CN116867953A - 热碳氢化合物开采操作再利用来生产合成气的方法 - Google Patents

Abstract

披露了用于再利用热碳氢化合物开采操作的方法，其中将先前已用蒸汽处理的用于碳氢化合物流通的储层进一步用氧化剂处理，以引发热裂化(热解)、气化、水煤气变换和水热解反应中的一种或多种，从而在储层内产生合成气，然后可以将该合成气或其组成组分生产至地面。

Description

热碳氢化合物开采操作再利用来生产合成气的方法

技术领域

本技术领域涉及从碳氢化合物储层生产有价值的产品，并且具体涉及用于处理储层的二次或三次方法。

背景技术

碳氢化合物储层在全球是丰富的，并且许多技术用于从这些储层中生产油或气体，这些技术包括初级工艺以及强化石油开采工艺(如水驱和蒸汽驱以及化学驱)，以从储层中生产另外的碳氢化合物。

对于各种油类型，包括但不限于重油和超重油(沥青)，各种储层因素挑战或损害油的可生产性(包括油在原始储层条件下是否是高粘性的)，并且因此各种油类型，包括但不限于重油和沥青，通常被热处理以降低粘度并可能增加储层压力，使得碳氢化合物更容易在储层中流动并可以生产到地面。在大多数热方法中，将蒸汽注入储层以加热重油或沥青从而降低其粘度，以便将其生产到地面。在一些情况下，使用除蒸汽之外的替代性强化加热方法，或者使用除蒸汽之外的方法，这些方法可包括注入表面活性剂或可混溶流体，或者许多其他方法。

蒸汽辅助重力泄油(SAGD)是用于生产沥青的两种最常见的基于蒸汽的开采工艺之一。图1和图2示出了常规SAGD工艺1。在SAGD热采操作(如图示的工艺1)中，生产井2被钻入目标储层3的下部区域，并且注入井4在生产井2上方被钻入用于注入蒸汽5(有或没有添加剂)。当蒸汽5通过开启的注入井4注入到储层3中时，它加热并流通容纳在储层3内的碳氢化合物，当流体8(油、水和气体)通过打开的生产井2被生产到地面时，被流通的碳氢化合物由于重力而向下流过储层3流向生产井2。如侧视图6和截面图7中所示，随着碳氢化合物从储层3中释放，由于注入和生产作用，在储层3中形成了碳氢化合物耗尽的蒸汽室9。如图2中可以看出，随着时间的推移，蒸汽室9从注入井4和生产井2向外膨胀。

循环蒸汽吞吐(CSS)是另一种常用的生产沥青的基于蒸汽的开采工艺。在常规CSS系统中，单井(通常是竖直的)用于将蒸汽(有或没有添加剂)注入目标储层。然后关闭井，并允许注入物加热并流通储层内的碳氢化合物。然后，将井转换为生产模式，并用于将流通的碳氢化合物生产至地面。同样，当碳氢化合物被流通并提取时，在储层中的井周围形成蒸汽室。

其他不同的工艺在工艺过程中向蒸汽中添加溶剂或不凝气体，以流通更多的沥青或提高开采工艺的热效率。

在某个时间点，基于蒸汽的开采工艺或其在蒸汽中使用溶剂或不凝气体添加剂的变体的重油或沥青生产率会下降到该工艺运行不经济的程度。在这种情况下，通常会关闭井。

需要找到其他选择来延长这种热采操作的有用且经济的寿命。

发明内容

在主要方面中，本文描述的方法和系统利用来自SAGD或CSS的先前蒸汽化的储层或其他基于蒸汽的开采操作和这些工艺的变体(例如，使用溶剂或不凝气体与蒸汽共注入)，其中停止蒸汽注入，并将空气或氧气或另一种氧化剂注入储层中的蒸汽室中，以引起氧化、热裂解(热解)、水热解、气化和/或水煤气变换反应和其他反应，使得在储层中产生合成气，该气体或其组成组分可被生产至地面。基于蒸汽的开采可以是一次或二次提取技术。

