NO319021B1 - Fremgangsmate for assistert utvinning av petroleumfluider i et undergrunnsfelt - Google Patents

Description

FREMGANGSMÅTE FOR ASSISTERT UTVINNING AV PETROLEUMSFLUIDER I ET UNDERGRUNNSFELT

Foreliggende oppfinnelse angår en forbedret fremgangsmåte for utvinning av petroleumsfluider i et undergrunnsreservoar, som muliggjør forbedring av avsøkings-ytelsen, og nærmere bestemt forbedring av en utvinningsteknikk.

Utvinningsmetoder av primær eller sekundær type som er godt kjent av spesialister kan brukes for bedre å fortrenge petroleumsfluider mot produksjonsbrønner. Utvinningen betegnes primær når det brukes in situ-energien. Ekspansjonen av fluidene som opprinnelig er under høyt trykk i reservoaret tillater utvinning av en del av oljen på stedet. På dette stadium kan trykket i reservoaret falle under kokepunktet og det oppstår en gassfase som bidrar til å øke utvinningsfor-holdet.

Utvinningsmetoder av sekundær type brukes heller for å unngå en for stor trykkreduksjon i reservoaret. Prinsippet består i å fortrenge petroleumsfluidene v.h.a. en energitil-førsel utenfor reservoaret. Fluider injiseres i reservoaret gjennom én eller flere injeksjonsbrønner og de fortrengte petroleumsfluider utvinnes v.h.a. produksjonsbrønner.

Vann kan brukes som et fortrengningsfluid, men det har en begrenset ytelse. En stor del av oljen forblir på stedet særlig fordi dens viskositet ofte er mye høyere enn vannets viskositet. Dessuten forblir oljen ofte innesperret av porenes innsnevringer p.g.a. den store grenseflatespenning mellom oljen og vannet. Fordi reservoaret ofte er uensartet, avsøker vannet lett de mest gjennomtrengelige soner mens det omgår de andre, hvilket gir et stort utvinningstap.

Det er også kjent å injisere trykksatt gass som trenger igjennom porene i bergarten og fortrenger en stor mengde av oljen på stedet. Sågar hvis vann først er blitt injisert i reservoaret, hvilket ofte er tilfellet, har gassen en velkjent egenskap av å fortrenge en ytterligere mengde olje som kan være vesentlig.

En særlig ulempe ved denne utvinningsteknikk som an-vender gass er at gassen er mye mindre viskøs i forhold til oljen som skal fortrenges og i forhold til vannet som evt. er på stedet. P.g.a. dens høye bevegelighet, strømmer gassen gjennom reservoaret ved kun å følge noen mest gjennomtrengelige kanaler som når produksjonsbrønnen/-brønnene uten å fortrenge en stor mengde olje.

Hvis reservoaret ikke er homogent og omfatter lag eller kjerner med forskjellig gjennomtrengelighet, blir denne virkning enda mer fremtredende, og gassen som omgår de minst gjennomtrengelige soner når produksjonsbrønnene enda hurtige-re. Når gassen derved bryter igjennom for tidlig uten å ha den forventede fortrengningsvirkning, mister den hele sin ytelse. Følgelig har den ikke lenger noen praktisk virkning for fortsatt injeksjon.

Det er også velkjent å kombinere de to teknikker i henhold til en fremgangsmåte som betegnes WAG-metoden. Vann og gass blir injisert suksessivt og denne sekvens gjentas ved å veksle vannpluggene og gasspluggene så lenge olje produseres under gode økonomiske forhold. Denne kombinerte injeksjons-metode frembringer bedre resultater fordi bevegeligheten til gassen i hver plugg, idet sistnevnte er mer effektiv enn vann i nivå med porene, blir relativt redusert ved nærværet av vannpluggen foran den. Som en følge av pluggenes reduserte volum i forhold til den avstand de må dekke og til reservo-arets uensartethet, har imidlertid ikke ytelsen til den makroskopiske avsøking lang varighet.

