CN117642482A - 在重力泄油co2气体注入中原位产生泡沫以加快和提高油生产速率 - Google Patents

在重力泄油co2气体注入中原位产生泡沫以加快和提高油生产速率 Download PDF

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穆罕默德·马吉德·阿尔马吉德
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Abstract

一种用于从含烃地层(1008)中开采烃类的方法包括将具有第一盐的第一溶液引入到含烃地层中。还将第二溶液引入到含烃地层中，其中第二溶液具有第二盐和发泡剂。第一盐和第二盐产生氮气，并且氮气和发泡剂产生在地层内原位形成的泡沫(210)。泡沫形成泡沫屏障(212)，并将二氧化碳引入到地层中以形成气顶(222)，其中二氧化碳气顶具有通过泡沫屏障(212)与烃类分离的气体前沿。

Description

在重力泄油CO2气体注入中原位产生泡沫以加快和提高油生产 速率
背景技术
重力泄油二氧化碳(CO2)气体注入用于储层中的三次采油。重力泄油CO2气体注入是一种自上而下定向的使残余油流动的工艺。可以使用竖直或水平生产井筒在储层中的产油层的顶部处引入CO2气体，以形成向上倾斜的气顶。气顶随着时间的推移而膨胀，以提高波及(sweep)并使残余油流动。流动的油向下倾移动，并且通过膜流(film flow)和重力泄油向下排放到水平开采井筒。
注入的CO2气体提供了与残余油的有利的相互作用，诸如油膨胀、粘度降低和降低气-油界面张力(IFT)。在临界或超临界条件下，CO2具有混溶性，导致与原油的气-油界面张力接近于零。相对微小的界面张力有效地使储层的处理部分中残余的、重质的和高极性的原油部分流动。流动后，原油在储层中向下流向开采井筒。这种原油排放是通过膜流和重力泄油两者的组合而发生的，膜流是由与一些CO2的相互作用和一些CO2的吸收所引起的。
期望控制前进的注入气体和采出油相之间的界面，以稳定重力和气-油界面的向下移动，同时控制采出提取速率。
发明内容
提供该发明内容以介绍选择的概念，这些概念将在以下具体实施方式中进一步描述。该发明内容并不旨在确认所要求保护的主题的关键特征或基本特征，也不旨在作为限制所要求保护的主题的范围的辅助。
在一方面，本文公开的实施例涉及一种用于从含烃地层中开采烃类的方法。该方法可以包括将具有第一盐的第一溶液引入到含烃地层中。该方法还可以包括将第二溶液引入到含烃地层中，其中第二溶液可以包括第二盐和发泡剂。第一盐和第二盐可以产生氮气，并且氮气和发泡剂可以产生在地层内原位形成的泡沫。泡沫可以在一部分含烃地层周围形成泡沫屏障。可以将二氧化碳引入到地层中以形成气顶，其中二氧化碳气顶具有通过泡沫屏障与烃类分离的气体前沿。
在另一方面，本文公开的实施例涉及一种用于从含烃地层中开采烃类的方法。该方法可以包括将发泡剂、第一盐和第二盐引入到含烃地层中。该方法还可以包括使第一盐、第二盐和发泡剂在含烃地层中接触，其中第一盐和第二盐产生氮气，并且使得氮气和发泡剂紧密混合并在含烃地层中形成泡沫屏障。该方法还可以包括将二氧化碳引入到含烃地层中，使得在泡沫屏障上方形成二氧化碳气顶，其中二氧化碳以大于临界气体注入速率的流速引入。
在又一方面，本文公开的实施例涉及一种用于从含烃地层中开采烃类的系统。该系统可以包括至少一个注入井。该注入井可以包括被配置为容纳第一盐溶液的第一管道和被配置为容纳第二盐溶液的第二管道，其中第一管道的出口和第二管道的出口靠近含烃地层中的目标区域。第一盐溶液可以包括第一盐和水，第二盐溶液可以包括第二盐、发泡剂和水，其中第一盐和第二盐可以被配置为在含烃地层的目标区域中自发反应。
要求保护的主题的其他方面和优点从以下的描述和所附的权利要求书中是清楚的。
附图说明
图1是气体的发泡指数和气体溶解度的图。
图2是发泡体系的表观粘度和剪切速率的图。
图3是图示了根据一个或多个实施例的具有处理系统的井环境的示意图。
图4是图示了根据一个或多个实施例的在初始处理期间的井环境的示意图。
图5是图示了根据一个或多个实施例的在泡沫预处理期间的井环境的示意图。
图6是图示了根据一个或多个实施例的在泡沫预处理期间的单个注入井环境的示意图。
图7是图示了根据一个或多个实施例的在CO2处理期间的井环境的示意图。
图8是图示了根据一个或多个实施例的井环境处理的方法的流程图。
具体实施方式
本文公开的实施例可以与气体辅助重力泄油强化采油(GAGD-EOR)方法一起使用，其中CO2注入和重力泄油的组合可以用于辅助油生产。在GAGD-EOR方法中，由于重力偏析，注入的CO2可能会积聚在储层产油层的顶部，这可能会将油驱替并且排放到较低的水平生产(开采)井筒。“临界气体注入速率”是GAGD-EOR工艺的重要操作参数，是指二氧化碳注入到储层的速率，注入的气体以该速率移动穿过油区域，导致过早突破CO2/油界面。在给定的气体注入速率下，相对较高的油生产速率也可能导致早期气体突破。因此，精确控制相对于油生产速率的气体注入速率可能有助于GAGD-EOR方法的成功。根据本文公开的实施例，气体驱动的EOR技术可以有效地改变重力主导的流动状态，从而控制注入气体的速率以生产油。通过经由控制气体速率来改善对波及系数的控制，控制气体注入速率可能有助于减轻过早突破、粘性指进以及锥进。给定项目的临界注入速率可以通过岩心驱替实验和储层模拟器来确定。