在本发明的第一主要方面中，提供了一种在碳氢化合物开采终止后，再利用热碳氢化合物开采系统以从储层的后蒸汽化的部分生产合成气的方法，该热碳氢化合物开采系统包括至少一个从地面到储层的井，该方法包括以下步骤：

a.使用至少一个井操作热碳氢化合物开采系统，以流通碳氢化合物并通过蒸汽注入和流通的碳氢化合物生产从储层中提取碳氢化合物，导致与至少一个井相邻的储层的后蒸汽化的部分包含可氧化材料；

b.终止蒸汽注入和流通碳氢化合物生产；

c.通过至少一个井将氧化剂注入储层的后蒸汽化的部分，以引起可氧化材料的燃烧；

d.允许可氧化材料燃烧以引起热裂解、水热解、气化和水煤气变换反应中的至少一种在储层的后蒸汽化的部分内发生，从而形成合成气；以及

d.通过至少一个井将合成气的至少一种组成组分生产至地面。

在本发明第一主要方面的一些示例性实施例中，将蒸汽、溶剂、碳酸盐、锅炉冷凝水、氢氧化钙、原污水、海水和废水中的至少一种与氧化剂共注入。氧化剂优选地选自空气和氧气。

在一些示例性实施例中，在步骤c.之后关闭至少一个井，以允许燃烧从而引起步骤d.的热裂解、水热解、气化和水煤气变换反应中的至少一种。

合成气优选包含氢气和碳氧化物。当通过至少一个井生产至地面的合成气的至少一种组成组分下降到低于选定的阈值体积时，可以重复步骤c.至e.。在至少一种组成组分是氢气的情况下，该方法优选进一步包括步骤d.之后的步骤，即使用膜以允许仅将氢气生产至地面。

热碳氢化合物开采系统可以是蒸汽辅助重力泄油系统，并且然后至少一个井可以是注入井和生产井，并且注入井和生产井中的一个或两个可以用于注入氧化剂和将合成气的至少一种组成组分生产至地面的步骤。蒸汽辅助重力泄油系统可以包括至少一个加密井，并且然后至少一个井包括至少一个加密井。至少一个井可以是水平井、竖直井、斜井和多分支井中的至少一种。至少一个井可以是双完井，其中注入氧化剂和将合成气的至少一种组成组分生产至地面的步骤发生在双完井的不同部分。至少一个井可以进一步包括流量控制装置，以控制氧化剂的注入和合成气的至少一种组成组分的生产沿着至少一个井发生的位置。

下列给出本发明的示例性实施例的详细描述。然而，应当理解的是，本发明不应被解释为限于这些实施例。示例性实施例针对本发明的特定应用，而本领域技术人员将清楚，本发明具有超出本文所阐述的示例性实施例的适用性。

附图说明

在附图中，阐明了本发明的示例性实施例：

图1和图2示出了现有技术SAGD工艺的阶段。

图3示出了本发明的一个示例性实施例的氧化剂注入阶段，其中氧化剂被注入到在基于蒸汽的开采工艺期间建立的蒸汽室中。

图4示出了图3的示例性实施例的生产阶段。

图5示出了本发明的另一个示例性实施例，在基于蒸汽的开采已经停止之后，其中氧化剂被注入到地层中，并且同时从储层(具有其他储层流体)生产合成气。

现在将参考附图描述示例性实施例。

具体实施方式

贯穿下列描述，阐述了具体细节以便为本领域技术人员提供更透彻的理解。然而，可能未详细示出或描述众所周知的要素以避免不必要地使本披露不清楚。下列对本发明的实例的描述不旨在是穷举性的或将本发明限制为任何示例性实施例的精确形式。因此，说明书和附图应被认为是说明性而非限制性的。

