绘了具有蚓孔网络的典型的CHOPS井，碱金属硅化物处理以循环方式应用到其中。图6A-6C显示利用循环方法采出石油的另一种示例性CHOPS井，例如吞吐方法。例如，如图6A所示，碱金属硅化物分散体从CHOPS后的井的环空808向下（吞）注射一天至几天。如图6B所示，一旦碱金属硅化物分散体从环空向下注射，短浸泡时间允许反应进行完全，且热量随着碱金属硅化物分散体反应在地层818中消散。图6C说明了返回采出数月的井，石油经由螺杆泵沿中心管道828向上采出。该循环类似于循环热强化石油回收(EOR)过程。在循环模式中，纯烃隔离段可非常短或可能不需要，因为目标是井筒附近和蚓孔区域的原油。在一些情况下，在数个循环之后，一旦在邻近井之间已经建立连通，循环吞吐注射可转变为驱油模式。
碱金属硅化物在所选注射压力和所选注射温度下注入CHOPS后的井。所选的注射温度与储层温度相同或几乎相同(约15℃，例如，对于西方的加拿大油田是典型的)。所选的注射压力应大于储层压力和应足以导致碱金属硅化物易于流动进储层和进入地层中的蚓孔内。一般而言，注射压力应通常在储层的地层破裂压力之下。
所选量的碱金属硅化物和任何其它补充的EOR材料(化学品、气体、添加剂、聚合物等)已经注入井之后，井可关闭所选的一段时间，以允许碱金属硅化物和水/醇反应在蚓孔内发生。在关闭阶段已经完成之后，井然后投产采出油和气。井可以类似形式在初级CHOPS采出期间使用螺杆泵如同常规CHOPS井采出。
延伸的CHOPS效能
在先前使用重油出砂冷采(CHOPS)，但接近或已达到它的经济限度的情况之后是另一种情形，其中碱金属硅化物可深入输送入进地层中。溶解气驱动，或溶解气驱动组合水层载体，已经是CHOPS采出的主要机制。储层初始不包含游离气体，但随着压力衰减发展出游离气体，一旦压力降到气体开始从不饱和石油分解的点以下和形成游离气体相(泡点)的点以下，使用相同机制。CHOPS技术通常在地层内的较弱的砂通道内产生蚓孔，由此产生未固结的砂和石油。这留下高渗透性通道，其允许碱金属硅化物易于接近远离井筒的地层的内部部分。较高的渗透性通道作为无罩的水平井，在其中碱金属硅化物可流动并反应以释放热量降低原油粘度，释放氢以恢复储层压力，和释放碱金属以促进额外的产量。在图6A-6C显示的该实例中，碱金属硅化物可按循环方式应用，使用注射和由相同井采出。
不是全部注入的碱金属硅化物颗粒(例如Na4Si4)在柴油溶液中可立刻与来自地层的水反应。注入的Na4Si4的一些部分可立刻反应，而剩余的可较慢反应，取决于蚓孔之内的碱金属硅化物的分散速率。试验多种情况以研究Na4Si4分散速率对循环CHOPS后过程的影响。在柴油中30重量%的Na4Si4分散体，如上述制备，用于以下报导的研究。
CMG STARS高级过程和热储层模拟器(Computer Modelling Group，Ltd.)用于建模和确认CHOPS后碱金属硅化物注射过程，用于加拿大的实际的6个CHOPS井模式，考虑氢反应产物的压力保持和溶解度影响，反应热影响，和柴油溶剂载体流体的稀释作用。在模型中不考虑碱影响。图7显示了利用井模式和在不同层中类似辐条模式的蚓孔布置的模型层，所述层与现有CHOPS采出历史匹配。虽然类似辐条的模式可能对于实际的蚓孔模式不现实，但其在系统中提供合理的根据用于历史匹配和后续的循环碱金属硅化物应用预测。从硅酸盐副产物或通过蚓孔崩塌和再生长以改进回收的任何机制未结合对IFT降低或驱油改进的贡献。石油在15℃下为11.6API比重，20,575cps的重质原油。表1的结果显示当柴油载体流体中的30重量%的碱金属硅化物分散体在1.5-20m3/循环的速率下应用时(循环过程具有1天注射、1天浸泡和30-120天采出的序列，经15-30个循环)，来自这些井的回收率可经济地比单独的初级CHOPS回收增加50%。在井筒附近的区域内的压力保持和粘度降低是由于该增加导致的热量、氢溶解度和溶剂的影响。
表1-用于不同方案的%IOIP回收
采油速率
