CN115354990B - 一种定向射频加热稠油油藏智能开采装置与方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种定向射频加热稠油油藏智能开采装置与方法，该装置包括：地面控制系统、加热段微波穿透的套管，置于套管内的天线阵列和电磁信号接收器；天线阵列、电磁信号接收器均通过高压高频电缆与变频器、变功率电源以及控制系统连接。所述电磁信号接收器接收储层反射的电磁波并传输至控制系统来反演剩余油分布。本发明提供的定向射频加热稠油油藏智能开采装置，通过调控单个天线开、关及所产生电磁波的振幅、相位和频率来提高或降低天线阵列所产生电磁波在特定方向的能量幅度，定向射频加热剩余油富集的区域，从而有效降低了传统覆盖式加热方法的高能耗问题，提高了开采效率。
Description
技术领域
本发明涉及石油勘探开发技术领域，尤其涉及一种定向射频加热稠油油藏智能开采装置与方法。
背景技术
我国石油资源需求呈增长态势，原油对外依存度逐年增加。世界稠油资源丰富，约占石油探明储量的70％；我国稠油储量约为2×108吨，是缓解能源供需矛盾的重要非常规能源。
稠油胶质、沥青质含量较高，粘度高、密度大、流动性差、开发难度大，体现在开采、运输、炼化等各个环节。目前常用的开采方法主要包括VAPEX、循环注溶剂等溶剂萃取方法与蒸汽驱、蒸汽吞吐、SAGD、火烧油藏、电加热及电磁加热等热采方法。溶剂萃取法利用溶剂扩散稀释稠油而降粘，该方法安全环保，但溶剂传质速度慢导致开采效率较低。以蒸汽为主的热采方法利用蒸汽携带的潜热加热稠油而降粘，存在热损失严重、能耗高、消耗大量水资源、碳排放量大等问题。火烧油藏通过注入氧气让稠油在地下燃烧进行原位改质，该技术应用效果受储层非均质性影响较大，且安全隐患大。电加热借用井下安装的电阻丝加热稠油储层，其作用范围局限于近井地带。
电磁加热利用稠油储层流体在交变电磁场作用下的离子传导与偶极子旋转摩擦生热加热稠油储层，将电能转为热能，实现稠油的升温降粘。根据电磁波的频率可将电磁加热分为射频加热(300kHz～300MHz)与微波加热(300MHz～300GHz)。专利CN103225497A公开一种微波原位汽化地层水并驱替稠油的开采方法中，对蒸汽吞吐后的老井进行水力压裂改造并注入碳化硅，微波源设置在驱替井井口，微波由井内波导通过发射孔均匀辐射储层，加热过程中碳化硅作为高温传热介质率先被加热并向储层进行热传递，随后原位汽化地层水并驱替井间可流动的原油。专利CN111594118A公开一种用于提高稠油采收率的电磁加热方法中，天线由直井下放至目标储层进行加热，温度传感器用来监测近井筒温度变化，加热过程中若监测温度大于500℃，则选择50～100W的步长降低功率并继续加热，重复此过程直至加热功率达到最低功率100W，进入连续采油阶段。专利CN103244089A公开一种微波辅助溶剂萃取稠油的开采方法中，对稠油开采区的水平井注采井网进行压裂造缝并注入碳化硅，微波源置于注入井井口，微波由波导输送至注入井水平段并均匀辐射储层，加热过程中根据热电偶监测的环空温度调整加热功率，使环空平均温度保持在200～220℃，随后以100～300m3/天的速度注入轻质烷烃溶剂，开始连续采油。现有应用电磁加热开采稠油的专利以微波加热为主，其穿透深度相对较低，常用微波频率915MHz与2.45GHz的微波在真空中的波长为0.328m与0.122m，作用于稠油油藏的深度有限。