本发明涉及从已经进行了一次或二次开采(包括蒸汽注入)的储层生产有价值的产品，从而形成碳氢化合物耗尽的蒸汽室。因此，本文所述的方法可以利用储层中投入的热量(来自注入储层的蒸汽)以及储层中蒸汽的存在，这与氧化剂的注入一起有助于实现气化和水煤气变换反应，以在储层中产生合成气。然后从储层生产合成气或合成气的一部分，并可用作化学产品(例如甲醇、氨、碳纤维)的化学原料，或用作蒸汽产生或发电的燃料；例如在内燃机或燃料电池中。

在合成气生产期间，还可以从储层生产包括重油或沥青或甲烷的流通石油产品。

通常，本说明书描述了处理先前已经进行流处理的碳氢化合物储层(常规油、重油、油砂储层、碳酸盐油储层、天然气、硫化氢)以开采合成气的方法，这种先前的处理在图1和图2中的一个示例性SAGD方法中示出并在上文中描述。根据本发明的示例性方法包括将氧气或富氧流注入到后蒸汽化储层中，以燃烧储层中的一部分可氧化流体和/或固体，蒸汽室现在变成用于气化、水煤气变换、热裂解(热解)和/或水热解的反应区。纯氧或不纯氧的输送可以与蒸汽和/或包括溶剂的其他流体共注入，或者单独注入。蒸汽的共注入具有另外的益处，即蒸汽是可冷凝的流体和有用的传热流体。在该工艺的这一部分期间，不需要流体，但可能会生产至地面。在储层达到目标温度之后，可以停止或减少氧气注入并允许储层浸泡，在此期间，储层中剩余的氧气可能被消耗并且发生气化反应和水煤气变换反应。该阶段可以包括继续注入其他流体，如蒸汽/水和/或溶剂。在这些反应期间，氢气和碳氧化物在储层内产生。当打开用于生产时，生产井将氢气、碳氧化物、水(作为合成气的一部分)、碳氢化合物气体和氢硫化物的混合物生产至地面。可替代地，如果使用井下氢气膜或过滤器，如钯合金膜或碳基过滤器，则可以将氢气以高纯度生产至地面。在合成气和/或氢气生产速率下降到阈值之后，那么可以再次开始或增加氧气注入并且该过程可以重复多次类似的或可变的持续时间，直至总合成气生产速率下降到阈值。因此，由于先前应用于储层的基于蒸汽的开采技术，该工艺从位于储层内的碳氢化合物和水产生合成气或富含氢气的气体。水或蒸汽或可燃的燃料或废产物(如有机材料或污水或其他流体或颗粒或催化剂或溶解的离子)可以与氧气一起注入储层，或与氧气分开注入储层。

在一些示例性实施例中，将氧化剂注入一个或多个井中，并且可以从另一个或多个井中实现合成气的生产。在另一个实施例中，可以将氧化剂注入井中，并然后在注入一段时间后，停止注入，并然后将井投入生产以生产合成气和/或其他储层流体，包括但不限于油或氢气。在单个油田内，不同的井可以交替地、同时地或静态地注入或生产。