在GAGD-EOR处理期间，CO2/油界面可以朝着开采井筒向下移动。开采井筒可以具有穿孔，并且可以位于储层的底部附近。期望的是，在原油和处理二氧化碳之间保持稳定的界面，以防止二氧化碳穿过原油的过早突破，也被称为短路(short-circuiting)。
短路可能是EOR技术中所称的“指进”或“粘性指进”的结果，当气体注入速率处于临界气体注入速率或高于临界气体注入速率时，短路可能在储层中开始发生。指进可能是由(原)油和注入的流体(诸如二氧化碳)的粘度差异造成的。
由于诸如原油和二氧化碳之间的粘度差异等因素，二氧化碳能够将原油“推到”一边，并且在流体流量或压力过大的地层中产生二氧化碳的“手指(finger)”。这些手指可能会从引入点伸向开采点，绕过未被处理的地层的其他区域。这可能会导致二氧化碳在开采井筒处过早突破，造成注入流体浪费。在突破的情况下，如果情况没有得到缓解，则可能需要更大的二氧化碳注入流体流速来维持储层中的压力并为井筒的未处理部分提供处理的可能性，因为注入流体(CO2)将经由粘性指进产生的流动路径流过先前经处理的地层部分。
由于储层的非均质性，包括渗透性对比，短路也可能是气窜的结果。例如，当注入的CO2气体由于非均质地层中存在的高渗透性裂缝而分布不均匀时，可能会产生窜流(channeling)。与粘性指进类似，气窜也可能会导致CO2在开采井筒处过早突破，造成注入流体浪费。
注入的气体的流动性比是指有效(相对)渗透性与相粘度之比，可以用于预测短路的发生。流动性比可以由气体前沿后面的驱替流体的流动性λD除以被驱替流体的流动性λd来计算。在驱替工艺中，流动性比大于1被认为是不利的，而流动性比小于1被认为是有利的。如果流动性比大于1，则在注入工艺期间可能会发生窜流和指进。例如，在CO2气体注入工艺中，CO2的粘性比储层流体(原油)的粘性小得多，并且由于储层的非均质性以及粘度的差异，粘性指进和窜流在CO2驱油工艺中可能是常见的。
为防止短路，可以将CO2注入速率保持在低于临界气体注入速率，使得油生产速率通过等量的CO2注入体积来平衡。通过用速率小于临界气体注入速率的CO2注入体积平衡原油生产体积，CO2/原油界面可以保持稳定，因为相同量的CO2驱替相同量的生产的原油。这样做时，CO2/原油界面可能会向下推进，并且由于暴露于CO2、重力和CO2/原油界面处由CO2施加的一定量的力而产生的流动的合力，驱替了产出的原油。尽管CO2的引入速率小于临界气体注入速率，但是平衡的生产可能会导致防止处理流体绕过CO2/原油界面，并且可能会稳定地层的处理。
地层的非均质性可能会影响CO2注入速率。储层的非均质性可能表现为几种方式，包括不连续地层组成的条痕，诸如侵入体、断层和裂缝。在原本均质的地层中，在孔隙结构的孔隙度和渗透性方面的广泛变化也可能使储层表现得好像它在结构上是非均质的。当遇到这种不连续和高渗透性的区域时，保持CO2注入和原油生产之间的稳定的关系以保持平稳的CO2/原油界面和储层处理是具有挑战性的。
处理地层的有用方法可以包括将二氧化碳注入速率提高至临界注入气体速率和超过临界注入气体速率，在这种情况下，可以防止通过粘性指进或气窜而造成的短路，并且处理流体和原油的粘度不会影响采收率。此外，处理方法还应该能够在CO2/原油界面向下倾移动时保持CO2/原油界面的稳定增长和移动。处理地层的有用方法还可以减轻被处理的储层的非均质性，以防止处理流体的任何结构性旁路，无论二氧化碳注入速率如何。在这样的处理中，原油生产速率和处理的波及系数两者均会增加，导致更大和更快的原油生产。
在一方面，本文公开的实施例涉及用于从含烃地层中开采烃类的重力泄油CO2注入EOR技术的处理。
本公开的实施例可以包括对重力泄油CO2气体注入的处理，其中在发泡剂(表面活性剂)的存在下，两种盐之间的自发原位反应产生泡沫。泡沫可以在高渗透性区域形成堵塞，其中可以阻止随后注入的二氧化碳气体流动，从而减轻短路的可能性。
本公开的实施例可以包括在地层的目标区域内，在发泡剂的存在下，使包含第一盐的第一水溶液与包含第二盐的第二水溶液接触。目标区域或目标深度是地层内第一盐和第二盐接触的区域。在发泡剂的存在下在第一盐和第二盐之间产生的自发反应可以原位产生氮基泡沫屏障。泡沫可以在地层的高渗透性区域中产生和/或传播到该区域。
在本公开的实施例中，在储层中引入具有第一盐的第一溶液、具有第二盐的第二溶液和发泡剂可以原位形成泡沫屏障。原位泡沫形成可以发生在储层的上部附近、高渗透性区域附近或高渗透性区域处。泡沫可以传播(流动)至高渗透性条痕，并可能堵塞这些区域。因为泡沫可能比注入的CO2更粘，所以可以阻止注入的CO2流过被堵塞的高渗透性条痕。在一些实施例中，泡沫流向的流动路径可能随时间偶尔变化。当泡沫流入阻力最小的路径时，促使流动所需的压力梯度会在阻力最小的路径中增加，直到流动停止。此时，泡沫可能会将随后的CO2-泡沫或CO2转移到其他路径中。在一些实施例中，泡沫可能会暂时沉降，但是当压力梯度超过在给定路径中促使流动所需的压力时，泡沫可以恢复流动。以这种方式，可以预见泡沫可以形成屏障，其中该屏障至少部分地将二氧化碳与原油物理隔开，从而减慢或防止二氧化碳气室(气顶)流过造成粘性指进和/或气窜的高风险的区域。