Det er også velkjent å forbedre ytelsen til disse kombinerte injeksjoner ved å tilsette vannet surfaktanter som reduserer vann/olje-grenseflatespenningen.

Skummet som dannes under nærvær av gassen har den virkning at det reduserer bevegeligheten til gassen og fingeringene.

Fortykningsmidler kan også tilsettes vannet for å øke dets viskositet, og derfor dets ytelse i forhold til oljen, men i dette tilfelle er bevegelighetsforholdet av vannet i forhold til gassen enda mer ugunstig.

Forskjellige teknikker som er ment å forbedre reservoar-avsøkingsytelsen er beskrevet f.eks. i patentene US-A-4768592 eller 3817331.

Formålet med foreliggende oppfinnelse er å muliggjøre fortrengning av petroleumsfluider i et reservoar ved vekslende injeksjoner av vannplugger og gassplugger, på en måte som reduserer de ovenfor omtalte ulemper som hefter ved de kjente, vekslende pluggfortrengningsmetoder. Dette oppnås ifølge oppfinnelsen ved en fremgangsmåte som angitt i de etterfølgende krav.

Fremgangsmåten ifølge foreliggende oppfinnelse muliggjør således fortrengning av petroleumsfluider ut av et undergrunnsreservoar v.h.a. suksessive injeksjoner, gjennom én eller flere injeksjonsbrønner, av plugger av et fuktefluid såsom vann og av gassplugger, samt utvinning av petroleumsfluidene som er fortrengt av fuktefluidet og gassen

•som er injisert v.h.a. én eller flere produksjonsbrønner.

Den er karakterisert ved at en mengde av substanser som er tilstrekkelig til å gjøre spredningskoeffisienten negativ tilsettes minst én plugg av den injiserte fuktevæske.

Fremgangsmåten kan utøves ved å tilsette fuktevæsken f.eks. en bestemt mengde alkohol. Avhengig av trykk- og temperaturforholdene i reservoaret som skal avsøkes, kan andelen av alkohol tilsatt fuktevæsken f.eks. strekke seg fra 1 til 5 vektprosent. Det velges f.eks. en alkohol med lav molekylvekt, tilhørende isobutyl- eller isoamylalkohol-klassen.

Fremgangsmåten kan utøves ved f.eks. å tilsette fuktevæsken en substans som er i stand til å senke grenseflatespenningen mellom væsken og gassen, valgt f.eks. fra de lette polare sammensetninger såsom aminer, fluorinerte produkter eller lette syrer.

Ved å gjøre spredningskoeffisienten negativ, vil petroleumsfluidet som skal fortrenges adskilles lettere fra fuktevæsken som beskrevet i det følgende, og det kan derved redusere gassens bevegelighet. Inngangsprofilen blir derved bedre styrt og det kan anvendes et høyere og derfor mer effektivt injeksjonstrykk.

Andre egenskaper og fortrinn ved fremgangsmåten ifølge oppfinnelsen vil fremgå ved å lese følgende beskrivelse av utføringsformer gitt v.h.a. ikke-begrensende eksempler, med henvisning til de medfølgende tegninger hvor: Figur 1 viser skjematisk et eksempel på relativ beliggenhet av grenseflatene mellom olje 0, vann W og gass G i kontakt med veggen til en pore, Figur 2 viser skjematisk hvordan oljen sprer seg på vannet for væting av veggen til en pore innen rammen av en konvensjonell avsøkingsmetode under anvendelse av vekslende vann- og gassplugger, Figur 3 viser skjematisk virkningen frembragt på oljen, under de samme avsøkingsforhold, ved tilsetning av substanser rettet mot adskillelse av oljen fra vannfilmen som fukter poreveggen, og Figur 4 viser sammenlikninger av prosentandeler petroleumsfluider som er utvunnet v.h.a. den konvensjonelle fremgangsmåte og fremgangsmåten ifølge oppfinnelsen.