然而，我国稠油油藏埋藏深、矿物组分复杂、储层非均质性严重，常规热采方法采收率较低，如蒸汽吞吐或蒸汽驱的采收率一般在40％左右，储层中有大量剩余油未动用。现行的电磁加热方法与常规加热方式一样，未区别对待剩余油富集储层与非储层，采用覆盖式的加热方式，导致开发效率低、能耗大。
发明内容
本发明的目的在于解决上述现有技术存在的缺陷，提供一种定向射频加热稠油油藏智能开采装置与方法。
一种定向射频加热稠油油藏智能开采装置，包括：置于地上的控制系统、置于加热井内的套管，放置于所述套管内的天线阵列和电磁信号接收器；
所述天线阵列、电磁信号接收器通过高压高频电缆依次与变频器、变功率电源以及所述控制系统连接；所述控制系统通过变功率电源和变频器启动天线阵列并向周围储层发射电磁波以加热稠油储层；
所述电磁信号接收器将其接收的信号发送给控制系统，以供控制系统对接收到的信号进行反演来确定剩余油的分布。
进一步地，如上所述的定向射频加热稠油油藏智能开采装置，所述天线阵列使用柱状偶极子天线单元，天线阵列长度在1m～44m之间，所述电磁信号接收器的长度为0.8～1.2m。
进一步地，如上所述的定向射频加热稠油油藏智能开采装置，加热井水平段内间隔分布所述天线阵列，相邻所述天线阵列间分布两个所述电磁信号接收器，天线阵列与电磁信号接收器间隔1m左右，相邻两电磁信号接收器间隔1.6m左右。
进一步地，如上所述的定向射频加热稠油油藏智能开采装置，所述天线阵列包括至少四个天线单元，所述至少四个天线单元的切面在井筒切面上分布在正多边形顶点附近，所述正多边与所述井筒切面构成的圆相切。
进一步地，如上所述的定向射频加热稠油油藏智能开采装置，所述至少四个天线单元中的每个天线单元均可通过所述控制系统控制其独立开、关或调节振幅、相位及频率。
进一步地，如上所述的定向射频加热稠油油藏智能开采装置，所述套管包括常规套管以及由电磁穿透材料制成的穿透套管；所述穿透套管覆盖整个射频加热段，非加热段采用常规套管。
一种定向射频加热稠油油藏智能开采方法，包括以下步骤：
步骤1：在稠油油藏区块布置两口或多口水平井，其中上部水平井为加热井，位于储层中部，下部水平井为生产井，距离储层底部0.8～1.2m；
步骤2：将天线阵列和电磁信号接收器由加热井下放至目标储层水平加热段，天线阵列和电磁信号接收器置于套管内，所述套管置于加热井内；
天线阵列和电磁信号接收器通过高压高频电缆依次与变频器、变功率电源及控制系统相连；
步骤3：由地面变功率电源通过高压高频电缆向井下供电，通过控制系统和变频器启动天线阵列并发射电磁波加热稠油储层，稠油升温降粘后靠重力渗流至底部生产井，随后被举升至地面；
步骤4：电磁信号接收器接收天线阵列所发射电磁波在储层被反射后的信号并传输至地面控制系统，当该井稠油日产量低于该区块井的平均产量时，利用收集的反射信号识别储层中剩余油的分布；
步骤5：基于剩余油分布的识别结果，控制系统调整天线阵列内各个天线单元的开、关及所产生电磁波的振幅、相位和频率，以实现定向射频加热，从而优先开发储层中经济性较好的剩余油区域；
步骤6：重复步骤4-5，储层内经济与技术上可采的剩余油开采完毕后，结束该井的生产周期。
进一步地，如上所述的定向射频加热稠油油藏智能开采方法，所述步骤4包括：
所述天线阵列发射的电磁波起到加热储层和监测剩余油分布的双重作用，通过电磁信号接收器接收储层反射的电磁信号，电磁信号接收器将接收到的信号传回地面所述控制系统，所述控制系统基于反射电磁波的信号特征及储层油气水电学性质的差异，反演出储层中油气水三相界面及剩余油的分布情况。
