開採烴氣的方法
2023-05-06 02:44:11
專利名稱：開採烴氣的方法
技術領域：
本發明涉及一種從地下巖層中開採氣體，尤其是烴氣的方法和系統。
背景技術：
在已知的用於開採烴氣的系統中，一生產井用於貫入含氣巖層。儲層流體可以例如通過在一定深度處油井套管中的穿孔容納於一生產層段中。儲層流體通常除了氣體之外還包括液體，尤其是水。
在例如從一所謂的高滲透性巖脈進入生產井時，液體通常存在於巖層流體中。當生產層段深度的儲層條件(壓力、溫度)是如此以致於巖層流體包含有溶解在氣體中的蒸汽或液體時，液體也可以在通向地表的過程中通過凝固而形成。
當通向井上的流速足夠低時，液體將在重力的作用下從巖層流體中分離出來、下沉至井底，在該處液體聚集從而形成一液柱，通常為一水柱。
一般來說不希望形成水柱，因為當水柱完全或部分覆蓋生產層段時，儲層流體的流入會受到阻礙或甚至會停下來。現有技術中使用了很多常規的方法來解決氣井中水柱的形成。
一種方法是在井中安裝生產管道，所謂的速度套管(velocitystring)，其用於限制開採至地表的流體的有效橫截面面積，從而足夠地提高流速以防止氣體/液體分離。另一種方法是使用起泡化學製品，其降低分離的水的表面張力從而使得水可以更容易地被氣體輸送至地表。再一種已知的方法是將水從水柱中泵送至地表，這也稱為柱塞提升。在又一種方法中使用了一壓縮機以降低井口壓力。
美國專利說明書No.5 913 363公開一種用於在氣井中對一生產層段所容納的氣體進行井下分離出水的方法，其使用了一布置在生產層段之上方的井下氣體/水分離器，其中分離出的水通過栓塞和一壓力敏感閥導向至一處置巖層。
美國專利說明書No.5 443 120公開一種利用重力在由封隔器隔離的一傾斜井身的一部分中從烴氣中進行井下分離出水的方法，並且其中分離出的水注射入一壓力比生產巖層更低的處置巖層中。
美國專利說明書No.5 366 011公開一種具有特別的套管/導管布置的氣井。該布置形成了與生產巖層相通的一環形空間並且具有一滑筒以有選擇地讓環形空間和導管之間液體相通。水可以在環形空間中從氣體中分離出來並且可以流入導管並且從那裡流入一非生產層段。
美國專利說明書No.6 336 504公開一種用於水的井下分離和注射的方法，其中儲層流體至少包含一些油、水和可選的氣體，並且其中一分離器布置在井中一可變的位置處以在一足夠的壓力處開採出水以注射入一處置巖層中。
已知的方法只能應用於特殊的情況下並且都有缺點，尤其由於與氣體開採的相互影響、複雜性和成本的關係。
發明內容
本發明的一個目的是提供一種從地下巖層開採氣體的新方法，其中液體從容納於一生產層段的巖層流體中分離出來，並且在生產井中形成一液柱。
再一個目的是提供一用於實施本發明方法的生產井。
為此，根據本發明，提供了一種從地下巖層開採氣體的方法，該地下巖層由一延伸至地表的生產井所貫入，該方法包括步驟-使包含有氣體和液體的巖層流體在一生產層段處從地下巖層流入生產井；-使巖層流體分離成一氣體組分和一液體組分；-通過生產井將氣體組分開採至地表；-在生產井中聚集液體組分從而形成一液柱，該液柱在生產井的一排放層段處的壓力超過周圍巖層的壓力；以及-使液體在排放層段處從液柱排放入周圍巖層，
其中使液體從液柱排放出去的步驟包括在排放層段處對生產井的壁的處理和/或對排放層段周圍巖層的處理以提高液體進入周圍巖層的流速。
本發明還提供一從地下巖層開採氣體的生產井，該井從地表向下延伸並且安排用來貫入地下巖層，該生產井包括-使包含有氣體和液體的巖層流體從地下巖層流入生產井的一生產層段；和-一排放層段，其中生產井是如此地布置使得在正常運行期間從巖層流體分離的液體聚集起來從而形成一至少部分地覆蓋排放層段的液柱，並且其中排放層段布置為使液體從液柱排放入周圍巖層，通過對排放層段的生產井的壁進行處理和/或對排放層段周圍的巖層進行處理。