在本公开的实施例中，泡沫可以存在于高传导性的区域。流体(包括注入的流体)和根据本公开的实施例形成的泡沫可以在低阻力的路径(也被称为高渗透性路径或区域)中流动。地层中产生的泡沫可以流动并且堵塞这些高渗透性区域，并且允许随后注入的CO2流向渗透性较低的区域。形成的泡沫堵塞或屏障可以降低穿过地层的相对渗透性，并且因此增加后续CO2重力泄油工艺的临界气体注入速率。此外，气体前沿的膨胀可以更均匀，因为泡沫可以平衡不同路径上的阻力。以这种方式，泡沫屏障可以防止CO2/原油界面上方的二氧化碳突破，从而防止粘性指进和/或气窜。
本公开的实施例可以包括原位产生氮气泡沫，以在CO2气体和原油之间形成至少部分泡沫屏障。由产生的氮气产生的泡沫可以是弹性泡沫，特别是在强度和在水相中的溶解度方面。
随着气体在水相中的溶解度的增加，泡沫倾向于变弱。如图1所示，某些气体的发泡指数随着气体溶解度的增加而降低。例如，与由于在水相中的高溶解度而显示出低发泡指数的二氧化碳数据相比，图1中的氮气数据由于氮气的低溶解度而显示出高发泡指数。根据图1中的数据，主要包含氮气的烟气也显示出较高的发泡指数。具有较低发泡指数的气体可能需要较高的气体量才能产生与具有较高发泡指数的气体所产生的相同体积的泡沫，因此具有较低发泡指数的气体可能具有较差的发泡行为。此外，在水相中具有高溶解度的气体所产生的泡沫可能由于较高的液体排出速率而不太稳定。因此，如在本公开的实施例中，由于增加的发泡效率和更高的发泡指数，用氮气形成的泡沫可以更稳定。根据本公开的实施例的氮气泡沫的强度和低溶解度可以提供有效的堵塞或屏障，以防止CO2注入气体流过高渗透性区域，从而减少重力泄油CO2气体注入工艺中所需的二氧化碳量。
发泡指数可能受许多参数影响，包括气体组成和饱和度、毛细管压力、表面活性剂类型、盐水盐度、表面活性剂浓度、原油的存在、表面活性剂在岩石矿物上的吸附、气体类型、温度、压力和溶解度。这些参数可能影响发泡性(产生泡沫的能力)和稳定性(产生的泡沫持续多长时间)。例如，一个关键参数是气体在水相中的溶解度。随着气体在水相中的溶解度的增加，泡沫往往变得更弱。与其他气体相比，CO2在水相中具有最高的溶解度，这会显著影响发泡指数。泡沫质量可以写为：Qg/(Qg+Qw)，其中Qg是气体流速，Qw是稀释的表面活性剂溶液的速率，并反映了气体量与泡沫中使用的液体和气体的总量的比率。在本公开的实施例中，泡沫质量可以通过每种盐的添加量来控制，因为这可以影响产生的氮气的量。
根据本公开的实施例，泡沫屏障可以包括通过使两种反应物接触而原位产生的氮气。原位产生的氮气泡沫，一旦形成并集体地和可能暂时地沉降在CO2/原油界面处，可能就具有一定的流动性以移动穿过地层，但是流动性不是太大以至于被试图绕过的二氧化碳推到一边，尤其是穿过高渗透性区域。在这种配置中，泡沫屏障可以为注入的二氧化碳提供分层的物理屏障。泡沫屏障可能会受二氧化碳“推动”，以便二氧化碳继续沿着地层向下推进。这种向下的力又可以进一步驱替原油，并通过开采井筒在储层的底部处提供其生产。
在本公开的一些实施例中，泡沫屏障可以是连续的屏障。在一些实施例中，泡沫屏障可以不是连续的。泡沫屏障的连续性可能取决于原位产生的泡沫量，以及堵塞高渗透性区域所需的泡沫量和体积。
本公开的实施例可以包括各种相的二氧化碳，包括气体相、液体相、临界相和超临界相。
本公开的实施例可以包括利用氮气生成反应，其中两种盐在目标区域内接触时自发反应。所产生的氮气可以形成包含氮气和发泡剂的弹性泡沫。根据本公开的实施例，由反应物产生的氮气泡沫可以在CO2/原油界面之间形成至少部分层，并且减轻高渗透性区域。由于二氧化碳短路的风险较低，因此二氧化碳然后可以以大于临界气体注入速率的流体流速引入。在本公开的一些实施例中，这种大于临界的气体注入速率然后可以以比没有泡沫屏障时的更大速率将泡沫屏障向下推向开采井筒，从而迫使储层的底部中的原油以比没有泡沫屏障时的可能流速更大的流速进入开采井筒。
在本公开的一些实施例中，二氧化碳气顶的压力也可以增加，从而在泡沫屏障上方形成CO2气顶，在一些实施例中，在泡沫屏障上方形成超临界CO2气顶，在这种情况下，泡沫可以阻挡高渗透性条痕，并且允许二氧化碳从未波及的区域生产油。二氧化碳气顶的增加的压力可能有助于将泡沫屏障“固定”在高流体传导性通道中和CO2/原油界面处。随着二氧化碳气顶向下膨胀，先前经处理的储层部分中剩余的任何残余原油可能暴露于较高压力的CO2，并可能被驱动而流动。当气顶中的二氧化碳向下波及开采井时，高极性有机物(诸如芳烃、萘和沥青质)可以通过与气顶中的二氧化碳接触而流动。新被驱动的烃类可能被前进的CO2/原油/泡沫屏障前沿向下带到生产井。
本公开的实施例可以包括在发泡剂的存在下使两种反应物原位接触，以产生包含氮气的泡沫屏障。两种反应物的注入可以同时进行。通过将反应物同时注入目标区域，第一溶液和第二溶液可以在井筒附近混合并且产生泡沫。第一溶液和第二溶液可以是水溶液。在本公开的实施例中，第一盐可以包括NH4Cl，第二盐可以包括NaNO2。在本公开的实施例中，发泡剂(也被称为表面活性剂)可以存在于目标区域中。在本公开的一些实施例中，第一溶液或第二溶液或两者均可以包含发泡剂。
在本公开的实施例中，溶液可以在井上(uphole)制备，也可以现场制备。在本公开的一些实施例中，第一溶液可以通过将至少第一盐与水共混或混合来制备。在本公开的一些实施例中，第二溶液可以通过共混或混合至少第二盐、水和发泡剂来制备。根据本公开的实施例，溶液可以以分批工艺制备。根据现场条件和参数，本公开的实施例可能需要1至5个分批工艺。
