專利名稱:就地蒸汽驅(qū)采油方法
本發(fā)明通過(guò)傳導(dǎo)加熱就地蒸汽驅(qū)，從地下油藏采油的方法，更具體地說(shuō)，本發(fā)明涉及下述地下油藏的處理，此類油藏孔隙度較高，含有大量油和水，但滲透性極低以致對(duì)于注入諸如水，蒸汽，熱氣體或油混溶性溶劑驅(qū)替流體的反應(yīng)是幾乎無(wú)流體產(chǎn)出。
貝爾瑞基(Belridge)油田(美國(guó))的一些硅藻土/棕(Diatomife/Brown)頁(yè)巖地層便是此類油藏的典型代表。這些地層的特點(diǎn)是深度大于60米，厚度大約300米，孔隙度大約50%，油飽和度大約40%，油的API重度約為30度，水飽和度大約為60%，盡管在地層內(nèi)部存在著天然裂縫，但滲透率小于1毫達(dá)西。發(fā)現(xiàn)這些地層，在一次采油過(guò)程中，采出量占地層含油量的比例甚低，比如僅為5%或更低一些。并且它們對(duì)常規(guī)的二次或三次采油過(guò)程基本上沒(méi)有什么反應(yīng)。一些出版物，比如1982年3月在舊金山發(fā)表的SPE10773號(hào)論文，“貝爾瑞基-硅藻土油田產(chǎn)量遞減的原因巖石力學(xué)的考察”將此類采油問(wèn)題進(jìn)行了典型化的歸納。這篇文章是為了解釋油產(chǎn)量迅速遞減而進(jìn)行的一項(xiàng)研究。1982年9月在新奧爾良發(fā)表的SPE10966號(hào)論文，“加里福尼亞南貝爾瑞基油田硅藻土地層壓裂結(jié)果”也討論了此生產(chǎn)遞減問(wèn)題。文章指出，在所遇到的條件范圍內(nèi)有代表性的計(jì)算的生產(chǎn)曲線說(shuō)明累積采油量大約只為原始地質(zhì)儲(chǔ)量的1-14%。
由地下油頁(yè)巖用傳熱驅(qū)動(dòng)方式采油是在瑞典由F·姜斯托姆(Ljung stroem)發(fā)明的。這個(gè)方法在瑞典專利121737，123136，123137，123138，125712和126674號(hào)，美國(guó)專利2732195號(hào)以及雜志上的一些文章，比如IVA1953年第24卷，第3期118～123頁(yè)上的“按姜斯托姆方法對(duì)頁(yè)巖油進(jìn)行地下高溫裂解”以及發(fā)表在油頁(yè)巖會(huì)議論文集第11卷311～330頁(yè)(1978)的“就地介電加熱由頁(yè)巖可獲取的凈增能源”文章上都有所描述(此方法是在40年代發(fā)明的，在50年代曾有小規(guī)模的工業(yè)性應(yīng)用)。該方法中，注熱井和溶體采出井均完井于接近地面的同一可滲透油頁(yè)巖地層，且井眼之間的間隙小于三米。注熱井裝備有電加熱或其它加熱元件，元件周圍充填許多材料(比如砂或水泥)使之能將熱量傳傳遞給油頁(yè)巖，同時(shí)又可防止流體的任何流入或流出。針對(duì)有地下水連續(xù)流入的油頁(yè)巖設(shè)計(jì)和試驗(yàn)此方法時(shí)，就需要把水連續(xù)泵出，以避免能量不必要地?fù)p耗于蒸發(fā)地下水。
美國(guó)3113623號(hào)專利描述了加熱地層而便于烴類開(kāi)采的方法，該方法應(yīng)用一個(gè)反向流動(dòng)型燃燒器，燃料通過(guò)一個(gè)氣體可滲管系流入燃燒器，以使地層整個(gè)狹長(zhǎng)段都能引起燃燒。
對(duì)于那些實(shí)際上完全不可滲透，相對(duì)比較深和比較厚，且可能產(chǎn)油的沉積，如瀝青砂或油頁(yè)巖沉積來(lái)說(shuō)(比如美國(guó)Piceance盆地中的這種沉積)，應(yīng)用傳熱過(guò)程采油，根據(jù)以前的學(xué)說(shuō)和看法在經(jīng)濟(jì)上肯定是不可行的。比如，在上述的油頁(yè)巖會(huì)議文集中姜斯托姆方法被描述為這樣一個(gè)方法，“……通過(guò)在高品位的頁(yè)巖沉積中嵌入管式電熱元件可成功地采出頁(yè)巖油。”這個(gè)方法依賴于通常的熱擴(kuò)散對(duì)頁(yè)巖加熱，顯然，熱擴(kuò)散要求高的溫度梯度，因此加熱十分不均勻;使房間那樣大小的頁(yè)巖塊完全干餾所需要幾個(gè)月的時(shí)間。并且，因干餾帶邊緣之外頁(yè)巖區(qū)域加熱不足，最靠近熱源處的頁(yè)巖又過(guò)熱了而浪費(fèi)了大量的熱能。后一個(gè)問(wèn)題對(duì)于西部頁(yè)巖尤為重要，因?yàn)楦哂诖蠹s600℃時(shí)發(fā)生吸熱反應(yīng)，在過(guò)熱區(qū)的熱能就不能通過(guò)擴(kuò)散作用而完全回收(313頁(yè))。