进一步地，如上所述的定向射频加热稠油油藏智能开采方法，所述加热井与生产井井距在10～20m之间。
进一步地，如上所述的定向射频加热稠油油藏智能开采方法，所述天线阵列向周围储层发射的电磁波的功率为：6.78MHz、13.56MHz、27.12MHz或40.68MHz。
有益效果：
本发明提供的定向射频加热稠油油藏智能开采装置，通过在目标储层分布天线阵列以及电磁信号接收器，通过天线阵列向其周围储层发射电磁波，通过储层介质在电磁场作用下的极化运动生热，使得稠油粘度的到降低，稠油的流动性得到提高，通过电磁信号接收器接收储层反射的电磁信号并传输至地面控制系统，通过地面控制系统对电磁信号进行反演分析剩余油分布情况，通过剩余油分布调整天线阵列中部分天线的参数以定向加热剩余油富集区域，从而实现了对稠油油藏的定向智能开采，进而提高了稠油油藏的开发效率。
附图说明
图1为本发明提供的定向射频加热稠油油藏智能开采装置结构示意图；
图2为本发明提供的定向射频加热稠油油藏智能开采方法流程示意图；
图3为剩余油定向加热示意图；
图4为图3定向加热时天线阵列工作状态示意图；
附图标记：
1-变功率电源；2-变频器；3-控制系统；4-天线阵列；5-电磁信号接收器；6-高压高频电缆；7-套管；8-加热井；9-生产井；10-目标储层；11-剩余油。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面对本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本申请应用射频电磁波加热稠油储层与定位剩余油分布，提出一种基于剩余油分布与定向射频加热稠油油藏的智能开采装置与方法，推动稠油资源低碳、高效、清洁开发。射频加热频率低、穿透深度大，比如13.56MHz射频频率下电磁波在真空中的波长为22.123m。
图1为发明提供的定向射频加热稠油油藏智能开采装置结构示意图，如图1所示，该装置包括：置于地上的控制系统3、加热井8的微波穿透套管7，放置于所述套管7内的天线阵列4、电磁信号接收器5；
所述天线阵列4、电磁信号接收器5均通过高压高频电缆6依次与变频器2、变功率电源1以及所述控制系统3连接；所述控制系统3通过变功率电源1和变频器2启动天线阵列4并向周围储层发射电磁波以加热稠油储层；
所述电磁信号接收器5将其接收的信号发送给控制系统3，以供控制系统3对接收到的信号进行反演来确定剩余油的分布。
具体地，射频加热具有加热速率快、附加热损失小、穿透距离远等特点，储层吸收电磁波转化为热能加热稠油油藏，而其反射的电磁波信号能够用于反演剩余油的分布，为定向射频加热的调控提供依据。射频加热通过多个天线组合形成天线阵列，调整天线阵列内单个天线的开、关及所产生电磁波的振幅、相位及频率，对不同方向的电磁波进行增益或缩减，实现电磁波的定向辐射，针对性地加热剩余油富集区域，减少非储层加热所消耗的能量。
本发明提供的装置，在目标储层安装天线阵列与电磁信号接收器，通过变功率电源、变频器及井下电缆给井下天线阵列和电磁信号接收器供电，天线阵列向其周围储层发射电磁波，储层流体与电磁波相互作用摩擦生热，降低稠油粘度进行开采，电磁信号接收器获取反射的电磁波信号并传输至地面控制系统，根据储层油气水电学性质差异，反演储层中油气水三相界面及剩余油分布情况。基于波的叠加原理，通过调控天线阵列中单个天线的开、关及所产生电磁波的振幅、相位及频率，提高或降低电磁波在特定方向的能量幅度，定向射频加热剩余油分布较广的区域。该方法通过天线阵列、电磁信号接收器及控制系统之间的交互，实现了对剩余油的定向射频加热，针对性地加热目标储层，有效降低了传统覆盖式加热方法的高能耗问题，最终实现稠油油藏的智能开采。