根据本公开的实施例，溶液的水源可以包括去离子水、高盐度海水、低盐度盐水、经处理的采出水和各种注入盐水。
在本公开的实施例中，第一溶液和第二溶液中存在的盐的摩尔浓度可能会影响目标区域中盐之间的反应速率。例如，NaNO2的摩尔浓度可以至多为NH4Cl的摩尔浓度的两倍，以加速反应。每种溶液中的盐的摩尔浓度可以相同，但是，这可能会导致反应变慢。
在本公开的一个或多个实施例中，可以将包含第一盐的第一溶液注入到储层地层中。可以将包含第二盐的第二溶液注入到储层地层中，其中第二盐可以在储层地层的目标区域中接触第一盐。可以将溶液注入目标区域，其中直到溶液到达目标区域，溶液才彼此接触。例如，第一溶液可以通过卷曲管道注入，而第二溶液可以通过与卷曲管道物理分离的第二管道注入，其中卷曲管道的出口和第二管道的出口在目标区域中彼此接近地定位。第二管道可以包括生产管道或附加的卷曲管道。
在本公开的一些实施例中，卷曲管道的出口可以位于目标区域，其中卷曲管道可以被配置为向上移动至或穿过储层，特别是高渗透性区域。由于第一盐溶液可以通过卷曲管道注入，其中第一盐溶液可以在目标区域中接触第二盐溶液，可以调整卷曲管道的位置，使得在基于两种盐的动力学反应调整浓度之后，当卷曲管道移动通过目标区域时，第一盐溶液和第二盐溶液的体积比保持为1:1。
根据本公开的实施例的盐之间的反应可以通过活化剂来催化，诸如反应位置的热和/或pH水平。例如，在储层温度，特别是目标区域的储层温度为约60℃或更高的实施例中，NH4Cl盐溶液可以自发地与NaNO2盐溶液反应，如反应(1)所示：
NaNO2+NH4Cl→NaCl+H2O+N2↑ 反应(1)
(ΔHRx＝-79.95kcal mol-1，在25℃下的不可逆Keq＝3.9×1071Pa×mole m-3)
在反应(1)中，ΔHRx是反应热的变化，Keq是不可逆反应的平衡常数。如反应(1)所示，盐之间的反应产生氮气。在本公开的实施例中，氮气产物可以在发泡剂的存在下产生氮气泡沫。氮气泡沫可以原位产生，因此减少了对外部气体注入的需求以在目标区域中产生原位泡沫。
在本公开的一些实施例中，目标区域可能不处于催化盐之间的自发反应所需的高温。在这些实施例中，可以通过将至少一种盐溶液的pH值降低至约3.0至5.0来触发反应。例如，可以在NH4Cl溶液中加入乙酸以将pH降低至约3.0至5.0，以催化与NaNO2盐溶液的自发反应。在一些实施例中，可以通过向目标区域添加酸来降低目标区域的pH以触发反应。例如，可以将乙酸注入目标区域以降低pH。
尽管NH4Cl和NaNO2被提供为根据本公开的实施例的盐的示例，但可以使用其他盐，包括各种铵盐与亚硝酸盐。含氮盐化合物的示例包括乙酸铵、甲酸铵、乙二胺、甲酰胺、乙酰胺、尿素、苄基脲、丁基脲和低级脂肪酸的低级醇酯，诸如肼和盐酸苯肼。合适的铵盐的示例包括甲酸铵或硝酸铵。
发泡剂可以与第一溶液、第二溶液一起注入目标区域，或在发泡剂注入工艺中注入目标区域，其中发泡剂在两种盐反应物之间接触时存在于目标区域中。
图2示出了使用氮气注入方法和表面活性剂溶液产生的泡沫以及根据本公开的实施例的反应的由两种盐之间的自发反应产生的氮气所产生的泡沫的粘度测量。使用氮气注入方法和氮气原位生成方法生产的泡沫的粘度呈现非常相似的结果。因此，原位产生的泡沫可以提供与注入氮气的泡沫相同的优点，而不需要将氮气注入到储层中。
本公开的实施例可以包括发泡剂。发泡剂可以与第一溶液、第二溶液或两者混合。发泡剂可以是非离子表面活性剂、阴离子表面活性剂、阳离子表面活性剂、两性表面活性剂及其组合。表面活性剂的示例包括α-烯烃磺酸盐、内烯烃磺酸盐、醇乙氧基化物、烷基胺和椰油酰胺丙基羟基磺基甜菜碱(cocaamidopropyl hydroxysultaine，也称为椰子酰氨基丙基羟基磺内盐)。
除了前述泡沫中存在的气体外，各种参数和现场条件(包括储层温度、盐水盐度、饱和度、原油的存在、储层岩石成分和物理性质以及岩石-流体相互作用)可能会影响泡沫的产生和稳定。在发泡剂存在于第一盐溶液和/或第二盐溶液中的实施例中，给定盐溶液中的发泡剂的组成和浓度可以取决于这些各种参数和现场条件。在本公开的一些实施例中，给定盐溶液中的发泡剂浓度可以在0.10重量％至5重量％(重量百分比)之间。
根据本公开的实施例，使用在水和原油中具有低溶解度的泡沫屏障，以及增加的CO2流速和压力的结果，可以增加含烃地层的原油总产量，而且通过暴露于CO2(诸如超临界CO2)还可以增加石油的原地采收率。
图3是图示了根据一个或多个实施例的具有处理系统的井环境的示意图。井环境1000包括表示地球表面的表面1002。表面1002可以位于水上、水下或冰下。表面1002下方是地表下层1004，地表下层1004通常包括沿递减深度的三个区域：上覆岩层(overburden，也称为覆盖层)1006、储层或含烃地层或储层1008和下伏岩层(或基底)1010。地表下层的各个部分(上覆岩层、储层和下伏岩层)可以包括一层或多层地层材料。在上覆岩层和储层之间以及在储层和下伏岩层之间中的每一个之间分别存在界面1007、1009。如果上覆岩层1006和下伏岩层1010包括一层以上的地层材料，则出于本申请的目的，邻近储层1008的地层材料被认为是不可渗透的。“不可渗透”是指地层不具有渗透性或其他缺陷(裂缝、断层)，这些缺陷允许烃类从储层移动穿过相邻层中的任一层。
