水注入系統和方法

2023-05-06 13:55:06

專利名稱：水注入系統和方法
技術領域：
本公開涉及將水注入含烴地層的系統和方法。
背景技術：
通過鑽入地下地層的井(稱為生產井)採收或生產積聚在地下含油地層中的油。如果僅通過初級採竭進行生產、即僅使用地層能量採收油的話，會有大量這種油留在地下地層中。當初始地層能量不足或者已經耗盡時，可以利用補充操作，通常也稱為二次、三次、強化或後初級採收操作。在這些操作的一些中，通過經由一個或多個鑽入地層的注入井泵送而將流體注入地層，在地層中的油被置換和移動通過地層，並從一個或多個鑽入地層的生產井產出。在此類特定的採收操作中，可以採用海水、油田水或油田鹽水作為注入流體，該操作稱為水驅。注入水可以稱為驅油液體或驅油水，以與原位地層或原生水相區別。後期注入的流體可以稱為驅動流體。水可以獨自或者作為混溶或不混溶置換流體的組分注入。通常可以將海水(對於海上油井)和產自相同或附近地層的鹽水(對於陸地油井)用作水源。Hiorth、Cathles 和 Madland 在他們於 2010 年 2 月 24 日發表於 Transp PorousMed(2010，85:1-21)的文章「The Impact of Pore Water Chemistry on CarbonateSurface Charge and Oil Wettability」公開了已經實驗證明水化學對水膜穩定性和有機油組分在礦物表面吸著具有影響。當油被水置換時，已經證明水化學影響採油。至少兩種機理可以解釋這些效應，水化學會改變巖石表面的電荷和影響巖石潤溼性，和/或水化學的變化會溶解巖石礦物和影響巖石潤溼性。對於油置換水的解釋不必與水吸入和置換油相同。該文章通過建立和應用化學模型，將本體水與表面化學聯繫起來並且處理了礦物沉降和溶解，來研究水化學在類似於Stevns Klint白堊的純碳酸鈣巖石中如何影響表面電荷和巖石溶解。他們對70-130°C溫度下的海水和地層水進行計算。他們建立的模型預言了方解石的表面電勢和從孔隙水吸附硫酸根離子。表面電勢的變化不能解釋觀察到的由孔隙水化學或溫度變化引起的採油變化。另一方面，方解石的化學溶解依賴於實驗中觀察到的化學品和溫度，可以解釋實驗採收體系。基於該初步分析，他們得出結論:儘管表面電勢可以解釋現有自發吸入數據組的一些方面，但礦物溶解似乎是控制因素。PCT專利申請公開W02010/092095公開了一種從含原油和原生水的石灰石或白雲石地層強化採油(EOR)的方法。PCT專利申請公開W02010/092097公開了一種從孔隙中含原油和原生水的多孔地下地層強化原油採收的方法，該方法包括:_確定原生水的離子強度(mol/L);和_將離子強度(mol/L)低於原生水的水性置換流體注入地層，該水性置換流體的離子強度進一步低於0.15mol/L。注入離子強度低於原生水的水性置換流體改進採油(IOR)。

美國專利申請公開US2003/0230535公開了一種脫除含水層鹽水的方法和井，其中含水層鹽水從地下含水層直接流入脫鹽水產出井的井下含水層流入區，其中設置了一個或多個脫鹽和/或純化膜的井下組件，該組件將含水層鹽水分離為通過該井產出到地表的初級脫鹽水物流和次級濃縮廢鹽水物流，可將該次級濃縮廢鹽水物流處理至地下鹽水處理區。美國專利申請公開US2009/0308609公開了一種系統，該系統包括:鑽入地下地層的井；井上部的生產設備；與生產設備相連的水生產設備；其中水生產設備通過除去一些離子並加入增加水的粘度和增加從地層的烴採收的試劑來生產水，和將水注入井。參照圖1所示的現有技術系統100。系統100包括水體102、地下地層104、地下地層106和地下地層108。可在水體102的表面提供生產設備110。井112貫穿水體102和地層104，並在地層106中具有開孔。地層106的一部分可以被壓裂和/或穿孔，如附圖標記114所示。油和氣可以從地層106通過井112產出到生產設備110。可將氣體和液體彼此分離，可將氣體儲存在氣體儲存裝置116中，可將液體儲存在液體儲存裝置118中。本領域需要用於從地下地層生產油和/或氣的改進的系統和方法。特別地，本領域需要例如在碳酸鹽地層中提供改進的水驅的系統和方法。

發明內容
