CN1385595A - 改进的强化采油法 - Google Patents

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R·拉马钱德伦
K·W·林贝奇
黄顺成
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    • E21B—EARTH OR ROCK DRILLING; OBTAINING OIL, GAS, WATER, SOLUBLE OR MELTABLE MATERIALS OR A SLURRY OF MINERALS FROM WELLS
    • E21B43/00—Methods or apparatus for obtaining oil, gas, water, soluble or meltable materials or a slurry of minerals from wells
    • E21B43/16—Enhanced recovery methods for obtaining hydrocarbons
    • E21B43/164—Injecting CO2 or carbonated water

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Abstract

披露了提高从地下岩层中采油量的方法。将含有50体积%以上二氧化碳和其余为惰性气体的混合气体注入地下岩层中,降低油的粘度和表面张力,并增加油的溶胀。优选的是含有60体积%以上二氧化碳的混合气体,更优选的是含有70体积%以上二氧化碳的混合气体。

Description

改进的强化采油法
技术领域
本发明提供了加强从地下岩层中采油的方法。更具体地说，本发明提供了在地下岩层中的油中注射至少含50％体积二氧化碳和其余为氮气或其它惰性气体的混合气体的方法。
背景技术
油或汽油和油层或岩层中油或汽油周围的多孔岩石所含的任何水通常承受着因处于它们之上的材料的重量而引起的压力。这样，它们会移动到压力较低和较高的区域，如井口。在释放出一些压力后，油仍会流到地面上，但流得较慢。用机械泵，如常见的蚱蜢式泵(grasshopper pump)，能有助于这种移动。这些方法通常称为一次采油法。通常，一次采油法只能开采出油层中不到50％的油。通过进行强化采油(EOR)法可以提高采油量。这些方法通常分为两类：二次采油和三次采油。
二次EOR法通常是将流体(液体或气体)泵入地下，再次产生在一次采油时消失去的背压力。这些方法中最常用的是注入水，简称为注水法。
三次采油方案通常是利用化学相互作用或加热来降低油的粘度，使油能更自由地流动，或改变油和周围岩石孔隙之间界面的特性，使油能流出岩石中的小孔隙，并进入较大孔道中，在该处油能被驱动流体带动和因压差而移动到达生产油井中。也可使油溶胀，这样一部分油可从小孔隙渗出，进入岩石中的孔道或较大孔隙中。这些方法中典型的是水蒸汽注射法、可溶混流体注射法和表面活性剂注射法。
使用水蒸汽的热技术可用于井间(well to well)采油方式，也可用于单井技术，被称为水蒸汽吞吐法。在该方法中，水蒸汽经油井注入，注入量要足以使井附近的地下含烃油层加热。然后将油井关闭维持一段保温期，此后将油井投入生产。在生产量下降后，可对同一油井使用水蒸汽吞吐法，再次促进生产。
对于加强井间和单井的生产，已知可以使用二氧化碳将它注入油层。二氧化碳容易溶解于油中使油溶胀，并能降低油的粘度和表面张力，从而增加采油量。二氧化碳也可与水蒸汽一起使用，这样就将水蒸汽和二氧化碳同时或先后注入，然后通常经过一段保持期，接着再注入二氧化碳或其它流体。
US 2,623,596描述了从一个单独生产井采油时在注入井中使用气体的强化采油法。用给出的数据对使用CO2和N2混合物的强化采油法进行了讨论，这些数据显示采油量随着混合气体中CO2％的增加而单调增加。但是，这些给出的数据未指出使用85％CO2和100％CO2时的结果。
美国专利3,295,601提出，由二氧化碳和烃气(优选含2-4个碳原子)或氮气、空气、硫化氢、烟道气和类似气体混合物的气体栓在注入油井时，会形成一种过渡区。然后所述的过渡区被驱动液体所推动，经过注入井，这会从岩层中产生油和降低粘滞指进。优选的气体栓由50％二氧化碳和足够浓度(如10-50体积％)的C2-C4烃气组成。混合气体中的其余气体选自氮气、空气、硫化氢和烟道气以及类似气体，它们在二氧化碳和C2-C4烃气的优选组成中构成其余的部分。
美国专利5,725,054提出，通过在所述的油井中注入包含二氧化碳和选自甲烷、氮气及其混合物的气体的混合气体，从地下岩层中采油的方法。所述的混合气体约含5-50体积％的二氧化碳。如其实施例所示，二氧化碳的最高百分数是50体积％。
本发明人已经发现，使用包含50％以上、达到99％的二氧化碳和其余为氮气或其它惰性气体的混合气体会增加产油量。