储层1008有几个值得注意的方面。储层1008不具有完美的连续性；储层1008不是均质性的。储层1008被示为具有几个高渗透性区域1012。“高渗透性”是指如果烃类被驱动，他们可以更容易地并且以比地层的剩余部分更大的流速流过储层的这些部分。高渗透性区域的具体示例是地层中的裂缝或断层1014。高渗透性区域1012可以具有基于可以将烃类引向开采井130的单个区域或流体连通或连接的一系列区域的排放方向1018(箭头)。对于容易流动或流动性高的烃类，这种由于非均质性而导致的原油从储层的加速排出，在生产周期的早期被认为是有利的。然而，如前所述，在开采的后期阶段，地层的非均质性质可能在试图将重力泄油CO2气体注入处理均匀地应用于地层时带来了困难。
重力可以为向下方向1016上的烃排放提供自然力。如果提供了流动路径(诸如开采井130)以移除这些烃类，则高渗透性区域1012和烃排放的向下方向1016的组合可以一起工作，以从储层1008中移除被驱动的烃类。
图3中的井环境1000被示出为具有井注入系统100。井注入系统100包括第一注入井102。第一注入井102包括耦接到第一采油树105的溶液源104。根据本公开的实施例，溶液源104可以包括第一溶液和第二溶液。第一采油树105可以被配置为选择性地允许流体流入和流出由井筒壁108限定的第一注入井筒106。第一注入井筒106通过穿过整个上覆岩层1006并穿过上覆岩层-储层界面1007，将储层1008的上部与表面1002流体连接。第一注入井筒106通过位于储层1008的上部的井筒壁108的部分中的一系列穿孔110提供与表面1002的流体连接。
井注入系统100包括第二注入井120。第二注入井系统120包括耦接到第二采油树101的溶液源103。根据本公开的实施例，溶液源103可以包括第一溶液和第二溶液。为了清楚起见，第二注入井120没有示出或描述与第一注入井102所示的所有相同的特征；然而，可以假设第二注入井(和其他注入井)在构造和操作上可以是基本相同或相似的。
井注入系统100还包括开采井130。开采井130在图3中被示出为水平的。开采井130被示出为沿着向上定向的表面具有几个穿孔132。穿孔132允许开采井130接收通过自然力、人工过程或其组合从储层1008排出的烃类。开采井130位于储层1008的下部，稍微高于下伏岩层-储层界面1009。
图4是图示了根据一个或多个实施例的在任选的初始处理期间的井环境的示意图。井环境1000被示出为正在进行任选的初始处理。初始处理202(箭头)被引入储层1008的上部，靠近与上覆岩层1006的界面1007。作为处理的结果，储层的经处理的部分1020形成在贫含可移动的烃类的储层1008中。通过初始处理202已经流动的烃类已经在含烃储层1008中大致向下移动，将烃类推出储层1008底部附近的地层。被推出储层1008的那些烃类被排放1022(弯曲的箭头)到开采井130中。
在图4中可以观察到在任选的初始处理202期间的储层1008的两个其他方面。处理前沿204划定了初始处理流体和储层1008的未处理部分中的剩余原油之间的界面。除了在存在诸如裂缝或断层1014的高渗透性区域1012的地方，处理前沿204在注入井102、120的底部之间是相对平滑的曲线。在断层1014处，由于暴露于初始处理，处理前沿沿着断层1014的边在排放方向1018上向下扩展(204A)。另一个处理前沿围绕高渗透性区域1012向下扩展(204B)。否则均匀的处理前沿204中的这两个偏差表示初始处理202跟随高渗透性区域1012向下朝向开采井130的地方。如果任其发展，则初始处理202将继续向下，并最终突破至开采井130。这将导致部分储层被处理不足或未经处理。
图5是图示了根据一个或多个实施例的在预处理期间的井环境的示意图。在井环境1000中，将泡沫处理210引入储层1008的上部。根据本公开的实施例，泡沫处理210包括第一溶液、第二溶液和发泡剂。如图6中的第一注入井系统102所示，溶液源104可以被配置为在分开的容器中包含第一溶液和第二溶液。采油树105可以被配置为通过卷曲管道602注入第一溶液，第一溶液可以通过卷曲管道602经由CT出口610离开。套管604可以包括环605，该环605被配置为通过管道出口612注入第二溶液。管道出口612和CT出口610可以被配置为便于第一溶液和第二溶液在储层1008的经处理的部分1020内的接触。根据本公开的实施例，泡沫屏障在第一溶液和第二溶液接触时产生。
回到图5，储层1008的先前经处理的部分1020被示出为填充有泡沫屏障212，其中泡沫屏障212包含在发泡剂的存在下由第一溶液和第二溶液之间的反应产生的氮气。泡沫屏障212由泡沫处理210的组分在储层1008中的紧密混合形成。
泡沫屏障的一个方面是，当泡沫屏障形成时，该泡沫屏障流入先前经处理的具有高渗透性的储层部分，诸如分别与扩展的处理前沿204A和204B相关联的高渗透性区域1012的部分和裂缝或断层1014的部分，诸如在图5中示出的。泡沫屏障212可以被配置为阻止其他流体通过这些高渗透性区域1012和断层1014进入。可以减轻通过现在被堵塞的高渗透性区域1012’的排放(具有X的箭头)，其中很少或没有流体可以流过堵塞的区域2012’。