本發明的一個方面提供一種從孔隙中含原油和原生水的多孔地下碳酸鹽地層強化原油採收的方法，該方法包括:確定原生水的離子強度；和將離子強度低於原生水的水性置換流體注入地層。


圖1描述了現有技術的油和氣生產系統。圖2描述了油和氣生產系統。圖3描述了水處理系統。圖4描述了水處理系統。圖5描述了實驗結果。圖6描述了實驗結果。
具體實施例方式參照圖2，其中描述了在本發明的一個實施方案中的系統200。系統200包括地層202、地層204、地層206和地層208。可在地層202的表面提供生產設備210。井212貫穿地層202和地層204，並在地層206中具有開孔。部分地層可以被壓裂和/或穿孔，如附圖標記214所示。當油和氣從地層206產出後，它進入部分214，並通過井212上行到生產設備210。可將氣體和液體分離，和可將氣體送至氣體儲存裝置216中，可將液體送至液體儲存裝置218中，可將水送至水生產裝置230。生產設備210可以處理例如來自地層202和/或井212或其它水源的水，如海水、湖水、河流、來自汙水處理廠的灰水、市政供水或其它，可在水生產裝置230中對水進行處理和儲存。可將來自井212的水送至水生產裝置230。可將經處理的水通過井232向下泵送至地層206的壓裂部分234。水穿過地層206以輔助生產油和氣，然後可將水、油和氣全部產出至井212，再到生產設備210。然後可將水循環，例如通過將水返回至水生產裝置230，水在那裡經過處理，然後再注入井232。
可以通過穿入含烴地層或儲層的生產井孔212從地球的地下地層206採收烴如油和/或氣。可以從生產井孔206到地層部分214穿孔以利於烴從含烴地層流至生產井孔。可在壓力下將水注入在地下地層206中形成的注入區234以促進通過油田中生產井生產烴。水可以獨自或者作為混溶或不混溶置換流體的組分注入。可以將海水(對於海上油井)和產自相同或附近地層的鹽水(對於陸地油井)用作水源。該水可以包含一定量(濃度)的前體離子如二價硫酸根(S042_)，當它們與存在於地層中的陽離子如Ba++、Sr++和Ca++接觸時會形成不溶性鹽。得到的鹽出&304、3604和CaSO4)在地下地層溫度和壓力下可能相對不溶。這類鹽會從溶液中沉澱出來。不溶鹽的沉澱物會積累，因而堵塞地下流體通道。堵塞效應在接近注入井232的地層中的通道內和生產井212的穿孔處最為嚴重。隨著注入水通過生產井212產出至地表，由於溫度和壓力隨著流體通過生產井移動至地表而下降，不溶鹽的溶解度會進一步降低。地下或地層流體通道可以包括地層基體內的孔、裂縫、空隙、空穴、晶簇、通過井的穿孔和流體通道(包括套管井和未套管井)、井中的管線和其它流體路徑。沉澱物可以包括不溶鹽、結晶或汙垢。堵塞可以包括流體通道和用於產出井流體和處理該流體的管道的孔隙率和/或滲透率減小。注入水可以包括任何含水流體，將該流體注入地下地層以利於從地下地層採收烴。注入井232的一個目的是輔助烴從儲層流向生產井212。一種方法是在壓力下將水注入到鄰近生產區以使蘊藏在地層206中的烴向生產井212移動。地層在一個實施方案中，地層206可以包括主要為油潤溼的碳酸鹽巖石如石灰石和/或白雲石。除油和/或氣之外，地層206可以還包括含有各種鹽和其它溶解固體的水，如總溶解固體(TDS)為500ppm或更多、例如TDS為I, 000-約100，OOOppm的原生水。通常提供高TDS原生水用於主要為油潤溼的碳酸鹽巖石，而提供較低TDS注入水使碳酸鹽巖石變得更為水潤溼和不那麼油潤溼。在一些實施方案中，可以使用TDS為約
0.001-約20%、例如約0.01-約10%或約0.1-約5%的原生水作為注入水。圖3參照圖3，其中描述了本發明一些實施方案中用於水生產裝置330的系統300。用來處理水的方法和系統(例如通過降低水的TDS)並不重要。下面參照圖3和4描述適合的方法。水生產裝置330具有未處理水例如來自水體、海、湖、河流、水井、原生水、城市供水或其它水供給的水的進口。在334處，可從原水302中除去一些陽離子例如多價陽離子如二價或三價陽離子。在340處，可從原水302中除去單價陽離子。然後經處理的水303從水生產裝置330產出。圖4參照圖4，其中描述了本發明一些實施方案中用於水生產裝置430的系統400。水生產裝置430具有未處理水402例如來自井水、海水、城市供水或其它水供給的水的進口。