在基本不可滲透的地層中，造成和保持加熱了的油或高溫度裂解產(chǎn)物可通過(guò)其而流動(dòng)的可滲透帶，是一個(gè)艱難的任務(wù)。美國(guó)3468376號(hào)專利中曾敘及(第1和2欄中)“通過(guò)油頁(yè)巖傳熱存在兩個(gè)機(jī)理，即通過(guò)傳導(dǎo)作用而產(chǎn)生的油頁(yè)巖固體基質(zhì)中的熱量傳遞以及通過(guò)對(duì)流作用進(jìn)行的上述熱量傳遞。傳導(dǎo)傳熱是一個(gè)比較緩慢的過(guò)程。油頁(yè)巖的平均熱傳導(dǎo)系數(shù)和平均熱擴(kuò)散系數(shù)與耐火磚的相近。油頁(yè)巖固體基質(zhì)的滲透率極低，與未上釉的瓷器十分類似。因而，對(duì)流傳熱僅局限于在貫穿油頁(yè)巖的連通通道內(nèi)流動(dòng)著著流體所產(chǎn)生的加熱作用。這些流動(dòng)通道可以是天然裂縫和人工誘導(dǎo)裂縫?！谑軣釙r(shí)，緊鄰?fù)ǖ捞幮纬梢桓邷亓呀獾挠晚?yè)巖層帶。這個(gè)層是無(wú)機(jī)礦物基質(zhì)，含有不同程度的碳。這個(gè)層對(duì)于來(lái)自通道中加熱流體的熱流而言，是一個(gè)不斷擴(kuò)大的屏障”。這個(gè)專利涉及通過(guò)流動(dòng)通道循環(huán)加熱油頁(yè)巖-高溫裂解流體，同時(shí)向循環(huán)流體中加入摩料顆粒以沖蝕緊鄰?fù)ǖ佬纬傻母邷亓呀庥晚?yè)巖層。美國(guó)3284281號(hào)專利談及(第一欄3～21行)“試圖用各種方法加熱頁(yè)巖，比如…電阻加熱器……，從油頁(yè)巖中采油幾乎都沒(méi)有成功。在采用層內(nèi)燃燒或其他方法加熱以前對(duì)油頁(yè)巖的壓裂處理，也很少成功，這是由于隨加熱而發(fā)生的頁(yè)巖膨脹，導(dǎo)致了裂縫的部分或完全閉合?！痹搶＠麛⑹隽艘环N順次式方法，包括加熱(從而膨脹)油頁(yè)巖，然后注入流體對(duì)膨脹了的頁(yè)巖進(jìn)行水力壓裂，再重復(fù)這些步驟直到將一個(gè)熱穩(wěn)定的裂縫擴(kuò)展到生產(chǎn)井為止。美國(guó)3455391號(hào)專利揭示地層中水力誘導(dǎo)裂縫多為垂直裂縫，可使熱流體通過(guò)垂直裂縫流動(dòng)，使巖石熱膨脹并使裂縫閉合，因而可在足以形成水平裂縫的壓力下注入流體。
本發(fā)明目的在于提供一個(gè)改進(jìn)的方法，該方法是加熱高度不可滲透的地下油藏，然后從油藏中采出石油。根據(jù)本發(fā)明，至少兩口井要完井到處理層段，該層段在油藏的含油水帶內(nèi)至少有大約30米的厚度，此油藏對(duì)注入的驅(qū)油流體而言，具有不利的不可滲透性和不可生產(chǎn)性。井的安排應(yīng)使注熱井和流體產(chǎn)出井中至少有一口基本貫穿整個(gè)處理層段，井眼基本平行，并由至少大約6米的基本相等的距離隔開(kāi)。對(duì)于基本貫穿處理層段的每口注熱井，為了防止流體在井眼和油藏之間的流動(dòng)，油層面要用熱傳導(dǎo)性相對(duì)較好，流體基本不可滲透的固體材料或水泥密封。在基本貫穿處理層段的每口流體采出井中，在井眼和油層之間要使流體連通，以使這些井能從油層中生產(chǎn)流體。在每口至少基本貫穿整個(gè)處理層段的注熱井內(nèi)部以一個(gè)速度或幾個(gè)速度加熱，其加熱速度要能夠(a)使井眼內(nèi)部的溫度至少增加到大約600℃，和(b)保持井眼內(nèi)部溫度至少大約600℃，但不要使溫度高到井內(nèi)的裝備熱損壞的程度，同時(shí)要使井眼向外傳熱的速度不要明顯地高于油層熱傳導(dǎo)本身所允許的速度。
現(xiàn)在參照附圖對(duì)本發(fā)明進(jìn)行較詳細(xì)的解釋，其中圖1是在本過(guò)程的一個(gè)典型階段時(shí)注熱井周圍溫度分布的示意圖。
圖2類似地說(shuō)明了在過(guò)程的不同階段的溫度分布，過(guò)程的時(shí)間t以年來(lái)表示。
圖3是每口注熱井采油速度P(桶/天)與時(shí)間t(年)的關(guān)系曲線。
圖4為過(guò)程的時(shí)間t(年)隨井距Dw(米)而變化的曲線。
圖5為熱需求量(千焦耳/桶油)隨過(guò)程所需時(shí)間(年)而變化的關(guān)系曲線。
圖6和7示出了含有不同滲透率層的油藏層段模擬熱傳導(dǎo)過(guò)程得出的采油量與時(shí)間的關(guān)系曲線。
本發(fā)明至少部分上是以下面的發(fā)現(xiàn)做為前提，即按照本發(fā)明規(guī)定的方式處理本發(fā)明所指定類型的油藏時(shí)，處理過(guò)程的功能發(fā)揮?？磥?lái)涉及到如下的機(jī)理。
注入的熱量?jī)H僅通過(guò)傳導(dǎo)滲入到地層。然而，當(dāng)?shù)貙訙囟壬?，比如說(shuō)升高到250～300℃，水和烴都會(huì)形成蒸汽，由于這些流體的膨脹產(chǎn)生高的壓力。在產(chǎn)生的這個(gè)壓力梯度作用下，流體或者在低的天然滲透率所允許的低速下流向生產(chǎn)井，或者當(dāng)孔隙壓力接近上覆壓力時(shí)通過(guò)產(chǎn)生的，或因延伸作用而相互連通的裂縫流向生產(chǎn)井。