在后SAGD储层中，如在所示实施例中，可以使用单个井对的注入井和生产井，其中一个或两个井用于氧化剂注入，并且一个或两个井用于合成气和其他流体生产，并且注入和生产可以同时进行或以循环方式进行，这可以包括可以用作系统的一部分或独立使用的任何不成对的加密井。在循环工艺中，在合成气生产已经下降至非经济性速率之后，可以通过重新开始或增加氧化剂注入来重新开始或增加该工艺。各种类型的加密井可以不同地生产或注入各种流体或化学品，作为一个系统与其他附近的井协同或不协同。然后由此可见，来自热采设备的现有井可用于注入氧化剂(有或没有蒸汽或其他添加剂)并生产合成气或其组成组分(例如像氢气)。可替代地，操作者可以使用现有的热采设备，但是钻另外的井用于注入和/或生产，例如像在储层下部区域的水中或已经形成的蒸汽室中钻新井。现有的蒸汽注入井可用于混合的氧气/蒸汽注入物，其中这些井具有足以达到希望的氧气水平的规格，这可由技术人员确定，并且在采用多个注入井的情况下，氧气可仅注入一些注入井中，或者以循环方式和/或分级方式注入。该方法不限于水平井，如在SAGD操作中使用的水平井，还可以用任何井构造来完成，包括但不限于跨越各种距离和时间尺度的组合的竖直井和斜井以及多分支井。注入或生产可以发生在储层的较高区域附近或储层的较低区域附近，包括在一些适当的情况下略高于和低于储层。同一井筒内的双完井可以允许井的区域在注入的同时或不同时间进行生产。可以使用流量控制装置，使得注入或生产可以可变地集中到沿水平井筒长度的不同位置，使得例如氧化剂和蒸汽朝着井对中的一个井的底部注入，而生产朝着相应的成对井的跟部发生。

该方法可以通过向储层注入蒸汽进行。蒸汽可以与氧化剂以任何比例同时注入或并行注入或以循环方式注入。此外，技术人员已知的化学品也可以与氧化剂(有或没有蒸汽)共注入，这加速了储层内碳酸盐的沉淀，从而允许一些碳以固体形式而不是气体形式储存在储层中。普通碳酸盐包括CaCO₃和CaMg(CO₃)₂。如本领域技术人员可以选择的，注入物可以包括锅炉冷凝水、氢氧化钙、原污水、海水和废水流中的一种或多种。这种碳酸盐或其他碳固体形成的加速可以在类似的项目中进行，其目标是加速碳氧化物沉淀为固体储存形式，这可能有助于改善体积和压力限制，并减少碳通过地质系统的流动性，碳可能最终从地质系统泄漏到地面。实施例可以包括碳封存项目，也称为碳捕获和储存项目，其响应于温室气体和空气污染问题而变得流行。在这些情况下，碳氧化物可以从富含碳氧化物的来源捕获，如来自以煤或天然气为燃料的电力或蒸汽或热力或发电机的废气排放，或者来自直接空气捕获和喷射方法。

由根据本发明的方法生产的合成气或富含氢气的气体可用于通过其作为燃料燃烧来发电，以产生用于转动涡轮机的蒸汽，涡轮机进而发电。另一个实施例包括使用生产的合成气或富含氢气的气体以用于在燃料电池中发电。合成气或富含氢气的气体还可以用作化学原料，用于升级或精炼燃料，或生产其他产品，包括但不限于甲醇或氨。合成气或富含氢气的气体还可以进料到蒸汽甲烷重整工艺中，有或没有预处理或来自其他碳氢化合物燃料供应的增加，所述碳氢化合物燃料包括但不限于甲烷、油、煤或天然气，其中任何过剩的氢气可以在有或没有全部或部分实施碳捕获和/或螯合或储存技术的情况下提取。

在本发明的一些实施例中，与氧气产生相关的设备可以提供另外的效用。例如，空气分离单元(ASU)通常用于从空气供应中提取氧气，而氮气是分离工艺的一种副产品。根据本发明的实施例生产的合成气包括氢气，其可以通过已知的膜技术从合成气中提取。然后可以利用工艺中的废热将氮气与氢气结合来生产氨。另一个实例是在这些地点附近电解生产氧化剂和氢气，这利用了通常排出的氧气输出的经济优势，并且由电解产生的另外的氢气也可以在现场消耗，例如在生产电或蒸汽或燃料电池车辆的燃料中，或者通过管道或船只由公路、铁路、驳船/轮船或飞机如飞船、地效飞行器、气垫船和其他飞机运走。