I likhet med de kjente WAG-avsøkingsmetoder, omfatter fremgangsmåten ifølge oppfinnelsen injeksjon av suksessive plugger av en fuktevæske såsom vann og av gass inn i en formasjon som inneholder olje.

Den foreslåtte forbedring er basert på et fenomen som finnes i en mikroskopisk målestokk i porene til det porøse medium som utgjør reservoarene.

Når vann- og gassplugger injiseres suksessivt i bergarter som inneholder olje, blir de to injiserte fluider bragt sammen i det minste i en del av porene. Formen og eksi-stensen av grenseflatene som adskiller disse fluider to og to {Fig. 1) er beskrevet ved en størrelse kalt spredning. Verdien av spredningskoeffisienten S som uttrykker likevekten mellom de forskjellige krefter som virker ved det evt. kontaktpunkt mellom de tre fluider er uttrykt ved forholdet:

Ywg er grenseflatespenningen mellom vannet og gassen ywo er grenseflatespenningen mellom vannet og oljen, og

Yog er grenseflatespenningen mellom oljen og gassen.

Når en studerer oppførselen til tre fluider: vann, olje og gass som samtidig er tilstede i et kapillarrør (som kan fuktes med vann), kan det observeres at vannet danner en film på veggene og, hvis spredningskoeffisienten S er positiv, spres oljen på vannet i form av en annen film overlagret på den første. I den sentrale kanal kan gassen sirkulere fritt.

I motsatt tilfelle (S < 0), kan det observeres at oljen danner menisker over kapillærrøret, slik at gassen deles i like mange små lommer som er mye mindre bevegelige enn den kontinuerlige gassfase i det foregående tilfelle og som mer effektivt kan virke til å tvinge oljen ut av kapillærrøret.

Ideen som fremgangsmåten ifølge oppfinnelsen er basert på består i å anvende denne egenskap ved avsøking av et undergrunnsreservoar som inneholder hydrokarboner i den hensikt å drive oljen ut av porene i de porøse bergarter.

Den utøves ved å utføre vekslende injeksjoner av en gass og av en væske i henhold til en kjent metode, men ved i dette øyemed å bruke en fuktevæske {som f.eks. vann) hvis spred-ningskoef f isient gjøres tilstrekkelig negativ til at oljen inntar dråpeform i dens nærvær.

Ved å redusere gassens bevegelighet i en mikroskopisk målestokk, gjennom dannelse av en stor mengde oljemenisker, blir gassens sirkulasjon stabilisert og sågar blokkert opp til et bestemt trykk.

For å gjøre denne spredningskoeffisient negativ, blir det f.eks. tilsatt alkohol i tilstrekkelige mengder. Alt etter omstendighetene blir en alkohol-andel på 1 til 5 vektprosent tilsatt vannet i de injiserte plugger.

Fortrinnsvis velges en alkohol med lav molekylvekt, tilhørende f.eks. isobutyl- eller isoamyl-alkoholklassen.

Alkohol-andelen er her gitt som ikke-begrensende eksempel. Den tilsatte andel skal imidlertid ikke senke vann/- olje-grenseflatespenningen for mye til det punkt hvor spredningskoeffisienten gis tilbake en positiv verdi.

Substansen som skal tilsettes fuktevæsken må også velges som en funksjon av dens egen saltholdighet og denne må i noen tilfeller justeres for å unngå uforeneligheter med vannet som er tilstede i reservoaret.

Når porene i en bergart gjennomkrysses av vekslende plugger av vann W og gass G, i henhold til den konvensjonelle metode, vil fuktefluidet, f.eks. vann, danne en film som dekker veggene P. Oljen vil, p.g.a. sin positive spred-ningskoef f isient S, utspres og danne en film overlagret på den første (Fig. 2), mens den sentrale del av poren etter-lates åpen for sirkulasjon av gassen G. Gassen kan derved lett trenge igjennom og strømme igjennom vannpluggen som er mer viskøs. Fortrinnet ved den konvensjonelle WAG-metode hva angår stabiliseringen av gassen går følgelig hurtig tapt.

