EA002667B1 - Введение воздуха в воду - Google Patents

Abstract

Предлагается вводить воздух в нагнетаемую в пласт воду, чтобы обеспечить микробную усиленную добычу нефти. Вода, предназначенная для нагнетания в пласт, проходит через эжектор, где воздух увлекается проходящей водой, и вслед за этим находящийся в воздухе кислород растворяется в воде. Во время эксплуатации патентуемой системы насос (12) работает с постоянной скоростью, перекачивая воду к устью скважины через эжектор (13). Воздух всасывается потоком воды в инжекторе 13 под воздействием высокого давления воды и растворяется в воде на участке трубопровода от эжектора (13) до устья скважины. Количество подаваемого воздуха регулируется при помощи регулирующего клапана (23), а производится такая регулировка в зависимости от величины давления воздуха в воздухопроводе (21), измеряемого манометром (25), от перепада давлений в эжекторе (13), который измеряется при помощи манометров (16, 17). На количество воздуха, поступающего в воду, оказывает влияние также и то, какая часть от общего количества нагнетаемой воды перепускается через обводной трубопровод (14) в обход эжектора (13).

Description

Настоящее изобретение относится к введению воздуха в воду и, в частности, в воду, нагнетаемую в пласт при добыче нефти.

При наличии нефти в подземных породных формациях, к примеру, в таких, каковыми являются песчаник или мел, разработка таких месторождений может в большинстве случаев производиться посредством бурения скважин, входящих в нефтеносные пласты, с тем, чтобы обеспечить возможность вытеснения нефти оттуда вверх по скважине под воздействием существующего в этих пластах избыточного давления. Этот процесс известен под названием первичная добыча. Когда это избыточное давление близится к своему истощению, обычно прибегают к созданию избыточного давления искусственным путем, например, посредством нагнетания в эти подземные формации воды, чтобы вымыть оттуда стоящую нефть. Этот процесс известен под названием вторичной добычи.

Однако, даже по завершении вторичной добычи в породных формациях продолжает оставаться значительное количество нефти; в случае для нефти, добываемой в Северном море, это остаточное количество может составлять от 65 до 75% от первоначального количества имевшейся в месторождении нефти. Из этого остаточного количества нефти, по-видимому, более половины ее будет существовать в виде отдельных капель и рукавообразных отложений, прилипших к породным формациям, которые были перед этим заводнены, а остальное будет находиться в карманах, которые отрезаны от выходов из месторождения.

Предложены были несколько разных способов усиленной добычи нефти при разработке месторождений, имеющих доступную нефть, но прилипшую к породным формациям и оставшуюся поэтому не добытой, одним из которых является микробная усиленная добыча нефти (МУДН). Этот способ основан на использовании микроорганизмов, к примеру таких, каковыми являются бактерии, чтобы сдвинуть прилипшую нефть с места, и для его осуществления предложен был целый ряд различных систем. В случае для сцементированных платов одна из таких систем основывается на использовании аэробных бактерий.

Отсутствие всякого кислорода в нефтеносных пластах означает, что в том случае, если применяется аэробная система, должна быть тогда обеспечена подача кислорода. Однако, когда используются аэробные бактерии, а в соответствующую породную формацию вводится кислород (или воздух, содержащий кислород), такая ситуация может оказаться не вполне удовлетворительной. Во-первых, при этом немедленно происходит разделение на газообразную и водную фазы, что в значительной мере затрудняет регулирование этой системы, а на практике - ограничивает возможности эксплуатации этой системы лишь периодическим включением ее в действие. Во-вторых, образуется большое количество тепла, что в связи с наличием богатой кислородом газообразной фазы и доступностью имеющегося наготове горючего материала представляет собой значительную опасность возникновения взрыва. Следовательно, при этом должна применяться также и какая-нибудь охлаждающая среда.

На решение этой проблемы направлен патент Великобритании № 2252342. В этом случае вода, используемая для нагнетания в пласт, содержит соответствующий источник кислорода, способный отдавать свободный кислород в количестве, по меньшей мере, 5 мг/л.