在水蒸汽和烴蒸汽向生產(chǎn)井移動(dòng)時(shí)，兩者將在地層較冷的部位凝析，而釋放的潛熱使地層預(yù)熱至所謂“蒸汽”溫度，該溫度大約等于上覆壓力下濕蒸汽的溫度。某些熱量便是這樣通過(guò)對(duì)流傳遞的，因而較之全部熱量?jī)H由傳導(dǎo)傳遞的情況而言，大大加速了過(guò)程。
這樣的水蒸汽和烴類蒸汽產(chǎn)生、加壓并通過(guò)油藏含油部位的驅(qū)潛過(guò)程就是就地產(chǎn)生的蒸汽驅(qū)。這種驅(qū)替具有許多所謂“蒸汽蒸餾驅(qū)替”的特點(diǎn)，后者曾由B.T.威爾曼(Willman)，V.V.瓦勒洛依(Walleroy)，G.W.倫博格(Runherg)，A.J.科納留斯(Cornelius)和L.W.泡渥斯(Powers)在美國(guó)礦冶工程師學(xué)會(huì)(AIME)會(huì)刊，1961年7月份，681頁(yè)發(fā)表的“注蒸汽采油的室內(nèi)研究”一文中進(jìn)行過(guò)描述。因此，在蒸汽蒸餾驅(qū)中發(fā)現(xiàn)的許多現(xiàn)象預(yù)計(jì)在本過(guò)程中也可能發(fā)生，特別是關(guān)于烴類凝析物與地層較冷部分原始油的混合問(wèn)題。該烴類凝析物比原始油易于揮發(fā)，且粘度較低。當(dāng)汽化前緣到達(dá)原始油已被烴凝析物稀釋的部位時(shí)，形成的稀釋油的加壓蒸汽蒸餾作用與原始油本身加熱到相同溫度和壓力相比，可使更多的油餾分汽化。這個(gè)機(jī)理可提高本過(guò)程提出的就地產(chǎn)生蒸汽驅(qū)的驅(qū)替效率，使之超過(guò)自原始原油簡(jiǎn)單蒸汽蒸餾的結(jié)果。
此外，申請(qǐng)人現(xiàn)在已發(fā)現(xiàn)在某些情況下應(yīng)用如下步驟是有優(yōu)越性的。在油藏和加熱器所在的井眼部分之間形成流體不可滲透屏障的最佳方法是把加熱器安裝在底部密封的套管或油管管柱內(nèi)，套管或管柱周圍環(huán)繞以熱穩(wěn)定和導(dǎo)熱的物質(zhì)，比如水泥。注熱井內(nèi)產(chǎn)生熱量的最適宜速度是每米每小時(shí)大約1200至2400千焦耳，或在電加熱時(shí)，電阻加熱器應(yīng)為每米大約330至660瓦。通常適用速度的實(shí)例，是每米自264至726瓦或以千焦耳表示的相應(yīng)速度。在井眼內(nèi)流體壓力相對(duì)低時(shí)井眼周圍有經(jīng)受擠壓和塌落趨勢(shì)的油層中(比如硅藻土/棕頁(yè)巖層)，流體采出井中的流體壓力應(yīng)該保持足夠高以防止擠壓。在這種情況下注熱井最好持續(xù)加熱直到把流體驅(qū)入至少一口流體采出井時(shí)為止。流體從每口流體采出井(亦即流體向其中驅(qū)入的井)的流出量最好限制在一定的程度，亦即為使井內(nèi)流體壓力得以增加到足以阻止相鄰地層發(fā)生明顯擠壓而必須的限度。一般說(shuō)來(lái)，井眼內(nèi)流體壓力的這種增加，應(yīng)使油層流體壓力增加至超過(guò)相鄰地層天然流體壓力7至14巴。在注熱井產(chǎn)生的氣體壓力(蒸汽、甲烷等等)保持著高的孔隙壓力并能防止擠壓。在硅藻土地層中當(dāng)有效壓力超過(guò)大約35巴時(shí)，不管溫度如何都可能發(fā)生擠壓，比如說(shuō)，當(dāng)上覆壓力減掉油層內(nèi)流體壓力，即有效應(yīng)力為大約35巴或更高一些時(shí)，該地層就會(huì)出現(xiàn)擠壓。
因此，盡管本發(fā)明并不依賴于在任何具體的機(jī)理，但它的功能發(fā)揮至少在關(guān)鍵問(wèn)題方面包括了蒸汽蒸餾驅(qū)替過(guò)程，且蒸汽是由從很熱的注入井中傳導(dǎo)來(lái)的熱就地產(chǎn)生的。
圖1示意地說(shuō)明了本過(guò)程的一個(gè)典型階段中注熱井周圍油層的溫度分布。且假定熱為徑向流動(dòng)，故地層溫度僅僅是距注熱井中心距離γ的函數(shù)。
圖1中的帶Ⅰ，它位于井筒半徑(γw)和汽化前緣(γb)之間，其中所有的水都汽化了。從實(shí)用意義上來(lái)講熱量?jī)H僅是靠傳導(dǎo)流動(dòng)的。熱呈經(jīng)向?qū)ΨQ的傳導(dǎo)式流動(dòng)通常在極其大的范圍內(nèi)使溫度隨γ的對(duì)數(shù)呈線性變化。上述事實(shí)可等價(jià)地描述為Ⅰ內(nèi)溫度分布可由微分方程的穩(wěn)態(tài)解予以精確地描述。
在帶Ⅰ的孔隙體積內(nèi)含有少量的液體或固體的重?zé)N殘?jiān)?。這些殘?jiān)徽荚嫉刭|(zhì)儲(chǔ)油量的很少一部分，是由原油內(nèi)通過(guò)蒸汽蒸餾不可汽化的那部分重?zé)N組分組成的。在帶Ⅰ內(nèi)的主要溫度下(例如，300～800℃)這些烴類發(fā)生裂解，并形成焦炭和輕烴氣體，這些氣體將驅(qū)替大部分原來(lái)存在的蒸汽。由于這個(gè)原因我們假定在帶Ⅰ內(nèi)未被重?zé)N占據(jù)的孔隙空間充滿著甲烷，換言之，帶Ⅰ內(nèi)不存在任何形式的水份。