进一步地，所述天线阵列4使用柱状偶极子天线单元，天线阵列长度在1m～44m之间，所述电磁信号接收器5的长度为0.8～1.2m。
具体地，本申请根据射频频率确定天线阵列长度在1m～44m之间，根据储层水平加热段长度合理选择天线长度和电磁信号接收器长度，从而使水平加热段全部在加热范围内。
进一步地，加热井水平段内间隔分布所述天线阵列4，相邻所述天线阵列4间分布两个所述电磁信号接收器5，天线阵列4与电磁信号接收器5间隔1m左右，相邻两电磁信号接收器间隔1.6m左右。
具体地，所述天线阵列4与电磁信号接收器5的数量由储层水平加热段长度确定。天线阵列和电磁信号接收器的间隔以及电磁信号接收器之间的间隔用来确定天线阵列和电磁信号接收器的分布方式及分布位置，本申请通过将天线阵列4与电磁信号接收器5间隔设置为1m、将相邻两电磁信号接收器间隔设置为1.6m，可以保证在多个频率下进行测井分析，从而提高定向射频加热稠油油藏的效率。
进一步地，如图4所示，所述天线阵列4包括至少四个天线单元，所述至少四个天线单元的切面在井筒切面上分布在正多边形顶点附近，所述正多边与所述井筒切面构成的圆相切。
具体地，本申请通过将每个天线单元分布在井筒切面圆内切正方形的四个顶点附近以便于调整天线单元参数，既：能够对部分天线单元调整开、关状态或调整电磁波振幅、相位及频率，从而使若干天线单元产生的电磁波在相互叠加以后，能够使电磁辐射能量聚集在目标加热方向，从而能够更好的达到定向射频加热效果。
进一步地，所述至少四个天线单元中的每个天线单元均可通过所述控制系统3控制其独立开、关或调节振幅、相位及频率。
本发明提供的定向射频加热稠油油藏智能开采装置，通过控制系统使每个天线单元均可独立开、关或调节振幅、相位及频率，从而实现了对稠油油藏的定向智能开采，提高了稠油油藏的开发效率。
进一步地，所述套管7包括常规套管以及由电磁穿透材料制成的穿透套管；所述穿透套管覆盖整个射频加热段，非加热段采用常规套管；所述穿透套管采用聚四氟乙烯等耐高温高压且电磁穿透材料制成。
具体地，首先，常规材质的套管会吸收和反射大量电磁波，进入储层的电磁波能量急剧减少并且迅速衰减，最终达不到加热效果，而电磁穿透材料制成的穿透套管可以保证大部分电磁波进入储层进行加热。其次，射频加热过程中由于近井筒率先被加热而温度较高，使用耐高温高压材质可以减少加热过程中对套管的损坏，避免不必要的经济损失；最后，耐高温高压的电磁穿透材料成本高于常规套管，因此只需在加热段使用，非加热段使用常规套管即可，从而达到节省成本的目的。
图2为本发明提供的定向射频加热稠油油藏智能开采方法流程示意图，如图2所示，该方法包括：
步骤1：在某待开采的稠油油藏区域设置包含加热井和生产井的水平井井组，加热井位于储层中部，生产井距离储层底部约1m，加热井与生产井井距在10～20m之间；
步骤2：根据测井数据可确定该储层水平加热段300m左右，若选用10m长的天线阵列，需要18个天线阵列及36个电磁信号接收器，若选用20m长的天线阵列，则需11个天线阵列及22个电磁信号接收器；
步骤3：将天线阵列4和电磁信号接收器5由加热井8下放至加热区域，二者间隔分布，相邻两天线阵列4之间放置两个电磁信号接收器5，天线阵列4与电磁信号接收器5的间距为1.6m，电磁信号接收器5之间间距为1m；