在432處，進行初級過濾以從水中除去固體。在433處，可以除去硫酸根(S042_)。在434處，可以除去一些二價陽離子，例如除去約60-約99%存在的二價陽離子。可以除去的二價陽離子包括鎂(Mg)、鈣(Ca)、鐵(Fe)和/或鍶(Sr)。在一些實施方案中，433和/或434可以用納米過濾膜系統來進行。在436處，可以除去一些單價離子，例如除去約60-約99%存在的陽離子如鈉(Na)和/或鉀(K)，以及相關陰離子例如氯、氟和/或溴。經處理的水403可通過水生產裝置430產出。在一些實施方案中，水生產裝置330和/或430可以使用基於膜的系統，例如反滲透(RO)和/或納米過濾(NF)技術，如用於海水脫鹽、過濾和/或純化，當然也可以使用其它水處理系統。在一些實施方案中，系統400可以包括未處理水402，它來自水性進料源如來自海洋的海水或含有一些二價和單價離子的鹽水源如來自井的產出水。作為例子，原海水可以從海上井或開放入口取自海洋，並先經過使用大顆粒粗濾器(未示出)和/或多介質過濾器(通常可以是砂子和/或無煙煤)的初級過濾432，任選地再經過濾筒過濾。在一些實施方案中，在將水注入到井孔和/或加入試劑440之前，可以在地表使用機械方法如使未處理的水402流經納米過濾膜以從水中除去離子。海水可能包含約2700-約2800ppm的二價SO42'納米過濾膜處理433可將該濃度減小至約20-約150ppm。將硫酸根含量降低99%是可行的。在一些實施方案中，處理334、433和/或434可以使用NF裝置如膜。在一些實施方案中，處理334和/或436可以使用RO裝置如膜。在本發明的一些實 施方案中，經處理的水303和/或403可與一種或多種水溶性溶劑例如二甲醚組合，然後注入地層中用於強化採油。共同待審的美國臨時申請61/332,085(代理卷號為TH3960)中公開了合適的水溶性溶劑。另外，可將經處理的水與用於增加粘度的試劑例如水溶性聚合物的混合物注入地層。另外，可將經處理的水與用於減小油與水的界面張力的試劑例如表面活性劑的混合物注入地層。效果至少兩種機理可以解釋這些效果，水化學可以改變巖石表面上的電荷和影響巖石潤溼性，和/或水化學的變化可以溶解巖石礦物和影響巖石潤溼性。加入低鹽度水可以使油潤溼的儲層變成更水潤溼的儲層並釋放油。低鹽度水可以增加儲層的採油率。低鹽度水可以增加高鹽度儲層的採油率。通常可將水獨自或者作為混溶或不混溶置換流體的組分注入地下含烴地層以從中採收烴。可從多種來源獲得未處理的水302和/或402，包括產自相同地層的鹽水、產自遠處地層的鹽水或海水。所有這些水的離子含量均高於淡水。在本發明的一些實施方案中，可以使用低離子強度水作為經處理的水或經處理的水混合物303和/或403，例如來自含水層、小溪、湖泊、河流、城市供水或來自汙水處理廠的灰水或者本領域已知的其它來源的低離子強度水。在本發明的一些實施方案中，可將經處理的水或經處理的水混合物303和/或403注入地層206，從地層206產出，然後例如通過離心或重力分離器從油和氣中回收，然後在水生產裝置230處處理水，和然後可將經處理的水或經處理的水混合物303和/或304再注入地層206。在本發明的一些實施方案中，可將經處理的水或經處理的水混合物303和/或403注入含油地層206，任選預先或之後如用海水、表面活性劑溶液、烴流體、鹽水溶液或淡水進行衝洗。在本發明的一些實施方案中，可使用經處理的水或經處理的水混合物303和/或403促進採油。可利用經處理的水或經處理的水混合物303和/或403以將目前含油的水驅驅出或推出儲層，由此將原油「清」出儲層。隨著經處理的水或經處理的水混合物303和/或403將油推出地層206中的孔並推入生產井212，可在與注入井232隔開的生產井212採出油。一旦油/驅動流體到達地表，可將它置於接收槽218中，允許油通過自然重力與水分離。可將採油量作為原始原油地質儲量(OOIC)的函數進行測量。採油量可高於原始原油地質儲量的約5wt%，例如10wt%或更高，或者15%或更高。本方法和系統可有助於從含油地層置換採收石油。該採收包括通過置換流體或氣體的作用將油從含油地層移出的方法。通過本發明的方法和系統製備的經處理的水或經處理的水混合物303和/或403的其它用途包括近井注入處理，和沿管線內表面注入以促進高粘度原油的管線輸送。