本發明基於申請人所獲得的理解，可以利用液體的自重將其排放入巖層中，即由於形成於液柱中的流體靜壓力，如果在排放層段和周圍巖層之間存在足夠的流體連通。由於很多原因這是很有利的。第一個優點是，通過應用該方法，在正常運行期間可以對液柱達到的高度進行限制。因此，也就限制了由液柱所形成的對流入巖層的流體的阻礙。再一個優點是，包含在儲層流體中的水無需開採至地表，並且可以在各種實際情況中在地下簡單地排放出去，而無需使用特別的注射設備，例如一分離注射井和泵。
應當說明的是，排放層段可以分開地布置在生產層段之下。當井包含一長段與周圍含氣巖層直接流體相通的層段，並且在正常運行期間在部分重疊該層段的井中形成有一液柱時，該層段的上部代表一生產層段而下部為一排放層段，其界線由重疊量確定。
讓液體從液柱排放出去的步驟適當地包括對井壁的處理和/或對排放巖層周圍巖層的處理以使得液體更易於流入周圍巖層。當井身沒有加套時，對井身壁的處理是特別有利的。
適當地，在排放層段處生產井的壁上布置有穿孔，尤其是當井帶有套時。
現在通過實施例，並參考附圖，對本發明進行更詳細地說明。在附圖中圖1示意性地示出了一油井中的壓力分布，其有一液柱和頂部上的一氣柱；圖2示出了作為滲透性-厚度積(kh)inj的函數的液體排放速度Ql，d對於三個液柱高度的計算實施例曲線圖；圖3示出了作為滲透性-厚度積(kh)inj的函數的液體排放時間常數τ的計算實施例曲線圖；圖4示出了作為滲透性-厚度積(kh)inj的函數的高度H對於三個液柱高度的計算實施例曲線圖；圖5示意性地示出了本發明的第一個具體實施例；圖6示意性地示出了本發明的第二個具體實施例。
具體實施例方式
參考圖1。圖中示意性地示出了沿著一處於靜止位置(例如在氣井關閉期間)的垂直井的深度d(單位m)的壓力p(單位Pa)分布，該垂直井在其底部有一液柱，在其頂部有一氣柱。地表(d＝0)處的壓力表示為P0。井在地表和液柱頂部深度dl之間充滿氣體。氣體充滿部分l中的壓力p隨著深度d線性地增大，p(d)＝p0+ρggd，其中ρg是氣體的密度(kg/m3)，g是標準的地心重力。
在液柱(圖中為附圖標記3)中，流體靜壓力p隨著液體的密度ρl成比例地增大，p(d)＝p0+ρggdt+ρlg(d-dl)。當在一定深度處井與周圍巖層流體相通，並且該處巖層的壓力很低時，液體將排放入巖層。
在一個用於氣井關閉的簡單模型中，當井在頂部封閉時含氣巖層中作為深度的函數的壓力分布和完全充滿氣的井中的壓力分布相同，即對應於圖1中壓力曲線的1段和5段所構成的壓力分布。在這種情況下，當井在dp＞dl的深度處設有排放穿孔，液柱排放出去的驅動力為壓力差Δp＝(ρl-ρg)g(dp-dl)。
在這種情況下，液柱排出的排放速率Ql，d(m3/s)可以估算為
Ql,d=2(kh)inj1{ln(rerw)+S}p---(1)]]>其中(kh)inj表示在排放層段處巖層的滲透率-厚度乘積(m3)；μl為液體的粘度(Pa·S)；re為井的排放半徑(m)；rw為井身半徑(m)；S是井壁阻力係數(數字)；以及Δp已經在前面進行了定義。
液柱排放的特徵時間的表達式可以在以下假設之上得到假定在一個微分時間單元dt內排放出去的液體體積dV與排放層段之上液柱的高度H成比例，H＝(dp-dl)。比例常數可以從公式(1)中得到。這樣得到的一個微分方程式的積分得到了一個液柱高度隨時間簡單地指數式的衰減，其中時間常數τ(s)由下式給出=rw21{ln(rerw)+S}2(kh)injg,---(2)]]>其中Δρ＝(ρl-ρg)，並且其中所有其它符號和前面所定義的具有相同的意義。
現在參考圖2，其中示出了作為滲透率-厚度乘積(kh)inj(立方米)的函數的液體排放速率Ql，d(m3/天)。還示出了在排放穿孔頂部之上液柱頂部的三種不同高度H時的曲線，a)H＝5m；b)H＝25m；c)H＝100m。曲線是利用表1中對於一普通氣井所選定的下述參數基於公式(1)而計算出的。
表1