泡沫屏障212也可以由于重力而沉降，形成沿处理前沿204的屏障，包括扩展的处理前沿204A、204B。泡沫屏障212可以被配置为在先前已经被处理过的部分1020的储层部分和储层1008的剩余部分之间形成流体密封。如图5所示，泡沫屏障212衬于整个处理前沿204。可以稳定处理前沿204，并且可以减轻之前的旁路流动路线(高渗透性区域1012和断层1014)。
图7是图示了根据一个或多个实施例的在重力泄油CO2处理期间的井环境的示意图。储层的经处理的部分1020’被示出为体积增加。体积增加可能是由于从第一注入井系统102和第二注入井系统120引入CO2处理220。CO2处理220可以导致储层的经处理的部分1020’形成CO2超临界顶222。CO2处理组分和CO2超临界顶条件的细节将在后面描述。
随着CO2超临界顶继续大致向下朝向开采井130扩展，可以衬有泡沫屏障以形成泡沫屏障前沿224的处理前沿204’也可以向下扩展(箭头)。如图7中可以看出的，扩展的处理前沿204A’、204B’没有进一步向前扩展；相反，处理前沿204’已经开始向它们的深度前进。附加的高渗透性区域1012已经暴露于泡沫屏障212，但是已经被减轻(1012’)。泡沫屏障212可以防止被堵塞的高渗透性区域1012’引导CO2处理远离扩展超临界CO2超临界顶222并且绕过泡沫屏障前沿224。
随着CO2超临界顶222继续扩展，烃类可以继续排放1022到开采井130中。储层的经处理的部分1020’中先前未流动的烃类可以暴露于超临界二氧化碳。这样的烃类在超临界二氧化碳中可能会膨胀，粘度可能会降低，并且至少部分可能会溶剂化。经处理的烃类可以向开采井130排放。
图8是图示了根据一个或多个实施例的处理井环境的方法的流程图。井系统可以包括与待处理的储层流体连通的至少两个注入井。在一个或多个实施例中，可以存在注入井阵列，该注入井阵列可以包括以图案或不规则方式布置的具有表面耦接的多个注入井。给定的一对注入井可以彼此隔开一段距离，以为给定的储层提供最大的覆盖范围。例如，注入井可以相距250米至500米，并且相距高达1千米至超过2千米。储层的非均质性程度和气窜的风险可能会影响用于给定作业的注入井的数量。注入井的构造可以是竖直的、近似竖直的、偏斜的、近似水平的、水平的及其组合。
在一个或多个实施例中，注入井可以与储层流体连通。如图3所示，每个注入井102、120的穿孔110被示出为接近界面1007。在这样的实施例中，可以将任选的初始处理和泡沫处理引入到可能形成超临界CO2顶的储层的上部。穿孔的这种定位可以限制处理向上迁移的数量，使其到达储层的最上部—与上覆岩层的界面—并使每次处理更加有效。
井系统还可以包括与待处理的储层流体连通的开采井。根据项目、注入井之间的距离以及底部生产井的水平井段的长度，用于开采井的注入井的数量可能会有所不同。在一些实施例中，开采井可以包括2至4个注入井。在一个或多个实施例中，可以存在开采井阵列。每个开采井可以与每个注入井流体连通，使得流体可以通过储层从每个注入井连通到每个开采井。开采井的构造可以是水平的、近似水平的及其组合。
在一个或多个实施例中，开采井可以与储层流体连通。在图3中，开采井130的穿孔132被示出为接近界面1009。穿孔可以以向上的方向定向，以支持聚集在下伏岩层1010顶部上的烃类的排放。穿孔的这种定位可以限制在CO2突破发生之前未被处理所处理的烃的量。
在一个或多个实施例中，可以将初始处理引入到地层中，使得烃类被开采。图8的方法800示出了将初始处理引入到含烃地层805的上部；然而，这种位置并非在所有情况下都是限制性的。在一个或多个实施例中，应用于储层的初始处理是水驱。在一个或多个实施例中，应用于储层的初始处理是表面活性剂驱。在一个或多个实施例中，应用于储层的初始处理是聚合物驱。在一个或多个实施例中，应用于储层的初始处理是二氧化碳驱。在一个或多个实施例中，应用于储层的初始处理是水气交替(WAG)驱。在一个或多个实施例中，应用于储层的初始处理是表面活性剂气体交替(SAG)驱。
在一个或多个实施例中，该方法可以包括将第一溶液和第二溶液引入到含烃地层的目标区域中。图8的方法800示出了在步骤810中将第一溶液和第二溶液两者同时引入目标区域中。
在一个或多个实施例中，第一溶液和第二溶液可以是包含水的水溶液。第一溶液和第二溶液中的水可以是任何注入水，诸如去离子水、高盐度海水、低盐度海水和经处理的采出水。
在一个或多个实施例中，第一溶液可以包含第一盐，第二溶液可以包含第二盐和发泡剂，其中第一盐和第二盐之间的反应产生氮气。各溶液中的盐的浓度可以基于盐的动力学反应。例如，第一溶液中的NaNO2的摩尔浓度可能几乎是第二溶液中的NH4Cl的摩尔浓度的两倍。在一些实施例中，第一盐的浓度可以为至多9.0M。在一些实施例中，第二盐的浓度可以为至多6.0M。
在一个或多个实施例中，第一溶液、第二溶液或两者还可以包含发泡剂。在一个或多个实施例中，发泡剂可以是表面活性剂，包括非离子表面活性剂、阴离子表面活性剂、阳离子表面活性剂、两性表面活性剂及其组合。
表面活性剂可以以在约0.02重量％至5.0重量％的范围内的浓度存在于第一溶液、第二溶液或两者中。在这样的实施例中，可以存在于溶液中的表面活性剂的浓度可以具有0.02、0.05、0.1、0.2、0.3、0.5、0.7、0.9、1.0、1.2和1.5重量％中的一个的下限，和3.5、3.7、3.9、4.0、4.2、4.5、4.7、4.8、4.9和5.0重量％中的一个的上限，其中任何下限可以与任何数学上兼容的上限配对。