圖1中假定位于汽化前緣(γb)和凝析前緣(γf)的帶Ⅱ的溫度是固定的。這個(gè)帶與常規(guī)蒸汽驅(qū)中的蒸汽帶相當(dāng)。在帶Ⅱ內(nèi)假定其壓力數(shù)值等于上覆蓋壓力，且溫度等于這個(gè)壓力下的蒸汽溫度。作為這個(gè)假設(shè)的理論基礎(chǔ)就是硅藻土/棕頁(yè)巖地層的滲透率在許多地方是如此之低，以至于為了提供水和烴類蒸汽的流動(dòng)通道，壓力可能不得不升到破裂壓力。
在本過(guò)程中與蒸汽驅(qū)一樣，予計(jì)大部分油的驅(qū)替，包括油的蒸汽蒸餾都可能發(fā)生在凝析前緣(γf)附近。因此，我們將假設(shè)帶Ⅱ內(nèi)的孔隙空間將由水和蒸汽充填，其飽和變SⅡW相應(yīng)于原始水飽和度，并含有飽和度為SⅡO的油。
在帶Ⅲ(位于凝析前緣(γf)之外)，孔隙體積內(nèi)包含著基本處于原始溫度和飽和度的地層水和油。
如前所述，與大多數(shù)驅(qū)油過(guò)程相反，本過(guò)程的垂向波及效率不是由地層性質(zhì)決定的，而是由加熱器的性質(zhì)決定(至少對(duì)一級(jí)近似而言是如此)。理想而言，從加熱器的頂部到底部注熱速度基本上是相同的，因而注入剖面基本上是均勻的。應(yīng)用電加熱時(shí)，每單位地層厚度注入的熱量為PIH＝i2ν/A，其中i是通過(guò)加熱器的電流，A是斷面積，ν為加熱電線的電阻率。
作為二級(jí)近似，加熱線的電阻率隨溫度而增加。對(duì)應(yīng)于熱傳導(dǎo)性較低地層的那段加熱線會(huì)比對(duì)應(yīng)于熱傳導(dǎo)性較高地層的那一段加熱線更熱些，因而其電阻也更高。這樣，看來(lái)似乎荒謬，但熱傳導(dǎo)性較低的層將能注入稍多的熱量。
在進(jìn)行本過(guò)程的開(kāi)始階段，熱量自井網(wǎng)內(nèi)的注入井徑向地向外流去。這種情況可能延續(xù)到兩個(gè)相鄰的熱帶前緣開(kāi)始重迭為止。從這時(shí)起在兩個(gè)相鄰注入井中間中點(diǎn)處的溫度會(huì)比距加熱井相同距離但在生產(chǎn)井方向上的點(diǎn)的溫度升得更快些(因?yàn)樵撝悬c(diǎn)從兩個(gè)方向上接受熱量)。這樣，我們有了另外一個(gè)似乎荒謬的情況，即在注入井周圍第一次循環(huán)并迅速向外擴(kuò)展之后的等溫線基本彼此相交，這樣就迅速地加熱了相鄰注熱井之間中間地帶。這里正是在驅(qū)油過(guò)程中通常被繞流而放過(guò)的，且造成波及效率降低的位置。
相反，在本過(guò)程中我們可以預(yù)計(jì)到有很高的水平波及效率，因?yàn)橛褪潜粺崽荻闰?qū)替的，而這個(gè)梯度選擇性地指向四周并朝內(nèi)指向生產(chǎn)井。
我們以前曾假設(shè)，在本過(guò)程中象多數(shù)蒸汽驅(qū)一樣，在蒸汽凝析前緣(γf)處驅(qū)油。依據(jù)此種模型，累積采油量應(yīng)與熱帶的大小成正比。由于在本過(guò)程的早期注熱速度比較快(假設(shè)注熱中的溫度恒定)，油層被加熱部分的擴(kuò)大速度也會(huì)比較高，因而采油速度比較大。以后注熱速度降低采油速度也就下降了。
本過(guò)程在開(kāi)始時(shí)多數(shù)油層都接近原始油和水的飽和度。在沒(méi)有氣體的情況下，這就意味著從油層熱帶驅(qū)到冷帶的油不可能明顯地增加初始油飽和度。因此我們可以預(yù)計(jì)由熱帶被驅(qū)替的液體很快地會(huì)使生產(chǎn)中采出油來(lái)，至少對(duì)含氣很少的那些地層是如此。譬如，貝爾瑞基油田的硅藻土/棕頁(yè)巖地層在深度約為360米處，當(dāng)注熱井內(nèi)的溫度維持在約500～700℃，并且井距約為15米時(shí)，在大約兩年內(nèi)就會(huì)有液體驅(qū)到生產(chǎn)井。
采油速度和累積采油量二者都強(qiáng)烈地受到帶Ⅱ通過(guò)后剩余油數(shù)量的影響。初步實(shí)驗(yàn)表明，大約70%(重)的原始油，比如貝爾瑞基硅藻土層的油，是可被蒸汽蒸餾的。但如果烴類凝析物與原來(lái)的油混合(并驅(qū)出一部分)，那么混合物中更多的部分會(huì)發(fā)生汽化，并且有70%以上的油可被采出。不過(guò)在下面討論的數(shù)值實(shí)例中我們還是假定只有60%的采收率。
對(duì)累積采油量可能帶來(lái)消極影響的因素是井網(wǎng)的幾何形態(tài)。井距要格外的密，以便在適當(dāng)短的時(shí)間內(nèi)能夠把地層加熱到過(guò)程所需要的溫度。井距可能最好要小至20米。顯然，這些井的井眼應(yīng)該近乎垂直，或者至少基本相互平行(至少在處理油藏的層段上)，垂直或平行的偏差超過(guò)1米就可能嚴(yán)重地影響水平波及效率，因而影響累積采油量。