也可將經處理的水或經處理的水混合物303和/或403用作水力壓裂流體添加劑、流體分流化學品和循環損失添加劑，僅舉幾例。示例性實施方案在一個實施方案中，公開了一種從孔隙中含原油和原生水的多孔地下碳酸鹽地層強化採收原油的方法，該方法包括:確定原生水的離子強度；和將離子強度低於原生水的水性置換流體注入地層。在一些實施方案中，水性置換流體的離子強度(1)低於原生水離子強度的約10%。在一些實施方案中，水性置換流體的離子強度(1)低於原生水離子強度的約0.5%。在一些實施方案中，該方法進一步包括:確定原生水的總多價陽離子水平(mol/vol);和注入總多價陽離子水平(mol/vol)低於原生水的水性置換流體。在一些實施方案中，水性置換流體包含至少一種選自表面活性劑、發泡劑、水溶性聚合物和水溶性溶劑如二甲醚的添加劑。在一些實施方案中，水性置換流體包括得自含水層、河流、湖泊、海洋、經處理的排汙水或大洋的蒸汽和/或水。在一些實施方案中，地層是含礦物碳酸鹽地層。在一些實施方案中，水性置換流體包括增粘聚合物。在一些實施方案中，水性置換流體的粘度水平為ImPa.s以上和包含至少200ppm(質量)的增粘聚合物。在一些實施方案中，增粘聚合物包括水解的聚丙烯醯胺。在一些實施方案中，對水進行處理以使它轉變為離子強度低於原生水離子強度的約5%的水性置換流體。在一些實施方案中，對水進行處理以使它轉變為離子強度為原生水離子強度的約0.1-約20%的水性置換流體。在一些實施方案中，對水進行處理以使它轉變為總溶解固體水平為原生水總溶解固體水平的約0.1-約20%的水性置換流體。定義在本申請中，術語定義如下:離子強度(1)-溶液中存在的全部離子的濃度的函數，單位為(mol/L)，其中
權利要求
1.一種從孔隙中含原油和原生水的多孔地下碳酸鹽地層強化採收原油的方法，所述方法包括: 確定所述原生水的離子強度；和 將離子強度低於所述原生水的水性置換流體注入所述地層。
2.權利要求1的方法，其中所述水性置換流體的離子強度(I)低於所述原生水離子強度的約10%。
3.權利要求1或2的方法，其中所述水性置換流體的離子強度(I)低於所述原生水離子強度的約0.5%。
4.權利要求1-3任一項的方法，其中所述方法進一步包括: 確定所述原生水的總多價陽離子水平(mol/vol);和 注入總多價陽離子水平(mol/vol)低於所述原生水的水性置換流體。
5.權利要求1-4任一項的方法，其中所述水性置換流體包含至少一種選自表面活性齊U、發泡劑、水溶性聚合物和水溶性溶劑的添加劑，所述水溶性溶劑在水中的摩爾溶解度為至少1%和辛醇-水分配係數為至少1，和所述水溶性溶劑選自醇、胺、批唆、醚、羧酸、醛、酮、磷酸酯、奎寧和它們的混合物。
6.權利要求1-5任一項的方法，其中所述水性置換流體包括得自含水層、河流、湖泊、海洋、經處理的排汙水或大洋的蒸汽和/或水。
7.權利要求1-6任一項的方法，其中所述地層是含礦物碳酸鹽地層。
8.權利要求1-7任一項的方法，其中所述水性置換流體包含增粘聚合物。
9.權利要求8的方法，其中所述水性置換流體的粘度水平為ImPa.s以上和包含至少200ppmw的增粘聚合物。
10.權利要求8或9的方法，其中所述增粘聚合物包括水解的聚丙烯醯胺。
11.權利要求ι- ο任一項的方法，其中對所述水進行處理以提供離子強度低於所述原生水離子強度的約5%的水性置換流體。
12.權利要求1-11任一項的方法，其中對所述水進行處理以提供離子強度為所述原生水離子強度的約0.1-約20%的水性置換流體。
13.權利要求1-12任一項的方法，其中對所述水進行處理以提供總溶解固體水平為所述原生水總溶解固體水平的約0.1-約20%的水性置換流體。
全文摘要
本發明公開了一種從孔隙中含原油和原生水的多孔地下碳酸鹽地層強化原油採收的方法，所述方法包括確定原生水的離子強度；和將離子強度低於原生水的水性置換流體注入地層。
文檔編號C09K8/58GK103180405SQ201180049628
公開日2013年6月26日 申請日期2011年10月14日 優先權日2010年10月15日
發明者D·J·利格特爾姆, J·羅馬努卡, B·M·J·M·蘇伊捷凱爾布伊捷克 申請人:國際殼牌研究有限公司