在氣體開採期間，液體(水)進入井的速率Ql，d通常為1...4m3/天的數量級，並且還在圖2中表示。圖中表示出了當井關閉時，水排放出去的速度與水進入的速度在數量級上相同或更大。
圖3示出了利用表1中參數值計算出的作為滲透率-厚度乘積(kh)inj(毫達西·米)函數的公式(2)中的時間常數τ(天)。
公式1和2由關閉的氣井而得到的，也就是在地表關閉從而不再開採氣體的氣井。當井關閉大約5倍於時間常數τ的時間時，排放穿孔之上的液柱將會已經消失。
而且，當井沒有關閉時，當儲層流體在排放層段之上的生產層段中容納於井中時，水會排放出去。在一個平穩狀態時，液體進入的速率Ql，e等於液體排放的速率Ql，d。平穩狀態時液柱高度H(m)的估計值可以通過改寫公式(1)和用Ql，e代替Ql，d而得到，如下H=Ql,el{ln(rerw)+S}2(kh)injg,---(3)]]>其中所有的符號具有與以前所定義的相同意義。
圖4示出了利用表1中的參數通過公式(3)計算出的對於三種液體進入速率的高度H，a)Ql，e＝1m3/天；b)Ql，e＝2m3/天；c)Ql，e＝4m3/天。
顯然，如果液體進入速率Ql，e大於臨界Ql，e；crit，液柱的高度將會大於正常運行時井所能承受的高度。在那樣的情況下，可以不時地中斷氣體組分向地表上的開採，其時間間隔足夠長(例如5倍的時間常數τ)以讓足夠的液體排放入巖層。在這些關閉期間，液柱高度降低至低於一個預定高度，之後可以繼續生產。
當液體進入速率小於臨界液體進入速率時，氣體組分可以持續地開採至地表上，同時可以讓液體隨著氣體組分開採的同時排放出去。
臨界液體進入速率Ql，e；crit的數值取決於很多因素，例如流入儲層的流體的液體/氣體比率，氣井的形狀、穿孔的分布、排放特性以及儲層壓力和溫度。實際上其可以利用模擬工具來確定。
根據實際情況，有多種方法可以讓液體在排放層段排放出去。
當井身在排放層段時成為不帶套管時，一旦形成足夠高度的液柱，排放就會自然地發生。
另一種適當的方式是對生產井壁上的穿孔進行布置，尤其是當井帶有套管時。
如果在一種給定的情形下液體進入速率大於臨界液體進入速率，液體進入巖層的排放速率可以通過在排放層段對生產井壁進行處理和/或對排放層段周圍巖層進行處理而增大。這種處理使得液體更易於流入周圍巖層。對井身壁的處理對於當井身沒有被套起來時是特別有利的。這樣的處理一般只能達到巖層裡一個有限的距離。
井身的一種適當的處理方法是利用化學藥品的處理方法。例如，可以使用例如鹽酸等酸除去沉澱在井身壁上的泥漿和細屑，從而降低液體流入巖層的阻擋層(「表層阻擋」)。酸可以向下泵送並和水柱相混合。酸不會長久保持活性，一般少於24小時。
在對排放巖層周圍的巖層的適當處理中，對液柱施加壓力脈衝以使得在排放巖層周圍的巖層更深處產生微裂紋。可以利用已知的現有技術通過液壓脈衝來提供壓力脈衝，也稱作聲波脈衝。
也可以混合應用化學和壓力處理，從而加速化學反應，並且也是為了使形成於巖層裡的微裂紋更尖銳。
當生產井上氣體的流速Qg(m3/s)足夠低，並且因此井中的流速也足夠低時，液體將會分離從而液體將會下沉到井底、在該處聚集形成一液柱。
在較高的氣體流速時液體分離不會自然地發生。在重力作用下分離會自然發生的臨界氣體流速Qg，crit的估計值可以由下述公式獲得Qg,crit=D2c4[(1-g)gCDg2]1/4---(4)]]>該公式在現有技術中稱作特納(Turner)準則。該公式中所用的符號具有下述意義D＝井的直徑(m)；c＝一數值常量，其值適當地為2；ρl＝液體密度(kg/m3)；ρg＝氣體密度(kg/m3)；σ＝表面張力(kg/s2)；CD＝阻力係數(數值)。
一個典型的臨界氣體流速等於約5-6m/s的氣流速度。
當氣體流速大於臨界氣體流速時，氣體的流動能量很高，足以能將液體運送至地表，這也稱作油霧流動狀態。在這種情況下，本發明的方法可以有利地通過在井下或者在井面上布置一氣體/液體分離器而使用。這個分離器布置為通過一進口接受巖層流體，並且具有至少一氣流和一液流的出口。然後液流用於形成井下的液柱。適用於此目的的分離器在現有技術中是已知的，例如一旋流分離器、一板壓縮分離器、一彎曲導向葉片型分離器、或者一溼氣墊。