По существу, эта система работает следующим образом. На некотором расстоянии от эксплуатационной скважины в породную формацию вводится популяция аэробных бактерий. Эти микроорганизмы приспособлены к потреблению нефти в качестве источника углерода. Нагнетаемая в пласт под давлением вода подается в формацию через соответствующую нагнетательную скважину, причем эта вода включает в свой состав источник кислорода и минеральные питательные вещества. Бактерии там размножаются, потребляя нефть в качестве своего основного источника углерода и содержащийся в нагнетаемой воде кислород в качестве своего основного источника кислорода. При этом они отделяют нефть от породной формации, и затем отделенная таким образом нефть удаляется через эксплуатационную скважину вместе с нагнетаемой водой.

Скорость развития микроорганизмов, безусловно, зависит от количества доступного для них кислорода. В большинстве случаев желательно обеспечить максимально быстрое их развитие, и, следовательно, желательно также поддерживать высокую концентрацию кислорода в воде, нагнетаемой в пласт (а также, очевидно, и в продвигающемся слое биомассы). Однако, в отдельных ситуациях, например, в тех случаях, когда желательной может оказаться стимуляция производства поверхностно-активных веществ, может понадобиться снизить уровень содержания кислорода в водной фазе для того, чтобы вынудить микроорганизмы вырабатывать поверхностно-активные вещества.

Ситуация считалась бы нормальной, если слой биомассы образовывал бы фронт между обогащенной кислородом водой, нагнетаемой в пласт, и обедненной кислородом водой со стороны фронта, обращенной к выходу. Первоначально, обедненная кислородом вода будет в этом случае представлять собой пластовую воду, но по мере развития процесса она будет постепенно замещаться водой, нагнетаемой в пласт, которая лишается значительной части содержащегося в ней кислорода при прохождении ее сквозь слой биомассы. В тех местах, где биомасса находится в контакте с нефтью и имеет доступ к кислороду, она будет питаться неф тью, отделяя при этом прилипшую нефть от горной породы в соответствии с одним или более из целого ряда механизмов осуществления этого процесса. Основным среди таких механизмов считается производство биомассы поверхностно-активных веществ, которые способствуют уменьшению сил, удерживающих на горной породе прилипшую к ней нефть. Затем отлипшая нефть под воздействием давления воды, нагнетаемой в пласт, вытесняется из пор горной породы, и вытесняемая нефть уносится дальше вместе с нагнетаемой в пласт водой.

В нормальных условиях можно было бы предположить, что морская вода, например, способна переносить растворенный в ней кислород в количестве приблизительно 6 мг/л. Но для того, чтобы создать источник кислорода, способный обеспечить бактерии кислородом в требующемся для них количестве, необходимо будет поэтому вводить дополнительно в нагнетаемую в пласт воду значительное количество кислорода. Одним из путей решения этой задачи могло бы явиться применение воздушного компрессора. Однако, в тех случаях, когда наблюдается высокое противодавление (давление на устье скважины), превышающее, например, 8 атм (810 кПа), требующийся тогда компрессор был бы слишком дорогим. Кроме того, компрессоры требуют соответствующего технического обслуживания и подвержены различным поломкам, в особенности в тех случаях, когда их приходится эксплуатировать при высоких рабочих давлениях и в тяжелых условиях.

Таким образом, целью настоящего изобретения является создание системы, предназначенной для введения кислорода в воду и, в частности, в воду, нагнетаемую в пласт при добыче нефти, сравнительно дешевым и надежным способом.

Другой целью настоящего изобретения предусматривается применение эжектора для введения кислорода в воду, нагнетаемую в пласт при добыче нефти, с обеспечением подачи воды, предназначенной для нагнетания в пласт, к эжектору под заранее определенным давлением и с подводом к нему также кислорода, который но не в обязательном порядке - может представлять собой содержащийся в воздухе кислород, подаваемый вместе с воздухом, поступающим в эжектор, причем давление и скорость потока воды, проходящие через эжектор, подбираются таким образом, чтобы обеспечить поступление кислорода в поток воды. При этом предпочтительно было бы обеспечить, чтобы то количество кислорода, которое поступает в воду, было способно полностью раствориться в ней под воздействием давления, соответствующего давлению на устье скважины (или пластовому давлению), а также было бы достаточно для оказания соответствующего воздействия на породную формацию.