发明内容
本发明提供一种提高从地下岩层中采油量的方法，包括在油中注入至少包含50体积％的二氧化碳和惰性气体的混合气体。本发明还提供提高从地下岩层中采油量的方法，包括在油中注入包含二氧化碳和氮气的混合气体的方法，其中混合气体中二氧化碳的含量至少为50体积％。此外，本发明还提供降低地下岩层中油的粘度和表面张力、并增加油的体积或使油溶胀的方法，此方法包括在油中注入包含至少50体积％二氧化碳和惰性气体的混合气体。
附图说明
图1是气体的二氧化碳含量对石蜡油粘度的影响图。
图2是气体的二氧化碳含量对环烷油粘度的影响图。
图3是气体的二氧化碳含量对芳香油粘度的影响图。
图4是气体的二氧化碳含量对石蜡油表面张力的影响图。
图5是气体的二氧化碳含量对环烷油表面张力的影响图。
图6是气体的二氧化碳含量对芳香油表面张力的影响图。
图7是各温度下气体的二氧化碳含量对石蜡油粘度的影响图。
图8是各温度下气体的二氧化碳含量对石蜡油表面张力的影响图。
图9是各温度下气体的二氧化碳含量对石蜡油体积的影响图。
具体实施方式
本发明所包括的提高从地下岩层中采油量的方法，包括在油中注入包含至少50体积％二氧化碳和惰性气体的混合气体。所述的惰性气体优选为氮气。也可用其它惰性气体，如氦气和氩气。本发明还包括的提高从地下岩层中采油量的方法包括在油中注入包含二氧化碳和氮气的混合气体。所述的混合气体中二氧化碳的含量至少为50体积％。在岩层中通入二氧化碳和氮气的混合物，提供了使油的粘度和表面张力比单通入二氧化碳或氮气更低的乎意料的好处。它还使油的溶胀比单用二氧化碳或氮气更大。使用氮气到混合物中是因为成本比消耗纯二氧化碳的成本低，所以经济效益较大。
为达到本发明的目的，申请人将油定义为包含石蜡、芳香族或环烷组分或它们的混合物的烃。
根据油层的深度，以100-20,000磅/英寸2的压力将二氧化碳和氮气的混合物注入含油的油层中。采用这种注射方法，就可以使用WAG(水气交替)井间法，即在气体注入后注入水来推动油，提高井口的产油量。在水蒸汽吞吐法中此气体注入方法也能采用，在水蒸汽吞吐法中，将此混合物注入岩层中。然后封闭岩层，使其经过一定时间的保持期，接着进入强化的采油阶段或生产阶段。
可用任何方法产生二氧化碳和氮气的混合物。优选将富含二氧化碳的气流和富含氮气的气流混合，或用空气或富氧空气使烃燃烧来产生二氧化碳。本发明人声称，除氮气外的其它惰性气体在与二氧化碳以最佳比混合时，会在增加溶胀的同时，减少油的粘度和表面张力。
富含二氧化碳的气流的一种产生方法，是在油井现场或其附近使用发电装置或利用废热发电装置。富氧空气和烃燃烧产生电力和富含二氧化碳的气体。产生的电力用来操作空气分离装置，该分离装置向发电装置或利用废热发电装置提供氧气，供富氧之用。另外产生的氮气和/或水蒸汽也可单独或与富含二氧化碳的气流混合注入油井中，用来提高采油量。热量和二氧化碳的结合能进一步提高采油量，而结果很少有二氧化碳流失到水相中。
二氧化碳的另一种产生方法，是向井底注入纯氧、富氧空气或空气。足够深的油井，其温度足以维持燃烧而产生二氧化碳。例如，8000英尺深的油井会有300°F的温度，因此有足够的热量来产生提高采油量所需的二氧化碳。
在本发明的一个优选实施方式中，通过使混合气体的组成最优化，将二氧化碳含量高于50％的二氧化碳-氮气混合物注入生产井或其邻近的油层中。由于二氧化碳和氮气吸收速率不同，在注射部位处的岩层中能保持接近最佳的组成。然后，在离开生产井有一段距离的注入井中注入二氧化碳和氮气的第二种混合物。此混合气体的组成能使油的粘度和表面张力高于生产井或其邻近的油，但仍低于未处理的油。可将气体连续通入注入井，也可将油井关闭至少一天的时间，以促进气体被油所吸收。
结果，油被推动到生产井中，而经过油的气体的指进或分流被减到最小。在此优选的实施方式中，可采用多于一处的注入部位，而通过优化混合气体中二氧化碳和氮气的含量，使离开注入部位的油粘度和表面张力随着各注入部位离井口注入部位越远而越高。因此，使用的混合气体的氮气含量是随着注射该混合气体的部位离生产井越远而越高。这种变化梯度会使靠近生产井的注射处的二氧化碳的含量高于50体积％。在此实施方式中，在随后间歇使用二氧化碳流、氮气流或水流将油推动到生产井，能进一步增加产量。
用于本发明方法的优选组成是至少50体积％的二氧化碳，其余为氮气或其它惰性气体，包括氦气、氩气或水蒸气。在一更加优选的实施方式中，混合气体包含60体积％以上的二氧化碳，其余为惰性气体。在最为优选的实施方式中，混合气体中有75体积％以上是二氧化碳，其余为惰性气体。
在另一实施方式中，可将烃加入上述的组成中。这些烃如甲烷、乙烷和丙烷可来自常规来源，但也可来自产油时所产生的有关气体。烃可从油中分离出来并再注入地下，也可让一部分烃在空气、氧气或富氧空气中燃烧后从油中分离出来再注入地下。
实施例