在本公开的一些实施例中，所产生的泡沫的粘度可以通过添加剂(例如稀释浓度的聚合物)提高至多0.05重量％。这些聚合物可以包括水解的聚丙烯酰胺和磺化的聚丙烯酰胺。根据本公开的实施例，增强泡沫的稳定性和/或泡沫的粘度的另一种替代方案可以是使用固体纳米颗粒。例如，颗粒(诸如二氧化硅纳米颗粒、表面改性的二氧化硅纳米颗粒、铁氧化物纳米颗粒和表面改性的铁氧化物纳米颗粒)可以增强泡沫的稳定性并且延长泡沫的寿命。
本公开的一些实施例可以在地层中包含气体的井系统中实施，诸如分离气体(轻质烃类)或残余波及气体(sweep gas，也称为吹扫气体)。在实施本公开的实施例之前，井系统中气体的存在可能影响(例如，降低)所产生的泡沫的稳定性。
在本公开的一个或多个实施例中，如图8的方法800的步骤815所示，该方法可以包括在含烃地层的目标区域中使第一溶液和第二溶液接触。第一溶液中的第一盐和第二溶液中的第二盐可以自发反应。在本公开的一些实施例中，该方法还可以包括通过降低盐溶液(例如，NH4Cl盐溶液)的pH或者将储层温度升高到至少60℃来触发自发反应。溶液中的两种盐之间的反应可以产生氮气。在发泡剂的存在下生产氮气可以原位产生氮气泡沫。氮气泡沫可以形成泡沫屏障，如图5中的泡沫屏障212所示。
在一个或多个实施例中，氮气泡沫在储层条件下可以与含烃地层中的烃类具有有限的混溶性或不具有混溶性。与烃类的有限混溶性至不具有混溶性可以防止泡沫通过气泡膜消泡到烃类中，导致泡沫屏障的收缩和降解。
作为使盐溶液接触和随后的氮气泡沫形成的一部分，所产生的泡沫可以在地层的上部内紧密混合，形成泡沫屏障。在图5中，这被示出为发生在储层1008的经处理的部分1020中。紧密混合和泡沫屏障的形成可以发生在储层和上覆岩层之间的界面附近。目标区域可能在地层的上部。泡沫可以在目标区域内原位产生，并且随后通过高渗透性条痕传播。
在一个或多个实施例中，该方法包括将含烃地层保持一段时间，以允许泡沫屏障沉降到顶流体和原油之间的位置。图8的方法800示出了在步骤820中将储层保持一段时间。该时间段可能取决于产生的并通过地层传播的泡沫。随着泡沫屏障的形成，泡沫可能开始沉降并且向下迁移，直到泡沫遇到已经处理的储层体积和尚未处理的储层体积之间的分界。在图5中，这被称为处理前沿204。泡沫屏障形成如图7所示的泡沫屏障前沿224，泡沫屏障前沿224在储层条件下是稳定的，并且可能不允许超临界二氧化碳旁路通过它进入下面的原油中。如前所述，泡沫屏障还可以堵塞高渗透性通道以防止旁路。
在一个或多个实施例中，该方法可以包括将二氧化碳引入到含烃地层的上部中，作为重力泄油CO2注入工艺的一部分。图8的方法800示出了在步骤825中将二氧化碳引入到储层的上部中。二氧化碳的引入发生在泡沫屏障前沿的上方。在一些实施例中，在原位产生泡沫之后，可以立即进行二氧化碳注入，这可以有助于确保泡沫在地层内部的流动和传播。
在一个或多个实施例中，可以在二氧化碳的临界压力下或大于二氧化碳的临界压力的压力下将二氧化碳引入含烃储层的上部中。二氧化碳的临界压力值为约72.8个大气压。在井筒温度条件下，在临界压力下或高于临界压力下引入的二氧化碳将处于超临界状态。在一些实施例中，储层的初始压力可以大于二氧化碳的临界压力，其中二氧化碳在注入时可以处于超临界相。在本公开的一些实施例中，二氧化碳可以具有比储层流体更低的密度。在这些实施例中，无论储层压力如何，重力都可以迫使二氧化碳到达地层的上部。
在超临界流体状态下，二氧化碳是烃类的优良溶剂。超临界二氧化碳处理降低了原油的整体体积粘度，溶解到原油中并使其膨胀，这迫使结合物脱离紧密的孔隙，使原油溶剂化并将其与流体一起向下迁移。超临界二氧化碳还具有增加的极性，这有助于使高极性的有机分子(诸如沥青质、芳烃和含有双键的N、S和O杂原子的有机化合物)流动。
在一个或多个实施例中，可以以临界气体注入速率或大于临界气体注入速率的流体流速将二氧化碳引入含烃储层的上部中。注入气体的流动性由k/μ定义，其中k是渗透性，μ是粘度。根据本公开的实施例的泡沫处理可以堵塞高渗透性通道并且降低平均渗透性(k)。二氧化碳气体还可以与留在目标区域中的一些残余表面活性剂溶液一起发泡，从而增加粘度(μ)。这两种效应均可以降低二氧化碳气体的流动性，因此气体注入速率可以保持在临界气体注入速率以上，从而导致气体前沿的稳定驱替，而没有粘性指进或窜流。
通过将二氧化碳引入储层的上部中，可以形成超临界二氧化碳顶。随着继续引入二氧化碳，超临界二氧化碳顶可以从向上的方向压在泡沫屏障上。这个力可能会导致一些事情发生。泡沫屏障前沿可能会延伸并且进一步向下推进进入储层，在储层中，原地的油可能会暴露于泡沫屏障。泡沫屏障还可能会迁移到高渗透性通道中，并且堵塞朝向开采井的流体流动路径。
实施例可以包括泡沫的再生，特别是当泡沫在油的存在下流动时。例如，产生的泡沫可能与油接触并且形成乳液，该乳液可以类似于泡沫气泡流动。泡沫可以通过先前描述的根据本申请的泡沫生成工艺来再生。
当泡沫屏障向下迁移时，留在储层中的未被泡沫屏障向下推动的任何原油(诸如与油润湿的地层材料直接接触的原油)可能会通过例如暴露于超临界二氧化碳而变得饱和、溶剂化，并且其粘度大大降低。这种经超临界CO2处理的原油可以随着超临界顶的扩展而被向下携带至开采井。泡沫屏障后面的流动油可能会使泡沫不稳定，并且更快地排入储层的未经处理的部分。