熱需求量定義為每采1桶油注入的熱量。從經(jīng)濟(jì)觀點(diǎn)來(lái)看這個(gè)參數(shù)是頭等重要的。使用電阻加熱，產(chǎn)生的熱量是昂貴的，每采1桶的所需電的成本會(huì)很高。本文描述的模型對(duì)于過(guò)程的熱需求量稍微樂(lè)觀些。這是因?yàn)樵谀銮熬壡懊?下游)的熱傳導(dǎo)忽略不計(jì)的緣故。在采用注蒸汽的蒸汽驅(qū)中，作類似的假設(shè)會(huì)更準(zhǔn)確些，因?yàn)檎羝熬壍臄U(kuò)展速度要快很多。而本過(guò)程中所有的前緣移動(dòng)都十分緩慢，會(huì)有大量的熱移動(dòng)到凝析前緣的前面。后面我們將對(duì)這一誤差的大小作估計(jì)。對(duì)頂、底巖石的熱損失也忽略不計(jì)了，但這個(gè)熱損失量與凝析前緣下游的損失量相比是比較小的。
應(yīng)用電加熱時(shí)，加熱電線中電流越大，注熱速度就越高。因而加熱電線的溫度也越高。當(dāng)溫度太高時(shí)加熱線就會(huì)熔化，注熱井會(huì)發(fā)生損壞。
安裝可在溫度高達(dá)1200℃下工作的電熱器是可能的。但我們還是建議對(duì)加熱電線的最高溫度要保持在大約900℃以下，以防止注入井損壞而需要重新鉆井。一般說(shuō)來(lái)，注熱速度要調(diào)節(jié)到使井眼內(nèi)部溫度保持在選定的數(shù)值上，不讓它高到會(huì)使井的設(shè)備損壞的程度，同時(shí)注入的熱量從井傳走的速度不要明顯地快于油層熱傳導(dǎo)所允許的限度。下述方式，十分利于造成上述的加熱速度，即在底部封閉的套管內(nèi)安裝電阻加熱元件使加熱器電阻沿被加熱層段排布的型式和與該層段鄰近的地層的熱傳導(dǎo)率的分布型式相互關(guān)聯(lián)呼應(yīng)，并且以沿層段每米間距約330至660瓦的平均速度開(kāi)動(dòng)這些加熱器件。
下面假想的例子給出了一些比較重要的過(guò)程變量的計(jì)算結(jié)果，它是針對(duì)一套大致能代表貝爾瑞基油田硅藻土/棕頁(yè)巖地層的特定過(guò)程參數(shù)計(jì)算的。這個(gè)計(jì)算結(jié)果評(píng)價(jià)了由表1給出的參數(shù)數(shù)值所表征的一個(gè)平均情況。
表1過(guò)程參數(shù)實(shí)驗(yàn)面積 4.05×106米2h地層厚度 335米CⅠg帶Ⅰ中氣體的比熱 0.6卡/克℃Cm巖石礦物的比熱 0.6卡/克℃CⅠO帶Ⅰ內(nèi)非氣體烴的比熱 0.4卡/克℃CⅡO帶Ⅱ內(nèi)非氣體烴的比熱 0.4卡/克℃CⅡW帶Ⅱ內(nèi)水的比熱 1.0卡/克℃Hs 1克蒸汽的熱含 640卡/克
γw注熱井半徑 10厘米SⅠg帶Ⅰ內(nèi)烴類氣體飽和度 0.9SⅠO帶Ⅰ內(nèi)非氣體烴類飽和度 0.1SⅡO帶Ⅱ內(nèi)非氣體烴類飽和度 0.145Soi初始油飽和度 0.36Ss帶Ⅱ內(nèi)蒸汽飽和度 0.255SⅡW帶Ⅱ內(nèi)水飽和度 0.6To原始油藏溫度 40℃Ts蒸汽溫度 300℃Tw注熱井溫度 800℃φ孔隙度 0.55β地層熱導(dǎo)率溫度關(guān)系系數(shù) 3×10/℃λo在0℃時(shí)λ的數(shù)值 10卡/秒厘米℃
帶Ⅰ內(nèi)烴類氣體密度 0.04克/厘米3ρm巖石礦物密度 2.5克/厘米3
帶Ⅰ內(nèi)非氣體烴類密度 1.0克/厘米3
帶Ⅱ內(nèi)非氣體烴類密度 0.9克/厘米3ρs蒸汽密度 0.04克/厘米3
帶Ⅱ內(nèi)水的密度 0.7克/厘米3圖2示出了圍繞注熱井相應(yīng)于不同凝析前緣位置的γb值所確定的各種溫度分布(由各自的虛線和實(shí)線來(lái)標(biāo)記，如圖1所示)。由圖2表現(xiàn)出來(lái)的一個(gè)明顯特征是只有相對(duì)很少一部分地層被加熱到很高的溫度。比如，在汽化前緣離開(kāi)注熱井15米的時(shí)刻，500℃等溫線從注熱井移動(dòng)開(kāi)大約不超過(guò)3米。圖2進(jìn)一步還說(shuō)明蒸汽帶的尺寸(帶Ⅱ，如圖1所述)仍舊是相當(dāng)小的。鑒于我們忽略了凝析前緣下游地層的熱唅，這一點(diǎn)是特別重要的，在蒸汽前緣前通過(guò)傳導(dǎo)而流動(dòng)的這個(gè)熱量必定需由進(jìn)一步降低蒸汽帶的尺寸來(lái)供應(yīng)。因此，我們可以得出結(jié)論，實(shí)際上只有很少一部分地層處于蒸汽溫度。大部分地層處于或高于(且是干的)或是低于蒸汽溫度。
圖3示出了采油速度P(桶/天)。這里應(yīng)該注意的是這個(gè)“采油量”實(shí)際上就是由注熱井附近驅(qū)出的油量。既然可以預(yù)計(jì)本過(guò)程具有高的波及效率，所以被驅(qū)替的油大部分都可以采出來(lái)。在五點(diǎn)法井網(wǎng)實(shí)例中每口注入井都有一口生產(chǎn)井，因此圖3可以相對(duì)準(zhǔn)確地描述每口生產(chǎn)井的采油情況。由于在采出大多數(shù)油(80%)之前注入井之間很少出現(xiàn)干擾，故情況更是如上所述。