研究了三种类型的油以考察二氧化碳和氮气的混合物对提高采油量的效果。在Peng-Robinson的气-液平衡状态方程、用于液相粘度的Twu模型和修正形式的表面张力的Brock和Bird方程的基础上开发出了一种模拟方法。此项研究中所用的三种油为石蜡型、环烷型和芳香型。假设二氧化碳和氮气的混合气体的用量为1摩尔气体/摩尔油，由于二氧化碳的注入操作通常在注水过程之后，或者在WAG法中与注水交替进行，因此要在此混合物中加入少量的水。水的加入量是基于使常用油达到20％饱和。在1,500-2,500磅/英寸2的压力和75-200°F的温度下进行研究。
图1、2和3以及表1、2和3给出了石蜡油、环烷油和芳香油在75°F的粘度与采油混合气体中二氧化碳百分数的关系。从中可见，混合气体中高于50％的二氧化碳比用100％的二氧化碳更有利于降低油的粘度。
           表1气体的CO2含量对不同压力和75F下石蜡油粘度的影响
气体的CO含量(％)   1500磅/英寸2的油粘度(厘泊)   2000磅/英寸2的油粘度(厘泊)   2500磅/英寸2的油粘度(厘泊)
    0     0.592     0.571     0.552
    25     0.557     0.534     0.513
    50     0.515     0.49     0.468
    68     0.478     0.453     0.437
    75     0.462     0.443     0.449
    80     0.45     0.451     0.457
    85     0.451     0.46     0.466
    88     0.456     0.465     0.472
    92     0.464     0.472     0.479
    100     0.478     0.487     0.493
             表2气体的CO2含量对不同压力和75F下环烷油粘度的影响
气体的CO含量(％)   1500磅/英寸2的油粘度(厘泊)   2000磅/英寸2的油粘度(厘泊)   2500磅/英寸2的油粘度(厘泊)
    0     1.93     1.87     1.82
    25     1.69     1.62     1.57
    50     1.44     1.38     1.32
    68     1.26     1.19     1.14
    75     1.18     1.12     1.07
    80     1.12     1.06     1.02
    85     1.06     1.01     0.997
    88     1.02     0.993     1.01
    92     0.986     1.01     1.02
    100     1.02     1.04     1.05
             表3气体的CO2含量对不同压力和75F下芳香油粘度的影响
气体的CO含量(％)   1500磅/英寸2的油粘度(厘泊)   2000磅/英寸2的油粘度(厘泊)   2500磅/英寸2的油粘度(厘泊)
    0     0.827     0.811     0.797
    25     0.7566     0.738     0.722
    50     0.679     0.658     0.642
    68     0.615     0.595     0.578
    75     0.587     0.567     0.552
    80     0.566     0.547     0.532
    85     0.544     0.526     0.512
    88     0.529     0.512     0.519
    92     0.51     0.52     0.527
    100     0.527     0.537     0.544
图4、5和6以及表4、5和6显示了三种不同压力下石蜡油、环烷油和芳香油在75°F时的表面张力与采油混合气体中二氧化碳百分数的关系。从图4、5和6中可见，混合气体中高于60％的二氧化碳比用纯二氧化碳更有利于降低表面张力。
        表4气体的CO2含量对不同压力和75F下石蜡油表面张力的影响
气体的CO含量(％)   1500磅/英寸2的油表面张力(厘泊)   2000磅/英寸2的油表面张力(厘泊)   2500磅/英寸2的油表面张力(厘泊)
    0     19.22     18.39     17.65
    25     17.1     16.19     15.41
    50     14.93     13.99     13.21
    68     13.27     12.35     11.8