當巖層流體包括溶解在氣體中並且只是當流體升高至井中一定深度時才會凝結的蒸汽或流體時，分離器優選地是布置為高於這個深度。
現在參考圖5，其示意性地示出了本發明的第一個具體實施例。一生產井11從地表15豎直向下地延伸並且貫入一含氣巖層20。該井帶有套管(未示出)，並且在一生產層段24和該生產層段之下的一排放層段28中布置有多個穿孔。在井中排放層段之上有一分離器30，該分離器具有一儲層流體進口32、一氣體出口34和一流體出口36。從出口36至生產層段之下的一位置處布置有一導管40，在該區域中或者該區域之上在正常運行期間形成有液柱44。導管40用於防止分離的液體被氣體重新卷帶進去。生產油管48提供了出口34和井口50之間氣體的流體連通。
在正常運行期間，含有氣體和水的儲層流體在生產層段24流入井1。儲層流體在井中升高並通過進口32進入分離器30。分離器將儲層流體分離成一主要由氣體構成的組分，以及一液體組分。氣體組分通過生產油管48引導至表面。液體被引導至生產層段之下的一個位置，在該處形成一液柱44。
在排放層段穿孔28之上液柱的高度施加了一高於排放層段處巖層20中壓力的流體靜壓力。因此水柱44的液體可以通過排放層段的穿孔排放入巖層中。當液體進入流速Ql，e比臨界液體進入流速Ql，e；crit小時，氣體組分可以持續地開採至地表上，而且可以讓液體同時排放出去。如果需要，可以用前述方法之一對排放層段或者排放層段周圍的巖層進行處理，以使得可以連續運行，尤其是使得生產層段24處水流入的速度基本上等於排放層段28處水排放入巖層的流速。可選地，如果液體進入流速太大，可以通過在井口50關閉生產油管50而停止氣體的開採，從而可以有更多的時間讓液體排放出去。
當水已經排放入巖層20時，優選地水會在巖層中下沉至水氣接觸面55的水位，以使得排放的水不會被重新開採出來。這個過程的時間尺度由巖層的垂向滲透率所決定。
應當說明的是，如果流入氣體的流速低於臨界氣體流速，那麼可以無需分離器30。
參考圖6，其示意性地示出了本發明的另一具體實施例。和圖5中相似的標號用於指示相同的對象。井60隻是在頂部加有套管，在區域62處及其以下都沒有加套管。
在該井的正常運行期間，含有氣體和水的巖層流體在未加套管部分進入井60裡並且升高。總的氣體流速足夠低以至於可以允許水滴63的分離，其下沉至井底、聚集起來形成一液柱44。在正常運行期間，液柱擴展至限定區域62下端的水位。
在區域62，儲層流體可以毫無阻礙地進入井中。
在區域64，井中由於水柱的流體靜壓力而產生的壓力仍然比巖層中的壓力小，因此在區域64中巖層流體液可以如箭頭所示那樣進入井中，但是和區域62相比有些阻礙。區域62和64構成生產層段。
在區域66，液柱中的流體靜壓力是如此而使得井壓大約等於周圍巖層中的壓力，因此在該處井和巖層之間實際上沒有流體交換。
在區域68，流體靜壓力足夠大以致水能排放入巖層。區域68構成排放層段。
此外，可以對井身壁和/或周圍巖層進行處理以使得可以讓足夠的流體排放出去以實現連續運行。
應當說明的是，在本發明的方法和系統中可以區分出用於運行的四個基本區域(使用前面所定義的符號)1.Qg＜Qg，crit以及Ql，e＜Ql，e；crit，那麼無需氣體/液體分離器，並且可以實現連續運行；2.Qg＜Qg，crit以及Ql，e＞Ql，e；crit，那麼無需氣體/液體分離器，但是要求間斷地運行；3.Qg＞Qg，crit以及Ql，e＜Ql，e；crit，那麼需要一氣體/液體分離器，並且可以實現連續運行；4.Qg＞Qg，crit以及Ql，e＞Ql，e；crit，那麼需要一氣體/液體分離器並且還需要間斷地運行。
代替間斷地運行，可以對井身和/或巖層進行進一步處理以使得液體更易於排放入巖層，從而提高Ql，e；crit。
權利要求