В эжекторе используется энергия струйного насоса для того, чтобы сообщить соответствующее ускорение нагнетаемой в пласт воде, благодаря чему уменьшается давление, требующееся для всасывания воздуха, а также сокращается до минимума потребность в проведении технического обслуживания. Такое техническое решение обходится очень дешево по сравнению с компрессором, в особенности применительно к высоким давлениям на устье скважины. Кроме того, применение эжектора позволяет добиться получения очень устойчивых величин соотношения между количеством кислорода и воды.

При добыче нефти в открытом море можно в качестве воды для нагнетания в пласт использовать морскую воду. Предпочтительно, чтобы вода, предназначенная для нагнетания в пласт, подавалась под заранее определенным давлением при помощи струйного насоса. Кроме того, предпочтительно было бы также обеспечить, чтобы эжектор был расположен в трубопроводе для подачи воды, нагнетаемой в пласт, на участке между струйным насосом и устьем скважины. В альтернативном варианте эжектор может быть расположен с той стороны насоса, с которой осуществляется всасывание воды, в особенности в тех случаях, когда количество кислорода, которое предстоит ввести в воду, сравнительно невелико, например, не превышает 50 мг кислорода на литр воды.

Давление, создаваемое насосом, может изменяться в очень широких пределах, в зависимости от давления на устье скважины. Таким образом, создаваемое насосом давление, может находиться в пределах от 2 до 700 бар (0,2-70 МРА). Давление нагнетания может изменяться в пределах от 0,9 до 350 бар (0,09-35 МПа). Соотношение между количеством воздуха и воды может также изменяться в значительных пределах, в зависимости от различных факторов, в том числе и от потребности микроорганизмов в кислороде, а также от давления на устье скважины, причем диапазон этих соотношений, выраженных в литрах воздуха в нормальных условиях к литрам воды, составляет от 0,03:1 до 6:1.

Кроме того, настоящее изобретение направлено также на создание способа, предназначенного для введения кислорода в воду, нагнетаемую в пласт при добыче нефти, который предусматривает подачу воды к эжектору при помощи струйного насоса, подвод к нему (эжектору) кислорода, который - но не в обязательном порядке - может представлять собой содержащийся в воздухе кислород, подаваемый вместе с воздухом, поступающий в эжектор, поступление кислорода в воду в эжекторе. Кислород может затем раствориться в воде при движении ее на участке, расположенном ниже по потоку относительно того места, где в нее введен был воздух.

Помимо этого, настоящее изобретение направлено также и на создание соответствующего устройства, предназначенного для осуществления данного способа, причем указанное устройство содержит струйный насос, источник воды, источник кислорода и эжектор, и в этом устройстве источник воды соединен со струйным насосом, который подает воду к эжектору, а источник кислорода также подсоединен к эжектору, где вода, проходя через эжектор, втягивает кислород в воду.

Предпочтительно, чтобы струйный насос представлял собой насос высокого давления. Кроме того, предпочтительно было бы также, чтобы указанное устройство включало в себя обводной трубопровод для перепускания воды в обход эжектора, снабженный перепускным клапаном. Помимо этого, было бы также предпочтительно, чтобы указанный источник кислорода представлял собой соответствующий воздухопровод, причем в этом воздухопроводе имелись бы регулирующий клапан и - не в обязательном порядке - обратный клапан. В дополнение к этому, предпочтительно было бы также, чтобы эжектор был оборудован обратным клапаном, который закрывался бы при внутреннем давлении, превышающем заданное значение, например, 0,9 бар (0,09 МПа). И наконец, было бы также предпочтительно, чтобы эжектор был оборудован какой-либо пассивной или активной системой регулирования воздушного потока и замера его параметров.