    75     12.59     11.86     11.86
    80     12.09     11.91     11.9
    85     11.96     11.95     11.95
    88     11.98     11.98     11.98
    92     12.02     12.02     12.02
    100     12.09     12.1     12.1
        表5气体的CO2含量对不同压力和75F下环烷油表面张力的影响
气体的CO含量(％)   1500磅/英寸2的油表面张力(厘泊)   2000磅/英寸2的油表面张力(厘泊)   2500磅/英寸2的油表面张力(厘泊)
    0     29.21     28.56     27.96
    25     26.14     25.3     24.59
    50     22.93     21.97     21.23
    68     20.4     19.44     18.73
    75     19.34     18.42     17.72
    80     18.53     17.64     16.97
    85     17.69     16.85     16.59
    88     17.16     16.61     16.62
    92     16.65     16.66     16.66
    100     16.72     16.73     16.73
         表6气体的CO2含量对不同压力和75F下石蜡油表面张力的影响
气体的CO含量(％)   1500磅/英寸2的油表面张力(厘泊)   2000磅/英寸2的油表面张力(厘泊)   2500磅/英寸2的油表面张力(厘泊)
    0     29.84     29.29     28.79
    25     26.71     25.96     25.33
    50     23.41     22.53     21.87
    68     20.81     19.94     19.28
    75     19.73     18.87     18.25
    80     18.92     18.08     17.48
    85     18.06     17.28     16.72
    88     17.52     16.77     16.76
    92     16.8     16.8     16.8
    100     16.86     16.86     16.86
图7和图8以及表7和表8显示了石蜡油在不同温度下的粘度与采油混合气体中二氧化碳百分数的关系。如前述实施例所证实，混合气体中高于50％的二氧化碳比用纯二氧化碳更有利。在二氧化碳为70-80％左右时油的粘度大幅降低，而在二氧化碳浓度更高时表面张力几乎保持不变。
         表7气体的CO2含量对不同温度和2000磅/英寸2下石蜡油粘度的影响
  气体的CO2含量(％)    75F时油的粘度(厘泊)     100F时油的粘度(厘泊)    125F时油的粘度(厘泊)    150F时油的粘度(厘泊)    200F时油的粘度(厘泊)
    0     0.571     0.486     0.419     0.365     0.282
    50     0.49     0.429     0.375     0.329     0.257
    75     0.443     0.387     0.341     0.301     0.235
    80     0.451     0.394     0.342     0.298     0.229
    85     0.46     0.402     0.348     0.304     0.23
    88     0.465     0.407     0.352     0.307     0.233
    92     0.472     0.413     0.358     0.312     0.237
    100     0.487     0.426     0.369     0.321     0.244
       表8气体的CO2含量对不同温度和2000磅/英寸2下石蜡油表面张力的影响
  气体的CO2含量(％)   75F时油的表面张力(厘泊)   100F时油的表面张力(厘泊)   125F时油的表面张力(厘泊)   150F时油的表面张力(厘泊)   200F时油的表面张力(厘泊)