单数形式“一个/一种(a)”、“一个/一种(an)”、和“该/所述”包括复数指示物，除非上下文另有明确规定。
如这里和所附权利要求中所用的，词语“包括”、“具有”和“包含”及其所有语法变体均旨在具有不排除附加的元素或步骤的开放的、非限制性的含义。
当使用词语“大约”或“约”时，该术语可以意味着值的变化幅度可以为至多±10％、至多5％、至多2％、至多1％、至多0.5％、至多0.1％或至多0.01％。
范围可表示为从约一个特定值至约另一个特定值，包括端点值。当表达这样的范围时，应当理解的是，另一个实施例是从一个特定值到另一个特定值，以及该范围内的所有特定值及其组合。
虽然本公开包括有限数量的实施例，但受益于本公开的本领域技术人员将理解，可以设计不脱离本公开的范围的其他实施例。因此，其范围应仅受所附权利要求的限制。因此，已经描述了主题的特定实施方式。其他实施方式在以下权利要求的范围内。
尽管仅详细描述了几个示例性实施例，但是本领域技术人员将容易地理解，在不实质上脱离所描述的范围的情况下，对示例性实施例可以进行许多修改。因此，所有这样的修改都旨在包括在如以下权利要求所限定的本公开的范围内。在权利要求中，装置-加-功能(means-plus-function)条款旨在涵盖描述为执行所述功能的结构，并且不仅包括结构上的等效物，还包括等效的结构。因此，尽管钉子和螺钉可能不是结构上的等效物，因为钉子采用圆柱面将木制零件紧固在一起，而螺钉采用螺旋面，但是在紧固木制零件的环境中，钉子和螺钉可以是等效的结构。申请人明确表示不援引35U.S.C.§112，第f段对本文的任何权利要求的任何限制，除非权利要求中明确使用“装置用于”以及相关联的功能的表述。

Claims (20)

1.一种用于从含烃地层中开采烃类的方法，包括：
将第一溶液引入到所述含烃地层中，所述第一溶液包含第一盐；
将第二溶液引入到所述含烃地层中，所述第二溶液包含第二盐和发泡剂，
其中所述第一盐和所述第二盐产生氮气，并且
其中所述氮气和所述发泡剂产生在所述地层内原位形成的泡沫；
保持所述含烃地层，使得所述泡沫形成泡沫屏障；
将CO2引入到所述地层中以形成气顶，其中所述CO2气顶具有通过所述泡沫屏障与所述烃类分离的气体前沿。
2.根据权利要求1所述的方法，其中所述第一盐是NaNO2，所述第二盐是NH4Cl。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其中所述CO2以大于所述含烃地层的临界气体注入速率的流速引入。
4.根据上述权利要求中任一项所述的方法，其中所述CO2在大于二氧化碳的临界压力的压力下引入，并且所述CO2气顶保持在大于二氧化碳的所述临界压力的压力下。
5.根据上述权利要求中任一项所述的方法，其中所述第一溶液或所述第二溶液中的至少一种是水溶液。
6.根据上述权利要求中任一项所述的方法，其中所述氮气通过所述第一盐和所述第二盐之间的自发反应形成。
7.根据上述权利要求中任一项所述的方法，还包括触发所述第一盐和所述第二盐之间的反应。
8.根据上述权利要求中任一项所述的方法，其中所述发泡剂的浓度在约0.1至约5.0重量％的范围内。
9.根据上述权利要求中任一项所述的方法，其中所述第一盐在所述第一溶液中的摩尔浓度是所述第二盐在所述第二溶液中的摩尔浓度的两倍。
10.根据上述权利要求中任一项所述的方法，其中所述第一盐在所述第一溶液中的浓度为至多9.0M，所述第二盐的浓度为至多6.0M。
11.一种用于从含烃地层中开采烃类的方法，包括：
将发泡剂引入到所述含烃地层中；
将第一盐引入到所述含烃地层中；
将第二盐引入到所述含烃地层中；
使所述第一盐、所述第二盐和所述发泡剂在所述含烃地层中接触，其中所述第一盐和所述第二盐产生氮气，并且使得所述氮气和所述发泡剂密切混合并在所述含烃地层中形成泡沫屏障；和
将二氧化碳引入到所述含烃地层中，使得在所述泡沫屏障上方形成CO2气顶，其中所述二氧化碳以大于临界气体注入速率的流速引入。
12.根据权利要求11所述的方法，其中所述第一盐是NaNO2，所述第二盐是NH4Cl。
13.根据权利要求11或12所述的方法，其中所述第一盐在第一水溶液中。
14.根据权利要求13所述的方法，其中所述第一盐在所述第一水溶液中的浓度为至多9.0M。
15.根据权利要求11至14中任一项所述的方法，其中所述第二盐在第二水溶液中。
16.根据权利要求15所述的方法，其中所述第二盐在所述第二水溶液中的浓度是所述第一盐在所述第一水溶液中的摩尔浓度的一半。
17.根据权利要求11至16中任一项所述的方法，其中将所述二氧化碳引入到所述含烃地层的上部中。
18.根据权利要求11至17中任一项所述的方法，其中所述二氧化碳在大于二氧化碳的临界压力的压力下引入。
19.根据权利要求11至18中任一项所述的方法，其中所述CO2气顶保持在大于二氧化碳的所述临界压力的压力下。
20.一种用于从含烃地层中开采烃类的系统，包括：
至少一个注入井，所述注入井包括被配置为容纳第一盐溶液的第一管道和被配置为容纳第二盐溶液的第二管道，其中所述第一管道的出口和所述第二管道的出口靠近所述含烃地层中的目标区域；和
其中所述第一盐溶液包含第一盐和水，所述第二盐溶液包含第二盐、发泡剂和水，其中所述第一盐和所述第二盐被配置为在所述含烃地层的所述目标区域中自发反应。
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