Fordi gassen sirkulerer uten hindring, kan dessuten dens lokale trykk ikke være særlig høyt. Fordi dens metning forblir lav, forblir en stor andel av olje på stedet. En økning av injeksjonstrykk i den hensikt å øke gassens lokale trykk har generelt bare den virkning at dens volumstrøm økes uten økning av dens oljemedbringende kapasitet.

I poren som er skissert i Figur 3, blir oljen 0, i mot-setning til dette, forhindret fra å utspres av substansene tilsatt fuktefluidet {i dette tilfelle vann) som gjør spred-ningskoef f isienten S vesentlig negativ. Den utspres ikke lenger på vannfilmen W som tidligere, men den forblir adskilt fra denne, slik at det dannes dråper i form av menisker over poren, som splitter gassfasen som injiseres etter vannpluggen .

Porene i et porøst medium består generelt av en rekke konvergente deler og divergente deler. Derfor kan olje-meniskene som skyves av gassen blokkeres av porenes innsnevringer når kapillærtrykket ikke er tilstrekkelig. For å bryte igjennom blokkeringen må trykket økes og tilsvarende kan et trykk som påføres det hele opprettholdes ved et ganske høyt nivå.

Trykket som hersker i porene etter at de er blokkert av en oljemenisk er gitt ved Laplace1 s lov P=2yog/r proporsjonalt med grenseflatespenningen mellom oljen og gassen yog og om-vendt proporsjonal med innsnevringens radius r. Det totale trykk som den avsøkte sonen kan motstå er proporsjonal med antallet av disse menisker og det kan derfor være svært høyt. Av dette følger at: - i forhold til den konvensjonelle WAG-avsøkingsmetode er gass-sirkulasjonen, for et identisk injeksjonstrykk, vesentlig redusert p.g.a. disse blokkeringer i porene. Den injiserte gass sin gjennomtrengning av vannet er vesentlig redusert og derfor er ikke rekkefølgen av fluidene som er karakteristiske for WAG-metoden modifisert. Helheten er beholdt; - blokkeringen av porene kan være slik at injeksjonstrykket ikke er tilstrekkelig til å fortrenge alt av fluidene. En økning av injeksjonstrykk er så mulig uten kritisk å øke gassens strømningshastighet. Et høyt trykk kan opprettholdes i hver gassplugg, og følgelig en vesentlig økning av gassmetningen og en mer effektiv avsøking av oljen som er tilstede.

Innen rammen av eksemplene i det følgende ble det oppnådd to vekslende injeksjoner av vann og gassplugger i et porøst medium v.h.a. den konvensjonelle WAG-avsøkingsmetode og v.h.a. fremgangsmåten ifølge oppfinnelsen.

Det porøse medium var en stav av Vosges sandsten med lengde: 40,5 cm, tverrsnitt: 12 cm<2>, gjennomtrengelighet: 2 Darcy og porøsitet: 19,7%.

Oljen hadde følgende karakteristika: en viskositet på 2,1 cp (2,1 mPa-s) , en overflatespenning på 25,8 mN/m; gassen var nitrogen.

En saltoppløsning med en viskositet på 1,08 (mPa-s) , en overflatespenning på 71,5 mN/m og en spredningskoeffisient S = 5,5 ble brukt til den første testen.

Til den andre testen hadde saltoppløsningen, modifisert ved tilsetning av alkohol, en spredningskoeffisient S = -4,1, en viskositet på 1,08 (mPa-s) og en overflatespenning på 43,8 mN/m.

A) Eksperimentbeskrivelse

1) Foreløpig klargjøring av fluidene v.h.a. følgende

trinn:

a) innledende metning av saltoppløsning; b) fortrengning av saltoppiøsningen v.h.a. oljen; c) endring til restolje ved injeksjon av saltoppløsning.