    0     18.39     17.3     16.21     15.13     13
    50     13.99     12.91     12.29     11.63     10.26
    75     11.86     10.53     10.06     9.582     8.574
    80     11.91     10.52     9.887     9.265     8.167
    85     11.95     10.52     9.888     9.266     8.044
    88     11.98     10.52     9.887     9.266     8.046
    92     12.02     10.52     9.888     9.266     8.044
    100     12.1     10.52     9.887     9.265     8.045
图9和表9显示了石蜡油在不同温度下的相对体积与采油混合气体中二氧化碳百分数的关系。相对体积是与标准油体积比较的相对值。混合气体中约70-99％的二氧化碳比用纯二氧化碳在这种情况下更有利于使溶胀最大化。随着油的溶胀的增加，油更会离开地下岩层中的小孔隙，通过使用各种流体注入技术，而被带动或推动到生产井中。
       表9气体的CO2含量对不同温度和2000磅/英寸2*下石蜡油相对体积的影响
 气体的CO2含量(％)   75F时油的相对体积   100F时油的相对体积   125F时油的相对体积   150F时油的相对体积   200F时油的相对体积
    0     1.036     1.053     1.071     1.090     1.131
    50     1.118     0.135     1.154     1.176     1.235
    75     1.193     1.222     1.244     1.27     1.353
    80     1.188     1.217     1.249     1.287     1.392
    85     1.183     1.211     1.243     1.280     1.398
    88     1.179     1.207     1.239     1.276     1.391
    92     1.175     1.203     1.234     1.271     1.383
    100     1.167     1.194     1.224     1.261     1.366
*相对体积是与标准油体积的比较值
虽然参照了具体实施方式描述了本发明，但对于本领域中技术人员来说，显然本发明可以进行各种其它形式的改变。本发明所附的权利要求书通常应视为覆盖了本发明真实精神和范围内的所有明显的形式和改变。

Claims (13)

1.提高从地下岩层中采油量的方法，它包括在所述的油中注入至少包含50体积％二氧化碳的混合气体。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于所述的混合气体中其余选自惰性气体、惰性气体混合物、烃气、水蒸气、空气或它们的混合物；所述的惰性气体选自氮气、氦气和氩气。
3.如权利要求1所述的方法，其特征在于在井口向所述的油中注入所述的混合气体。
4.如权利要求1所述的方法，其特征在于向单个生产井口中注入所述的混合气体。
5.如权利要求4所述的方法，其特征在于所述的注入是循环的。
6.如权利要求4所述的方法，其特征在于所述的混合气体注入不同于所述生产井口的注入井。
7.如权利要求6所述的方法，其特征在于所述的混合气体以和驱动流体交替的方式注入。
8.如权利要求7所述的方法，其特征在于所述的驱动流体选自水蒸气、水、氮气、二氧化碳和空气。
9.如权利要求1所述的方法，其特征在于所述的混合气体以100-20,000磅/英寸2的压力注入所述的油中。
10.如权利要求1所述的方法，其特征在于在注入所述的混合气体后，将所述的地下岩层封闭至少一天。
11.如权利要求10所述的方法，其特征在于将所述封闭的地下岩层拆封，让选自二氧化碳、氮气、水或盐水的物料流经所述的注入点输入。
12.如权利要求9所述的方法，其特征在于所述的混合气体至少经过两个不同的注入点注入所述的地下岩层中，经过所述第二注入点注入的所述混合气体中的氮气体积百分数高于经过所述第一注入点注入的所述混合气体中的氮气体积百分数，并且所述的第一注入点比第二注入点更靠近至少一个所述的生产井。
13.如权利要求1所述的方法，其特征在于所述的混合气体进一步降低所述地下岩层中所述油的粘度和表面张力。
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