1.一種從地下巖層開採氣體的方法，該地下巖層由一延伸至地表的生產井所貫入，該方法包括步驟-使含有氣體和液體的巖層流體在一生產層段處從地下巖層流入生產井；-使巖層流體分離成一氣體組分和一液體組分；-通過生產井將氣體組分開採至地表；-在生產井中聚集液體組分以形成一液柱，該液柱在生產井的一排放層段具有超過周圍巖層中壓力的壓力；以及-使液體在排放層段處從液柱排放入周圍巖層，其中讓液體從液柱排放出去的步驟包括在排放層段對生產井壁的處理和/或對排放層段周圍巖層的處理以便提高液體進入周圍巖層的流速。
2.如權利要求1所述的方法，其特徵在於使液體排放出去的步驟還包括在排放層段的生產井壁上布置穿孔。
3.如權利要求1或2所述的方法，其特徵在於通過向液體加入化學活性劑從而對生產井的壁進行處理。
4.如權利要求3所述的方法，其特徵在於該化學活性劑是一種酸。
5.如權利要求1-4中任一所述的方法，其特徵在於通過在周圍巖層中產生裂紋而對其進行處理。
6.如權利要求1-5中任一所述的方法，其特徵在於對液柱施加壓力脈衝。
7.如前述任一權利要求所述的方法，其特徵在於使巖層流體分離的步驟包括將生產井中開採出的氣體組分的流速控制為仍然低於一臨界氣體流速，從而在沒有一專用分離器的情況下巖層液體也能在生產井中分離。
8.如權利要求1-6中任一所述的方法，其特徵在於使巖層流體分離的步驟包括讓巖層流體進入氣體/液體分離器的進口，該分離器具有氣體組分和液體組分的出口。
9.如權利要求8所述的方法，其特徵在於在分離器的液體出口接收的液體通過一導管被引導至生產層段之下的一個位置。
10.如權利要求8或9所述的方法，其特徵在於氣體/液體分離器布置在生產井中。
11.如權利要求10所述的方法，其特徵在於巖層流體包括液體蒸汽或者溶解在氣體中的液體，並且其中生產井中的氣體/液體分離器布置於正常運行期間液體從巖層流體中凝固出來的深度之上。
12.如權利要求8或9所述的方法，其特徵在於分離器布置在地表上。
13.如前述任一權利要求所述的方法，其特徵在於，在正常運行期間，氣體組分連續地開採至地表上；並且其中液柱的液體可以在開採氣體組分的同時排放出去。
14.如權利要求1-12中任一所述的方法，其特徵在於，在正常運行期間，氣體組分的開採每隔一段時間就中斷，其間隔時間足以讓足夠的液體從液柱排放入巖層，以使得液柱高度降低至一預定高度以下。
15.如前述任一權利要求所述的方法，其特徵在於氣體組分主要由烴氣構成，並且其中液體主要由水構成。
16.一種從一地下巖層開採氣體的生產井，該井從地表向下延伸並且布置為貫入地下巖層，該生產井包括一使含有氣體和液體的巖層流體從地下巖層流入生產井的生產層段；和一排放層段，其中生產井是如此地布置使得在正常運行期間從巖層流體分離出的一液體聚集起來以形成一至少部分地覆蓋排放層段的液柱，並且其中排放層段布置為使液體從液柱排放入周圍的巖層，通過對排放層段的生產井壁進行處理和/或對排放層段周圍的巖層進行處理。
17.如權利要求16所述的生產井，其特徵在於還包括一氣體/液體分離器，該分離器具有一巖層流體的進口、一分離的氣體組分的出口以及一分離的液體組分的出口。
全文摘要
一種從地下巖層開採氣體的方法，該地下巖層由一通向地表的生產井所貫入，該方法包括使含有氣體和液體的巖層流體在一生產層段處從地下巖層流入生產井；使巖層流體分離成一氣體組分和一液體組分；通過生產井將氣體組分開採至地表；在生產井中聚集液體組分以形成一液柱，該液柱在生產井的一排放層段具有超過周圍巖層中壓力的壓力；以及包括在排放層段處對生產井壁進行處理和/或對排放層段周圍的巖層進行處理以提高液體進入周圍巖層的流速從而讓液體在排放層段處從液柱排放入周圍巖層。
文檔編號E21B43/00GK1656301SQ03812550
公開日2005年8月17日 申請日期2003年4月24日 優先權日2002年4月24日
發明者迪爾克·J·利格特爾姆, 保盧斯·H·J·韋貝克 申請人:國際殼牌研究有限公司