在七點(diǎn)法井網(wǎng)實(shí)例中，當(dāng)生產(chǎn)出大約60%油的時(shí)候相鄰注熱井的熱帶開(kāi)始重迭。另一方面，七點(diǎn)法井網(wǎng)中每口生產(chǎn)井對(duì)應(yīng)兩口注熱井，因此每口生產(chǎn)井的初始采油速度將比五點(diǎn)法井網(wǎng)高一倍。當(dāng)相鄰注入井的熱帶開(kāi)始重迭時(shí)，注熱速度和采油速度都要以較之由徑向模型所得計(jì)算值更快的速度開(kāi)始衰減。但總的來(lái)說(shuō)，在七點(diǎn)法井網(wǎng)的情況下初始較高的采油速度必然要比以后的較為迅速的衰減更為重要。特別是由于注熱井的設(shè)備會(huì)比生產(chǎn)井便宜些，因此七點(diǎn)法井網(wǎng)應(yīng)比五點(diǎn)法井網(wǎng)更好些。
圖4闡述了相同的觀點(diǎn)，該圖表明應(yīng)用相同的井距Dw，七點(diǎn)法井網(wǎng)(第二條曲線)計(jì)算的過(guò)程時(shí)間t(以年表示)比五點(diǎn)法井網(wǎng)(第一條曲線)明顯地短些。這個(gè)圖還表明，為了保證過(guò)程的壽命大約為20-30年，要求井距Dw大約為20～21米。
圖5說(shuō)明了過(guò)程的熱需求量。除了早期之外，每采1桶油需注入大約460000千焦耳的熱量。由于凝析前緣下游的熱傳導(dǎo)忽略不計(jì)，計(jì)算的熱需求量偏于樂(lè)觀。
由于我們的模型的緣故，全部流體(油和水)都假定是在原始油層溫度下采出。實(shí)際上，由于蒸汽前緣下游會(huì)有傳導(dǎo)性的預(yù)熱，產(chǎn)出的流體不久就會(huì)逐漸變熱，直到達(dá)到蒸汽溫度(在這個(gè)時(shí)刻過(guò)程就結(jié)束了)。由于熱傳導(dǎo)是個(gè)緩慢的過(guò)程，在過(guò)程進(jìn)行的前幾年流體將會(huì)在原始油層溫度下采出。實(shí)際上可以指出，在采出的流體中至少25%是冷的。
對(duì)于熱需求量作保守估計(jì)，我們需假定產(chǎn)出流體中25%其溫度等于原始地層溫度，而剩余的75%的流體在蒸汽溫度下采出。對(duì)于我們這個(gè)例子，這個(gè)很保守的假設(shè)就使熱需求量從460000千焦耳/桶增加到760000千焦耳/桶。真實(shí)的數(shù)值(承認(rèn)其他的假設(shè)是正確的)應(yīng)該在這兩個(gè)數(shù)值之間，除非我們研制了更為準(zhǔn)確的模型，大約600000千焦耳/桶的數(shù)值將會(huì)被認(rèn)為是合理的。
至此，我們給出了每個(gè)單獨(dú)的井或每個(gè)單獨(dú)的井網(wǎng)動(dòng)態(tài)的全部結(jié)果。在這些情況下來(lái)說(shuō)，注入速度和生產(chǎn)速度看來(lái)都是很小的。假定井網(wǎng)密度為每4000米2有10～12口井，我們可以預(yù)計(jì)在27年的時(shí)間內(nèi)以大約730兆瓦的速度注電熱，以每天平均100000桶的速度采油，累積會(huì)產(chǎn)生10億桶油。
被處理的油藏大體可以為具有比較厚的含油層的任何地下油藏，該油層具有高的孔隙度，含有大量的油和水，但滲透率是那樣的低以致于對(duì)注入通常的采油流體的反應(yīng)是使人失望的無(wú)流體產(chǎn)出。這樣的地層最好其孔隙度與油飽和度之積至少要等于0.15。油的API重度至少約為10°，水飽和度至少約等于30%。本發(fā)明對(duì)于從滲透率小于大約10毫達(dá)西的油藏中采油具有特殊的優(yōu)越性。具有類似特性的其它油藏的另外一些實(shí)例，有加里福尼亞(美國(guó))和別處的其它硅藻土地層，以及含烴的白堊地層等等。
本過(guò)程所用注熱井主要是由任何下套管的或未下套管的井眼構(gòu)成，該井眼(1)至少大體上要貫穿上述類型地層中至少約30米處理層段，(2)在井網(wǎng)內(nèi)的排布使各井眼在整個(gè)處理層段上要基本平行，與相鄰井的井距間隔約為6～24米，和(3)含有耐熱、導(dǎo)熱、并對(duì)流體基本不滲透的固體材料殼或屏障，以防止流體在井眼和油層暴露面和/或與井眼連通的裂縫之間流動(dòng)。對(duì)本領(lǐng)域的技術(shù)人員來(lái)說(shuō)，很顯然，應(yīng)用電阻加熱或燃燒加熱，在加熱過(guò)程中一般都要允許溫度的波動(dòng)。要求的加熱速度僅是沿加熱層段的一個(gè)平均值，暫時(shí)停工，壓力起伏等波動(dòng)，不應(yīng)使對(duì)熱速度產(chǎn)生嚴(yán)重影響。
本發(fā)明所用的流體采出井大體上可以是上述規(guī)定井網(wǎng)中的任何井。在排列上要求它至少與一口加熱井相鄰，要與油層有流體連通，且起碼要基本上貫穿整個(gè)處理層段。在保持井眼內(nèi)流體壓力下而采出流體時(shí)，井內(nèi)流體壓力要低于油層的破裂壓力。