在另一个实施例中，热产生的合成气或氢气和/或碳氢化合物和/或氧化二氢可以通过热交换系统以回收热量。这种回收的热量可以在ASU的下游用于在注入之前加热分离的氧气流，从而增强储层内的合成气形成反应。通过减少氢气流的热量，这可以帮助液化氢气以进行运输。这种回收的热量也可用于发电或其他级联加热系统，如啤酒酿造、酒精蒸馏、温室、德国式温泉浴、芬兰式桑拿、食品加工或其他用途。

本方法使用后蒸汽化储层，或储层内可能仍在其他地方进行蒸汽注入的后蒸汽化体积，并将氧化剂注入储层，当氧化剂氧化储层中的石油(和天然气)时，通过连续或间歇地将氧气注入储层以引起原位燃烧反应发生，将储层加热至400℃与700℃之间的优选温度，从而将储层加热至储层内的石油与水之间发生气化和水煤气变换反应的温度。在储层的间隙尺度或区域内可以瞬时达到或超过此温度范围，并且不需要使整个平均储层温度都在此范围内。

当储层被加热并处于高温时，发生气化和水煤气变换以及水热裂解反应，伴随着随后生产氢气、硫化氢、一氧化碳、二氧化碳和蒸汽(水蒸气)。当反应在储层中发生时，气体组分收集在储层空间内但由于储层中的浮力效应而趋于上升，其中流通的油收集在维持其中反应的注入井周围并且气体朝向生产井上方向上上升并收集在储层中。通过生产井从储层生产合成气和其他流体。在另一个实施例中，注入井也可以在储层的上部，并且间歇地或连续地注入，可能与生产井的间歇或连续生产相一致。

当氧气被注入到储层中时，在储层内创建反应区。反应区的特征在于具有高于原始储层温度的温度的区。在反应区，温度可以升高到450℃以上，并且在反应前缘，温度可以达到900℃。在温度超过400℃的情况下，在热区内发生气化反应，产生氢气，所述氢气只能由上部生产井生产到地面。在注入井周围的热区内，经加热的油排出并且在注入井周围积聚，从而为注入井周围发生的反应提供更多的燃料。在另一个实施例中，天然气和石油的生产井可以是同一个井，例如，如果将大容量多相泵(如喷射泵或文丘里泵)放置在储层中的较低位置，或者将其他类型的泵(包括但不限于螺杆泵或电潜泵)浸没以将液体和固体从与气体生产管或井套管分离的生产管柱中抽出，则合成气或富含氢气的气体的入口在储层中可能较低。该实施例可以包括或可以不包括在多于一个储层高度处的穿孔或流入/流出区域或入口/出口滤网。

该方法的关键是在储层内进行原位气化反应，在储层中，生产井将合成气或富含氢气的气体生产至地面。

由本文教导的方法产生的合成气可用于发电、加热、燃烧以产生可用于发电的蒸汽，或用于其他原位采油工艺的蒸汽，或作为生产其他化学品(包括燃料、塑料、甲醇、尿素、氢气、硫等)的原料。从合成气中分离出的氢气可用于为蒸汽生产、储罐加热、热辅助乳液脱水、稀释剂回收、杀生物剂、泄漏现场补救和设施中的其他活动提供动力。

如图3侧视图26和截面图28中所示的示例性合成气生产系统10所示，氧化剂14通过氧化剂注入井12(其以前可能是常规SAGD系统的生产井)流入储层16的反应区18(以前是SAGD蒸汽室)并反应，使得部分可氧化流体和/或固体燃烧，从而导致在储层16内发生热裂解(热解)、水热解、气化和/或水煤气变换反应，从而形成合成气20。在该步骤中，两个井22、12中的任一个(上井或下井)可以用作注入井12。如图4所示，在已经注入足够的氧化剂14或者储层16的压力已经达到最大阈值(由储层16的压裂压力或者通过调节或偏好设定)之后，注入停止，并且打开气体生产井22(其以前可能是常规SAGD系统的注入井)，并且将合成气20和其他储层流体作为所生产的气体24生产至地面。在该步骤中，两个井22、12中的任一个(上井或下井)可以用作生产井22。