图2还显示了几种情况的模拟采出曲线，其对比使用纯柴油没有碱金属硅化物的情况有不同的碱金属硅化物应用速率。没有碱金属硅化物的纯柴油代表基础情况溶剂影响。结果显示碱金属硅化物应用导致相对于仅柴油载体流体的溶剂影响有显著增加的回收。如图2所示，四种情况当中，20m3/天注射产生70,637m3石油的最高的石油采量(2.94%OOIP回收率)。1.67m3/天井的最低碱金属硅化物注射速率得到55,842m3的石油(2.33%的OOIP回收率)。纯柴油注射产生56,798m3的石油(2.37%的OOIP回收率)，而连续的压力衰减产生54,229m3的石油(2.26%的OOIP回收)。在增长百分比方面，20m3/天/井的碱金属硅化物注射速率改善了石油回收率，比起1.67m3/天/井注射情况提高~27%，比起纯柴油注射情况提高~25%，和比起连续压力衰减情况提高~30%。在实际油田操作中，连续的压力衰减情况不会发生，因为井会留待自身采出。
粘度降低
通过单独的柴油的粘度降低影响对比如图3所示柴油载体流体中的碱金属硅化物，进一步说明该改进。粘度降低改善了石油的流度，因为石油流动更自由。降低的粘度可归因于多个因素，包括氢在油相中的溶解度、来自碱金属硅化物反应的热量和柴油溶剂稀释的影响。通过将柴油中的碱金属硅化物的情况与仅有柴油的情况对比，在20m3/天/井的注射速率下，所述因素可随时间区分，并显示为最接近井筒的块(block)。碱金属硅化物和仅有柴油的两种情况在10年之后都产生超过75%的原油粘度下降，但如图3所示，碱金属硅化物提供更大的降低，特别是在早期循环中。在两种情况下，采出油中的柴油部分初始是低的，但随时间逐渐升高，约5年之后组成接近1%的累计产量(400m3)。这影响粘度降低曲线(图3)的形状，循环碱金属硅化物的影响也添加到其中。趋势显示当反应时粘度立刻迅速下降并释放热量和氢。然后，当在采出阶段期间恢复产生流体时，粘度稍微恢复。此外，一些热量和氢消散和/或积累在地层中，其随时间在每个增加的循环中积累。基于本模型，碱金属硅化物的氢溶解度和热量的影响之间的区别可能不容易区分，但氢溶解影响可能更大，因为地层是明显的冷源。
从这些井中的产水量降低，由于碱金属硅化物反应耗水，这随后降低与采出流体有关的水处理费用。图4A-4C显示了石油(图4A)、水(图4B)和气体(图4C)的模拟采出曲线，针对以下实例，其中碱金属硅化物应用速率为7.35m3/井/循环，注射1天时间，浸泡1天和采出120天，在10年内最多30个循环。
该模型还表明不一定是在初级CHOPS采出期间作为最佳开采地的井现在采出更多石油。例如，如表2所示，井391和392在初级CHOPS采出期间排第三和第四，现在在CHOPS后循环碱金属硅化物处理下为最高的采出井。这针对以下注射序列：20m3注射超过1天，浸泡1天，和采出120天。其表明碱金属硅化物的影响经由在初级CHOPS采出期间产生的蚓孔网络达到额外的储层部分。储层的这些部分先前不可到达。
表2-CHOPS和CHOPS后采出井的对比
用于循环溶剂注射的碱金属硅化物和柴油的对比
用于CHOPS后的井的一项有竞争性的技术是循环溶剂注射(CSI)，其中溶剂包括轻质烃例如甲烷、乙烷和丙烷的混合物。示例性测试用CMG STARS MODEL模拟，其中70%的甲烷/30%的丙烷溶剂混合物以注射60天，浸泡15天和采出290天的循环方式应用，基于与碱金属硅化物相同的材料成本的等效速率。结果显示在图5A-5B中，两种情况的溶剂价格为$3/sm3(低纯度)和$8.4/sm3(高纯度)。图5A比较使用溶剂注射实施碱金属硅化物和柴油的累计产油量。同样地，图5B在累计产水量方面比较使用溶剂注射实施碱金属硅化物和柴油。在两种情况下，在5年的循环操作中，碱金属硅化物方法比溶剂混合物在采出额外石油(多~23%的石油)方面更加成本有效。碱金属硅化物和柴油的情况还产生较少的产水量(少~8%的水)。