加熱井內(nèi)部加熱的手段實(shí)際上可以是任何一種能夠升高溫度，并且能以上述規(guī)定數(shù)值保持井眼內(nèi)部溫度的井眼加熱裝置。這種加熱裝置可以是電熱的或是燃?xì)馐降摹Ｆ渲幸噪姛嵫b置最好。電器元件，為比較便于維修最好安裝在底部封閉的一段套管內(nèi)，這段套管被密封在一個(gè)傳熱，不滲透的殼層內(nèi)，而殼層與油層接觸。加熱方式最好能相對(duì)迅速地達(dá)到至少大約600℃的溫度(最好800℃)，但又要在長(zhǎng)時(shí)間能保持溫度低于1000℃(900℃更好)，同時(shí)要求由井眼向外傳熱速度不能明顯地快于油層導(dǎo)熱能力所允許的程度。
在油層和加熱器之間構(gòu)成屏障的那些具有熱穩(wěn)定性，導(dǎo)熱和流體不滲透的材料最好是鋼管，外面包以導(dǎo)熱性材料，該材料與油層和/或與井眼連通的裂縫相接觸。由于流體自地層的流入，往往在井眼和油層之間呈現(xiàn)最易產(chǎn)生麻煩的流體流動(dòng)型態(tài)，因此在某些情況下可能需要在屏障或殼內(nèi)加壓，以便防止和/或終止這種方式的流體流入。加壓過(guò)程中所用的氣體最好為氮?dú)饣蚨栊詺怏w之類的氣體。圍繞這個(gè)屏障并與油層接觸的材料應(yīng)該在大約600到1000℃溫度范圍內(nèi)耐熱，并具有較好的導(dǎo)熱性。耐熱水泥或混凝土對(duì)于本過(guò)程中的這種應(yīng)用而言是最可選用的材料。在一些專利中，比如美國(guó)3507332號(hào)專利曾敘述過(guò)這種適用的水泥。
我們發(fā)現(xiàn)在非均質(zhì)地層，比如貝爾瑞基的硅藻土地層，可能出現(xiàn)許多熱傳導(dǎo)過(guò)程的失效現(xiàn)象。地層導(dǎo)熱性不同可能導(dǎo)致不均勻的加熱溫度。由于銅的電學(xué)性質(zhì)，會(huì)出現(xiàn)更多的熱量注入到熱傳導(dǎo)性差的“富”層，而不是注入到熱傳導(dǎo)性較好的“貧”層。因?yàn)閷?dǎo)熱性是實(shí)體密度的函數(shù)，孔隙度較高的硅藻土層就會(huì)比孔隙度較差的層接收更多的熱量。這是我們不希望的，因?yàn)榭紫抖容^高的層地是滲透性較好地層，在這些層里如果進(jìn)入熱量比較少溫度比較低過(guò)程就可以是有效的。
在極端情況下，如果應(yīng)用一個(gè)橫截面固定的加熱器，在富層中，于過(guò)程已經(jīng)完成后還會(huì)繼續(xù)有熱量注入。而貧層內(nèi)注入的熱量還不夠。
因此，相對(duì)增加孔隙度和滲透性都較差的貧層內(nèi)的注入速度會(huì)使過(guò)程的采油量及熱效率有重大的改善。應(yīng)用變截面的銅加熱器和/或應(yīng)用平行的加熱電纜，沿貧層比沿富層布置更多的電纜，或應(yīng)用其它可改變加熱速度的方法都會(huì)達(dá)到這一目的。
為了說(shuō)明滲透率對(duì)過(guò)程動(dòng)態(tài)的影響，圖6和圖7示出了滲透率不同，其它性質(zhì)相同的三層的數(shù)學(xué)模擬生產(chǎn)動(dòng)態(tài)。兩個(gè)示例之間的差別在于注熱速度。圖6中對(duì)于各種滲透率其注熱速度是相同的。速度以每米瓦特計(jì)，頭3年為500瓦，下3年為410瓦，后2年為330瓦最后3年兩為250瓦。
圖7中的注熱速度是不同的，在1和2毫達(dá)西的層里注熱速度降低，而0.3毫達(dá)西的層里則增加。注入到1毫達(dá)西層里的速度降低10%，注入到2毫達(dá)西層里的速度降低15%而注入到0.3毫西層里的速度卻增加15%。
在第一種情況下(圖6)，注熱為期11年?？梢钥闯觯M管自最高滲透層已無(wú)油再產(chǎn)出了但熱繼續(xù)被注入此層，而在滲透率最低的層還得不到足夠的熱量來(lái)完成此過(guò)程。
在第二種情況下(圖7)，熱量一直注到所有各層都達(dá)到相同的采油量，但總的熱量消耗降低了。雖然1和2毫達(dá)西層過(guò)程完成的時(shí)間有所延遲，0.3毫達(dá)西的層除了過(guò)程完成時(shí)間提前外，采收率還獲得很大的改善。
過(guò)程的采收率和熱效率匯總于表2中。
表2.過(guò)程采收率和熱效率概況各層熱注入量相同 改變各層的熱注入量層(毫達(dá)西) 0.3 1.0 2.0 0.3 1.0 2.0采收率(%) 8 84 84 83 83 83熱效率 421 398 400 427 380 339(10千焦耳/桶地面油)過(guò)程完成時(shí)間 22 12 10 14 13 12(年)模擬結(jié)果說(shuō)明熱效率改善了大約10%。這提示我們，應(yīng)用這個(gè)調(diào)整了的熱注入方式，從指定類型油藏中采出定量的油可以節(jié)省熱量大約10-15%。