图3和图4所示的方法可以以循环的方式重复——在图4中的生产阶段不再生产所生产的气体24之后，可以恢复氧化剂14的注入，并且该过程可以重复多次。

在另一个替代的合成气生产系统30中，如图5的侧视图48和截面图50所示，在基于蒸汽的开采工艺停止之后，将氧化剂34通过氧化剂注入井32(以前可能是常规SAGD系统的生产井)注入储层36的反应区38(以前是SAGD蒸汽室)，并且在氧化剂34注入的同时，所生产的气体46与其他储层流体一起通过气体生产井42(以前可能是常规SAGD系统的注入井)从储层36中生产。

前述内容被认为仅是对本发明原理的说明。权利要求的范围不应当被前述所阐述的示例性实施例限制，而应当作为一个整体被给予与说明书一致的最广泛的解释。

Claims (12)

1.一种在碳氢化合物开采终止后再利用热碳氢化合物开采系统以从储层的后蒸汽化的部分生产合成气的方法，该热碳氢化合物开采系统包括至少一个从地面到该储层的井，该方法包括以下步骤：

a.使用该至少一个井操作该热碳氢化合物开采系统，以流通碳氢化合物并通过蒸汽注入和流通的碳氢化合物生产从该储层中提取碳氢化合物，导致与该至少一个井相邻的该储层的该后蒸汽化的部分包含可氧化材料；

b.终止该蒸汽注入和流通碳氢化合物生产；

c.通过该至少一个井将氧化剂注入该储层的该后蒸汽化的部分，以引起这些可氧化材料的燃烧；

d.允许这些可氧化材料的燃烧以引起热裂解、水热解、气化和水煤气变换反应中的至少一种在该储层的该后蒸汽化的部分内发生，从而形成合成气；以及

e.通过该至少一个井将该合成气的至少一种组成组分生产至地面。

2.如权利要求1所述的方法，其中，将蒸汽、溶剂、碳酸盐、锅炉冷凝水、氢氧化钙、原污水、海水和废水中的至少一种与该氧化剂共注入。

3.如权利要求1所述的方法，其中，该氧化剂选自空气和氧气。

4.如权利要求1所述的方法，其中，在步骤c.之后，关闭该至少一个井，以允许该燃烧从而引起步骤d.的热裂解、水热解、气化和水煤气变换反应中的至少一种。

5.如权利要求1所述的方法，其中，该合成气包含氢气和碳氧化物。

6.如权利要求5所述的方法，其中，该至少一种组成组分是氢气，该方法进一步包括步骤d.之后的步骤，即使用膜以允许仅将氢气生产至地面。

7.如权利要求1所述的方法，其中，当通过该至少一个井生产至地面的该合成气的至少一种组成组分下降到低于选定的阈值体积时，重复步骤c.至e.。

8.如权利要求1所述的方法，其中，该热碳氢化合物开采系统是蒸汽辅助重力泄油系统，并且该至少一个井是注入井和生产井，并且该注入井和该生产井中的一个或两个用于注入该氧化剂和将该合成气的至少一种组成组分生产至地面的步骤。

9.如权利要求8所述的方法，其中，该蒸汽辅助重力泄油系统包括至少一个加密井，并且该至少一个井包括该至少一个加密井。

10.如权利要求1所述的方法，其中，该至少一个井是水平井、竖直井、斜井和多分支井中的至少一种。

11.如权利要求1所述的方法，其中，该至少一个井是双完井，其中注入该氧化剂和将该合成气的至少一种组成组分生产至地面的这些步骤发生在该双完井的不同部分。

12.如权利要求1所述的方法，其中，该至少一个井包括流量控制装置，以控制该氧化剂的注入和该合成气的至少一种组成组分的生产沿着该至少一个井发生的位置。