步骤4：地上变功率电源1、变频器2、控制系统3及井下天线阵列4和电磁信号接收器5由高压高频电缆6依次连接，变功率电源1向井下天线阵列4和电磁信号接收器5供电，变频器2调节天线阵列发射电磁波的频率，控制系统对电磁信号接收器5传输的信号进行计算反演确定剩余油的分布及控制单个天线的工作参数；
步骤5：选定初始加热频率，如27.12MHz，启动天线阵列对目标储层进行常规射频加热；
步骤6：待该井日产量持续低于该区块井的平均产量时，通过地面控制系统3分析电磁信号接收器5接收储层反射的电磁信号，对电磁信号进行计算反演，判断储层是否有剩余油分布及计算剩余油的储量；
步骤7：如果储层存在剩余油且分布在N个区域，根据油水或油气界面位置及大小，逐一判断这N个区域分布的剩余油的开采价值(如图3所示)；
步骤8：针对经济与技术上可开采的区域，依次调整天线阵列内单个天线开、关或所产生电磁波的振幅、相位及频率，增强天线阵列向该区域所在方向辐射的电磁能量(如图4所示，以四个天线单元为例，打开天线单元a和d，关闭b和c，天线单元a和d以同相位工作形成定向射频加热)，定向加热该区域剩余油至生产井无连续油流产出，开始对第二个区域定向加热(如图3所示)，直至所有具有开采价值的剩余油开采完毕结束，返回步骤6；
步骤9：如果剩余油分布区域均不具备开采价值或储层无剩余油，结束该井开采工作，将相关天线阵列与信号接收器重复利用到另一口井中进行稠油开发。
具体地，所述天线阵列4发射的电磁波起到加热储层和监测剩余油分布的双重作用，通过电磁信号接收器5接收储层反射的电磁信号，并传回地面控制系统3，基于反射电磁波的信号特征及储层油气水电学性质的差异，反演出储层中油气水三相界面及剩余油的分布情况。
本发明提供的定向射频加热稠油油藏智能开采方法，在目标储层安装天线阵列与电磁信号接收器，利用天线阵列向其周围储层发射电磁波，储层流体在电磁场中发生极化运动而摩擦生热，降低稠油粘度进行开采，电磁信号接收器获取反射的电磁波信号并传输至地面控制系统，根据储层岩石及稠油电学性质的差异性反演储层中剩余油分布，基于波的叠加原理，通过调控单个天线开、关及所产生电磁波的振幅、相位和频率来提高或降低天线阵列所产生电磁波在特定方向的能量幅度，定向射频加热剩余油富集的区域。该方法通过天线阵列、电磁信号接收器及地面设备的闭环系统，实现了对剩余油的探测及定向射频加热，针对性地加热目标储层，有效降低了传统覆盖式加热方法的高能耗问题。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。
Claims (8)
1.一种定向射频加热稠油油藏智能开采装置，其特征在于，包括：置于地上的控制系统(3)、置于加热井(8)内的套管(7)，放置于所述套管(7)内的天线阵列(4)和电磁信号接收器(5)；
所述天线阵列(4)、电磁信号接收器(5)通过高压高频电缆(6)依次与变频器(2)、变功率电源(1)以及所述控制系统(3)连接；所述控制系统(3)通过变功率电源(1)和变频器(2)启动天线阵列(4)并向周围储层发射电磁波以加热稠油储层；
所述电磁信号接收器(5)将其接收的天线阵列(4)所发射电磁波在储层被反射后的信号并传输至地面控制系统(3)，以供控制系统(3)对接收到的信号进行反演来确定剩余油的分布；
加热井水平段内间隔分布所述天线阵列(4)，相邻所述天线阵列(4)间分布两个所述电磁信号接收器(5)，天线阵列(4)与电磁信号接收器(5)间隔1m，相邻两电磁信号接收器间隔1.6m；