在一個(gè)最佳操作中，確定給定情況下各層的注熱速度要以已知的地層的全部性質(zhì)以及經(jīng)濟(jì)分析作根據(jù)。在某些情況下，為了較早地采出油來(lái)在某些層里過(guò)量注入在經(jīng)濟(jì)上也可能是合算的。
權(quán)利要求
1.加熱地下含油和水地層的方法，其中包括在注熱井和流體采出井中每一類都至少有一口在上述地層處理層段上完井，該油層至少約30米厚，同時(shí)含油和水，對(duì)于注入的采油流體的反應(yīng)是既不可滲透也不能生產(chǎn)；按排這些井時(shí)要使貫穿處理層段的這些井的井眼基本平行，并且以至少大約6米的大體相等的距離隔開(kāi)；在貫穿處理層段的每口注熱井中用導(dǎo)熱性較好對(duì)流體基本不滲透的固體材料來(lái)密封地層面；在貫穿處理層段的每口流體采出井中，要使流體在井眼與油層之間連通，并要使流體能自油層中產(chǎn)出，且在至少基本貫穿處理層段的每口加熱井中加熱，其加熱速度要求能夠(a)使井眼內(nèi)部溫度至少增加到600℃和(b)使井眼內(nèi)部溫度至少維持在大約600℃，但又不能使溫度高到使井眼內(nèi)部裝備因過(guò)熱而損壞的程度，同時(shí)離開(kāi)井眼的傳熱速度不能明顯高于油層導(dǎo)熱能力所允許的限度。
2.按權(quán)利要求
1所述的方法，其中加熱注熱井井眼內(nèi)部的手段應(yīng)能使溫度保持在大約600到900℃。
3.按權(quán)利要求
1所述的方法，其中加熱至少一口注熱井內(nèi)部的手段為電加熱器。
4.按權(quán)利要求
1所述的方法，其中密封油層面的固體材料為導(dǎo)熱的水泥或混凝土。
5.按權(quán)利要求
1所述的方法，其中所述注熱和流體采出井在貫穿處理層段處是基本平行的，且至少在該層段內(nèi)，要彼此間隔大約6至24米。
6.按權(quán)利要求
1所述的方法，其中大多數(shù)注熱井和流體采出井以基本上在垂直的方向按五點(diǎn)法，七點(diǎn)法或十三點(diǎn)法井網(wǎng)布井。
7.按權(quán)利要求
1所述的方法，其中加熱要一直繼續(xù)到至少一口流體采出井的井眼中有流體驅(qū)入為止，并且每口流體被驅(qū)向其中的流體采出井的外流量要限制在使井內(nèi)流體壓力增加到足以阻止油層明顯擠壓所要求的程度。
8.按權(quán)利要求
7所述的方法，其中所述流體壓力需增加到比緊鄰地層天然靜水壓力大約高7至14巴。
9.按權(quán)利要求
1所述的方法，其中加熱速度為或相于每小時(shí)每米約1200至2400千焦耳。
10.按權(quán)利要求
1所述的方法，其中所述的流體不可滲透屏障由耐熱套管構(gòu)成，套管下端對(duì)于流體是嚴(yán)密封閉的，并為水泥所環(huán)繞。
11.按權(quán)利要求
10所述的方法，其中所述的為屏障環(huán)繞的井眼內(nèi)部是用電阻加熱器加熱的，其加熱速度大約為每米330至660瓦。
12.按權(quán)利要求
1所述的方法，其中所述的油層、至少含有一個(gè)相對(duì)不太滲透的層，該層的滲透率要明顯地低于至少一個(gè)在處理層段內(nèi)的其它的層;該方法進(jìn)一步包括如下步驟確定沿至少一口注熱井而遇到上述相對(duì)低滲透率層的位置;和在上述的至少一口注熱井中，沿著上述至少一個(gè)滲透率較低的層增加注熱的相對(duì)速度，使其速度超過(guò)沿上述至少一個(gè)滲透率較高層的速度，其增加的數(shù)量與滲透性較高層滲透率增加值有關(guān)。
13.按權(quán)利要求
12所述的方法，其中用電阻元件加熱注熱井，并且至少在一口注熱井中，加熱元件的安排要使單位長(zhǎng)度加熱器的電阻沿滲透率較低層相對(duì)高些，以便提供上述相對(duì)高的注熱速度。
14.按權(quán)利要求
12所述的方法，其中用電阻元件加熱注熱井，并且至少在一口井中，在處理層段內(nèi)電阻元件的安排要包括許多平行的電阻加熱元件，并且沿滲透率較低層的電阻元件的數(shù)目要多于這個(gè)層段內(nèi)的至少另一個(gè)層，以便提供上述相對(duì)高的加熱速度。
專利摘要
以一種方式加熱含油含水的地下油藏，這種加熱方式導(dǎo)致了一種經(jīng)濟(jì)可行的從原來(lái)滲透率很低，以致于對(duì)注入采油流體的反應(yīng)是令人失望的，非生產(chǎn)性的油層中開(kāi)采出石油的方法。對(duì)特定厚度的處理層，以熱傳導(dǎo)方式對(duì)井眼加熱，這些井眼被排布在由注熱井和流體產(chǎn)出井所構(gòu)成的特定井組內(nèi)，加熱溫度為大約600℃以上。
文檔編號(hào)E21B43/30GK86103769SQ86103769
公開(kāi)日1987年3月18日 申請(qǐng)日期1986年5月29日
發(fā)明者彼得·萬(wàn)·麥斯, 蒙羅·赫伯特, 瓦克斯曼, 哈羅爾德·丁·維尼加 申請(qǐng)人:國(guó)際殼牌研究有限公司導(dǎo)出引文BiBTeX, EndNote, RefMan