Вполне естественно, что эжектор будет проектироваться под конкретные условия его эксплуатации отдельно для каждой скважины или каждого месторождения с учетом объема воды, концентрации воздуха и давления нагнетания.

Поскольку давление, при котором производится нагнетание воды в пласт, может быть очень высоким, количество газообразного кислорода, которое может в ней раствориться, может достигать весьма значительных величин. Давление, встречающееся в некоторых, находящихся под высоким давлением нефтеносных пластах, может достигать величин порядка от 200 до 800 бар (20 - 80 МПа), а при таком давлении может растворяться до 4,0 г кислорода в литре воды. Такого количества кислорода совершенно достаточно для того, чтобы позволить аэробным бактериям размножаться в удовлетворительном темпе при такой объемной скорости потока воды, нагнетаемой в пласт, которая достаточно низка для того, чтобы избежать какого бы ни было ущерба для соответствующего нефтеносного пласта.

Предпочтительно, таким образом, было бы обеспечить, чтобы количество растворенного кислорода находилось в пределах от 1 мг/л до

4000 мг/л, а предпочтительнее - от 10 мг/л до

400 мг/л, хотя действительное его количество будет зависеть от преобладающих условий. Однако количество присутствующего в воде кислорода никогда не должно быть таким большим, чтобы оказывать токсичное воздействие на бактерии.

На практике очень важно было бы обеспечить полное отсутствие газообразной фазы, потому что всякая деятельность микроорганизмов может протекать только лишь в жидкой фазе. Совершенно очевидно, что при наличии газообразной фазы нефть, прилипшая к породной формации, будет в зонах нахождения газообразной фазы оставаться нетронутой микроорганизмами.

В качестве микроорганизмов могут быть взяты любые, приемлемые для использования с указанной целью одноклеточные организмы, к примеру такие, каковыми являются дрожжи, но наиболее предпочтительными в данном случае являются бактерии. Такими бактериями, пригодными для использования в целях, поставленных при разработке настоящего изобретения, могут являться Ркеибошоиак рийба, Ркеибошоиа§ аетофпока, СотупеЬас!егшт 1ерщ, МусоЬас!егшт гйобосйтоик, МусоЬас!етшт уассае, Лсше!оЬас!ег и ЫосатФа. Применяемые бактерии могут предварительно отбираться и культивироваться с тем, чтобы обеспечить успешное их развитие в преобладающих условиях их обитания после введения их в воду, нагнетаемую в пласт.

Настоящее изобретение может быть реализовано на практике различными путями, и некоторые варианты его осуществления будут теперь рассмотрены для примера в приведенном здесь ниже описании, которое ведется со ссылками на прилагаемые чертежи, на которых фиг. 1 представляет собой упрощенную схему, показывающую систему нагнетания воды в нефтяную скважину, обеспечивающую введение воздуха в воду в соответствии с настоящим изобретением;

фиг. 2 представляет собой схематическое изображение, показывающее соответствующий эжектор (в разрезе).

На фиг. 1 показан трубопровод 11 для подачи нагнетаемой в пласт воды, подводящий ее к устью скважины (не показано). Подача воды производится при помощи струйного насоса 12. Эжектор 13 расположен между насосом 12 и устьем скважины. Обводной трубопровод 14, снабженный клапаном 15 обеспечивает возможность перепускания воды в обход эжектора, а по обе стороны от эжектора на трубопроводе 11 для подачи воды имеются манометры 16, 17, расположенные соответственно ниже по потоку относительно отводящего патрубка обводного трубопровода и выше по потоку относительно возвратного патрубка обводного трубопровода.

Имеется воздухопровод 21, подсоединенный к эжектору 13. В состав воздухопровода 21 входят расходомер 22, регулирующий клапан

23, обратный клапан 24 и манометр 25.