钠碱金属硅化物在CHOPS后储层中的循环注射可改善原始或初始的石油储量回收。该增加是由于产氢对井筒/蚓孔附近再加压，和由于溶解的氢气使粘度降低，和井筒/蚓孔附近的温度升高。在CMG STARS模型中未考虑IFT降低、润湿性变化、驱油改进或蚓孔崩塌的影响，其全部都可能是进一步改进回收因素的额外机制。

Claims (22)

1. 促进从重油出砂冷采(CHOPS)后的含油层中石油回收的方法，所述方法包含：
任选地在具有至少一个蚓孔的CHOPS后含油层中冲洗井筒以从井筒和井筒附近区域中排出水；
将碱金属硅化物经由井筒注入CHOPS后含油层以将碱金属硅化物引入至所述CHOPS后含油层内的至少一个蚓孔中；
使所述注入的碱金属硅化物反应以促进在所述CHOPS后含油层内的石油流动；和
从所述CHOPS后含油层中回收石油。
2. 权利要求1的方法，其中所述注入和反应步骤以循环方式重复以促进在所述CHOPS后含油层内的石油流动。
3. 权利要求1的方法，其中所述碱金属硅化物作为碱性硅化物金属分散体注入。
4. 权利要求3的方法，其中所述碱金属硅化物分散体含有约20-约80重量%的碱金属硅化物。
5. 权利要求1的方法，其中所述碱金属硅化物为硅化钠。
6. 权利要求5的方法，其中所述碱金属硅化物为Na4Si4。
7. 权利要求3的方法，其中所述碱金属硅化物分散体包含烃载体流体。
8. 权利要求1的方法，其中所述反应步骤在所述CHOPS后含油层的一部分内产生氢、硅酸盐和热量。
9. 权利要求1的方法，其中所述CHOPS后含油层含有中质至重质原油，其具有10-22或1,000-100,000cps的API比重。
10. 权利要求1的方法，其中将所述碱金属硅化物分散体注入所述CHOPS后含油层包含将所述碱金属硅化物分散体经由注入井注射并在所述CHOPS后含油层中的采出井回收石油。
11. 权利要求1的方法，其中将所述碱金属硅化物分散体注入所述CHOPS后含油层包含将所述碱金属硅化物分散体经由采出井注入所述CHOPS后含油层。
12. 权利要求1的方法，其中使所述注入的碱金属硅化物反应包含将水注入所述CHOPS后含油层的步骤。
13. 权利要求1的方法，其中注入所述碱金属硅化物分散体包含注射烃隔离流体以促进深度穿透的附加步骤。
14. 权利要求13的方法，其中所述烃隔离流体的注射包括预冲洗流体和后冲洗流体中的至少一个。
15. 权利要求1的方法，其中促进在所述CHOPS后含油层内石油流动的所述循环方式包含在用于注射和采出两者的单一井内交替进行注入、浸泡和回收阶段。
16. 权利要求1的的方法，其中使所述碱金属硅化物反应通过地层压力增加、石油粘度降低、界面张力(IFT)改变、润湿性改变、蚓孔崩塌和再生长、流体转向和驱油改进中至少之一来促进石油开采。
17. 权利要求1的方法，其中使所述注入的碱金属硅化物反应以促进所述CHOPS后含油层内的石油流动的步骤与以下至少一个单独的步骤组合：注水、注气、蒸汽注射、溶剂注射、含油地层的加热或CHOPS后含油层的化学处理。
18. 促进从重油出砂冷采(CHOPS)后的含油层中石油采出的方法，所述方法包含：
选择具有至少一个蚓孔的含油层，其正在经受或已经完成初级CHOPS采出；
将碱金属硅化物注入所述含油层的蚓孔内以将注入的硅化物分散体输送至所述含油层的蚓孔；和
使注入的硅化物分散体与水反应，其中所述反应通过地层压力增加、石油粘度降低、界面张力(IFT)改变、润湿性改变、流体转向和驱油改进中至少之一来促进额外的石油采出。
19. 权利要求18的方法，其包含将碱金属硅化物分散体注入所述含油层，包含将所述碱金属硅化物分散体经由注入井注入并从含油层内的采出井回收石油。
20. 权利要求18的方法，其包含将碱金属硅化物分散体注入所述含油层，包含将所述碱金属硅化物分散体经由采出井注入所述含油层。
21. 包含分散在石油中的约20-约80重量%的碱金属硅化物颗粒的碱金属硅化物分散体。
22. 权利要求21的碱金属分散体，其中所述石油为柴油且所述碱金属硅化物颗粒具有约20-25微米的最大粒径。
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