Faselikevekt: 27,7% olje, 3% gass, 69,3% saltoppløsning. 2) For en spredningskoeffisient S = 5,5 og S = -4,1 blir deretter følgende trinn utført: a) vekslende injeksjon av 5 gassplugger (10 cm<3>) ved lavt- trykk - 60 mB (- 6 kPa) og av 5 saltoppløsningsplugger

(20 cm<3>) med en pumpe med en volumstrøm på 10 cm<3> pr. time, d.v.s. totalt 1,5 VP med fluid, og

b) utvinning av effluentene, som en funksjon av tid, v.h.a. målere for positiv fortrengning, idet trykket måles

v.h.a. trykkdetektorer.

B) Resultater

Det fremgår av Figur 4 og i tabellen ovenfor at injeksjonstrykket for vann, for en negativ spredningskoeffisient S, er høyere enn når den er positiv (43,5 kPa i stedet for 2 9,5 kPa), hvilket forklares ved det faktum at oljen, som anført ovenfor, danner menisker og et høyere trykk er derfor nødvendig for å bringe dem til å strømme gjennom porenes innsnevringer. Oljen som sirkulerer i form av menisker fortrenges bedre i det porøse medium og utvinning forbedres når den strømmer ut: 4% gevinst etter injeksjonen av fem vannplugger.

Andre tester viste at gassens injeksjonstrykk ikke skal være for høyt fordi gassen, ved å danne en kanal, lykkes i å oppnå berøringer i vannpluggene. Oljen utvinnes trinnvis når S < 0. Det er ingen oljeproduksjon når de første gassplugger injiseres, mens produksjonen i motsatt tilfelle er kontinu-erlig uansett beskaffenheten til den injiserte plugg.

Fremgangsmåten kan anvendes på andre produkter anbragt i vann, som er i stand til å senke grenseflatespenningen mellom vannet og gassen som en funksjon av trykk- og temperaturforholdene i reservoaret som skal avsøkes. Det kan anføres mange produkter som har god løselighet i vann og som er lette polare sammensetninger: aminer, fluorinerte produkter, lette syrer. Beskaffenheten til produktet som brukes vil også avhenge av saltholdigheten til det injiserte vann, som i noen tilfeller må justeres for å unngå uforenligheter med vannet som er tilstede i reservoaret.

Claims (6)

1. Fremgangsmåte for fortrengning av petroleumsfluider ut av et undergrunnsreservoar v.h.a. suksessive injeksjoner, gjennom én eller flere injeksjonsbrønner, av plugger av et fuktefluid såsom vann og av gassplugger, samt utvinning, gjennom én eller flere produksjonsbrønner, av petroleumsfluidene som er fortrengt av fuktefluidet og gassen som er injisert, karakterisert ved at en mengde av substanser som er tilstrekkelig til å gjøre sprednings-koef f isienten (S) negativ tilsettes minst én plugg av injisert fuktevæske.

2. Fremgangsmåte ifølge krav lkarakterisert ved at en bestemt mengde alkohol tilsettes fuktevæsken for å gjøre spredningskoeffisienten (S) negativ.

3. Fremgangsmåte ifølge krav 2karakterisert ved at andelen av alkohol som tilsettes fuktevæsken strekker seg fra 1 til 5 vektprosent, som en funksjon av trykk- og temperaturforholdene til reservoaret som skal avsøkes.

4. Fremgangsmåte ifølge et av de foregående krav karakterisert ved at den valgte substans er en alkohol med lav molekylvekt tilhørende isobutyl- eller isoamylalkohol-klassen.

5. Fremgangsmåte ifølge krav lkarakterisert ved at en substans som er i stand til å senke grenseflatespenningen mellom fuktevæsken og gassen tilsettes fuktevæsken.

6. Fremgangsmåte ifølge krav lkarakterisert ved at substansen som tilsettes fuktevæsken er valgt fra de lette polare sammensetninger såsom aminer, fluorinerte produkter eller lette syrer.