所述天线阵列(4)发射的电磁波起到加热储层和监测剩余油分布的双重作用，通过电磁信号接收器(5)接收储层反射的电磁信号，电磁信号接收器(5)将接收到的信号传回地面所述控制系统(3)，所述控制系统(3)基于反射电磁波的信号特征及储层油气水电学性质的差异，反演出储层中油气水三相界面及剩余油的分布情况。
2.根据权利要求1所述的定向射频加热稠油油藏智能开采装置，其特征在于，所述天线阵列(4)使用柱状偶极子天线单元，天线阵列长度在1m～44m之间，所述电磁信号接收器(5)的长度为0.8～1.2m。
3.根据权利要求1所述的定向射频加热稠油油藏智能开采装置，其特征在于，所述天线阵列(4)包括至少四个天线单元，所述至少四个天线单元的切面在井筒切面上分布在正多边形顶点附近，所述正多边与所述井筒切面构成的圆相切。
4.根据权利要求3所述的定向射频加热稠油油藏智能开采装置，其特征在于，所述至少四个天线单元中的每个天线单元均可通过所述控制系统(3)控制其独立开、关或调节振幅、相位及频率。
5.根据权利要求1-4任一所述的定向射频加热稠油油藏智能开采装置，其特征在于，所述套管(7)包括常规套管以及由电磁穿透材料制成的穿透套管；所述穿透套管覆盖整个射频加热段，非加热段采用常规套管。
6.一种定向射频加热稠油油藏智能开采方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1：在稠油油藏区块布置两口或多口水平井，其中上部水平井为加热井(8)，位于储层中部，下部水平井为生产井(9)，距离储层底部0.8～1.2m；
步骤2：将天线阵列(4)和电磁信号接收器(5)由加热井(8)下放至目标储层水平加热段，天线阵列(4)和电磁信号接收器(5)置于套管(7)内，所述套管(7)置于加热井(8)内；
天线阵列(4)和电磁信号接收器(5)通过高压高频电缆(6)依次与变频器(2)、变功率电源(1)及控制系统(3)相连；
步骤3：由地面变功率电源(1)通过高压高频电缆(6)向井下供电，通过控制系统(3)和变频器(2)启动天线阵列(4)并发射电磁波加热稠油储层，稠油升温降粘后靠重力渗流至底部生产井(9)，随后被举升至地面；
步骤4：电磁信号接收器(5)接收天线阵列(4)所发射电磁波在储层被反射后的信号并传输至地面控制系统(3)，当生产井稠油日产量低于稠油油藏区块井的平均产量时，利用收集的反射信号识别储层中剩余油的分布；
步骤5：基于剩余油分布的识别结果，控制系统(3)调整天线阵列(4)内各个天线单元的开、关及所产生电磁波的振幅、相位和频率，以实现定向射频加热，从而优先开发储层中经济性较好的剩余油区域；
步骤6：重复步骤4-5，储层内经济与技术上可采的剩余油开采完毕后，结束该井的生产周期；
所述步骤4包括：
所述天线阵列(4)发射的电磁波起到加热储层和监测剩余油分布的双重作用，通过电磁信号接收器(5)接收储层反射的电磁信号，电磁信号接收器(5)将接收到的信号传回地面所述控制系统(3)，所述控制系统(3)基于反射电磁波的信号特征及储层油气水电学性质的差异，反演出储层中油气水三相界面及剩余油的分布情况。
7.根据权利要求6所述的定向射频加热稠油油藏智能开采方法，其特征在于，所述加热井(8)与生产井(9)井距在10～20m之间。
8.根据权利要求6所述的定向射频加热稠油油藏智能开采方法，其特征在于，所述天线阵列(4)向周围储层发射的电磁波的功率为：6.78MHz、13.56MHz、27.12MHz或40.68MHz。
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