Эжектор 13 выполнен в виде эжекторного насоса. У него имеются первый впускной патрубок 31 для текучей среды, через который осуществляется подвод воздуха к соплу 32, и второй впускной патрубок 33 для текучей среды, через который осуществляется подвод воды. Смешивание воды с воздухом производится в непосредственной близости от сопла 32. Ниже по потоку относительно сопла 32 имеется расширяющаяся трубная вставка 34, ведущая к выпускному отверстию 35.

Во время эксплуатации рассматриваемой системы насос 12 работает с постоянной скоростью, перекачивая воду к устью скважины через эжектор 13. Воздух поступает в поток воды внутри эжектора 13, куда он всасывается под воздействием высокого давления воды, и растворяется в воде на участке трубопровода от эжектора 13 до устья скважины. Количество подаваемого воздуха регулируется при помощи регулирующего клапана 23, а производится такая регулировка в зависимости от величины давления в воздухопроводе 21, измеряемого манометром 25, и от перепада давлений в эжекторе 13, который измеряется при помощи манометров 16, 17. На количество воздуха, поступающего в воду, оказывает влияние также и то, какая часть от общего количества нагнетаемой воды перепускается через обводной трубопровод 14 в обход эжектора 13.

В альтернативном варианте осуществления настоящего изобретения, применяемом, например, когда количество кислорода, которое предстоит вводить в воду, достаточно мало, в типичном случае менее 50 мг/л, эжектор 13 может быть расположен со стороны всасывания относительно насоса 12 вместе со своим обводным трубопроводом 14 и клапаном 15.

Настоящее изобретение будет теперь проиллюстрировано дополнительно на нижеследующем примере.

На одной из типичных нагнетательных скважин, пробуренных на берегу моря, на входе которой наблюдается довольно высокое давление, достигающее приблизительно 68 бар (6,8 МПа), применяется струйный насос, который развивает рабочее давление, составляющее 188 бар (18,8 МПа). Этот насос обеспечивает подачу воды с производительностью в 40 л/мин. Для того, чтобы при этом добиться величины соотношения между количествами воздуха и воды, равного 1:1, применяется эжектор 13, имеющий диаметр горловины 2 мм, в результате

Фиг. 1 применения которого обеспечивается линейная скорость движения воды, составляющая 118 м/с.

Claims (11)

1. Способ получения нефти из нефтяной скважины, включающий подачу аэробных бактерий в нефтяную скважину, введение кислорода или воздуха в эту скважину посредством последовательно установленных струйного насоса и эжектора, причем в качестве рабочей среды используют воду.

2. Способ по п.1, при осуществлении которого в качестве указанной воды используют морскую воду.

3. Способ по п.1 или 2, при осуществлении которого создаваемое указанным насосом давление составляет от 2 до 700 бар (0,2-70 МПа).

4. Способ по любому из пп.1-3, при осуществлении которого давление нагнетания составляет от 0,9 до 350 бар (0,09-35 МПа).

5. Способ по любому из пп.1-4, при осуществлении которого соотношение между количеством воздуха и воды после нагнетания в пласт, выраженное при нормальных условиях в литрах воздуха к литрам воды составляет от 0,03:1 до 6:1.

6. Устройство для осуществления способа по пп.1-5, содержащее последовательно установленные струйный насос и эжектор, причем струйный насос служит для подвода воды к эжектору, а эжектор для ввода в воду кислорода или воздуха.

7. Устройство по п.6, в котором указанный струйный насос представляет собой насос высокого давления.

8. Устройство по п.6 или 7, включающее обводной трубопровод для перепускания воды в обход эжектора, причем указанный перепускной трубопровод снабжен перепускным клапаном.

9. Устройство по любому из пп.6-8, в котором указанным источником кислорода является воздухопровод, причем в этом воздухопроводе имеется регулирующий клапан.

10. Устройство по п.9, в котором в воздухопроводе имеется обратный клапан.

11. Устройство по любому из пп.6-10, в котором указанный эжектор оборудован обратным клапаном, который закрывается при внутреннем давлении, превышающем 0,9 бар (0,09 МПа).