地下水的生产、传输及注射方法和设备的制作方法

专利名称：地下水的生产、传输及注射方法和设备的制作方法
技术领域：
本发明涉及将水注入储集岩层中以便提高储集层压力并使其中包含的烃流体产 生移动，由此促进将烃流体开采进入相邻的井内。
背景技术：
对于那些熟知如何从地下岩层(formation)中开采出油和其它烃的技术人员而 言，众所周知的是在经过了起初的开采时期之后，通常希望提高烃流入井眼内的流速，而 这是通过将水注入该储集地层以便提高其压力的方式实现的。井眼穿过位于含烃地层上方 相当大的距离处的至少一个地下地层(stratum)的情况也是相当普遍的，而所述至少一个 地下地层会产生进入该井眼内的水。这些含水地层可通过机械密封件或封隔器而被隔离， 或者通过水泥灌浆的方式被隔离，从而使得水不会进入通常从井眼的底部被开采出来的烃 物质流内。根据目前的注水实践，在井眼中产生的或者由其它井点产生的水被泵送到地面上 并被供给至高压泵的进水口。根据可利用的水的体积/流速，水必须在被输送至泵送设施 之前进行蓄积。这些高压泵的排放物随后被输送通过高压管道，这种输送通常是长距离输 送，输送距离例如达到25至30公里，所述高压管道的直径尺寸处在24英寸至30英寸的范 围内。应该理解对于为延伸达几百甚至几千平方公里的油田提供服务的注水系统而言，构 建用于这种注水系统的上述基础设施并使该基础设施运行的资本成本和费用都是相当高 的。上文简要描述了现有技术中的提供加压水以将其注入地下岩层内从而促进烃的开采的 方法，从该简要描述中我们显然意识到所希望的是一种不需要设置该基础设施的设备和 方法。因此，本发明的目的是提供一种方法和设备，该方法和设备使得不需要为了输送 加压注射水而在地面处构建大量的低压和高压管线系统和泵送站。本发明的另一目的是使水从其产生位置到将其注入储集岩层内的注射位置之间 所必须经过的输运距离最小化且因此使相关的能量需求最小化。此外，本发明的目的还在于提供一种使用电潜泵(“ESP”)注射系统的设备和方 法，该电潜泵注射系统受到保护而使得由产生的岩层水所承载的砂粒和颗粒物质不会对该 系统造成损害，且该系统将在完井的安装和收回过程中所耗费的装配时间和成本降至最低 限度。本发明的另一目的是提供一种具有特定构造的独立设备和一种用于将水从上部 岩层区域输送至下部岩层区域的新方法，该设备和方法使得可收回并更换该完井的多个部 分且还使得可接近注射区域以便实施测井操作和修井(well intervention)操作，而不必 从完井中去除排砂筛网。

发明内容
上面的目的和其它优点是通过实践本发明的方法和设备而获得的，所述方法和设备在广义上包括使水从被井眼穿过的产水地层进入井筒(casing)内；在所述井筒的一部 分中收集水；对水进行加压，这例如是使用被固定地定位在所述井筒内部的可拆卸的泵实 现的，该泵位于使水进入的位置处；将所述加压泵输出的物质流引导至所述井筒的下部部 分；将所述加压水排入无烃地层内，优选排入含水地层内，以便产生水压升高的区域，从而 由此促进烃流入一个或多个井眼(wellbore)内，从而将烃开采到地面上。正如所属领域技术人员易于理解地那样所属领域中的通常做法是将水注入位于 含油地层下方的地层内。然而，岩层条件可能会允许将水注入这样的地层内，所述地层包括 阻挡层或其它允许加压水从含油地层上方发挥作用的结构条件。在对包含多个相邻井眼的油田进行加压的过程中，用来引入注射的水以便促进烃 流动的井本身并未用于将烃流体开采到地面上，这一点也是已公知的。而是，该受到促进的 烃流被该油田中的一个或多个相邻的开采井接收，该烃流从所述开采井被输送至地面。在 一个实施例中，本发明可用于将由注射的水促进的烃流接收在同一井筒内，所述注射的水 从该井筒中被排出。在该实施例中，所述井眼通过水泥或其它常规手段与含水地层隔开，且 所述井筒在上部的使水进入的部段与下部的排水部段之间形成了穿孔从而使得烃流可进 入与其它两个井筒部段隔开的第三部段内。在该实施例中，开采出的烃通过开采管道进行 传送，所述传送或者是通过储集层压力的作用实现的或者是通过井下泵或其它常规手段实 现的。本发明披露了用于通过开采工艺管柱来促进从含烃地层中回收烃的方法和用途， 所述含烃地层位于地下储集供应岩层内，所述开采工艺管柱位于处在井眼中的井筒中，所 述方法包括以下步骤a.为所述井筒设置上部隔离组件和下部隔离组件以便限定出所述井筒的第一部 分；b.使水从处于所述储集层中的第一含水地层进入所述井筒的所述第一部分内，所 述第一含水地层位于所述含烃地层上方；c.将加压水从所述井筒的所述第一部分泵送通过立式安装的电潜泵(“ESP”)，所 述立式安装的电潜泵被附接到Y形工具的一条腿上；d.将所述加压水排入被附接到所述Y形工具的第二条腿上的导管内，所述导管穿 过了所述井筒的所述第一部分的所述下部隔离组件；e.将所述水从所述井筒的第二部分排入所述储集层的围绕着所述井筒的第二地 层内，所述第二地层位于与所述储集层中包含的烃邻近的位置处，由此使得通过被排入所 述第二地层内的所述水促进了任何烃从位于所述第二含水地层上方的所述储集层或者是 流入独立的产烃井眼内或者是流入位于同一井眼中的采油管道内。所属领域技术人员易于理解的是该方法可适用于这样的岩层中，其中井眼穿过 一个或多个产水地层，所述一个或多个产水地层位于所述岩层中的将要实施注水以便促进 烃流动的位置上方。在那些存在油/水界面的岩层中，用于实施注射的高压水源必须处在 与存在所述油/水界面的地层隔开的地层中。在常规的完井中，ESP在该完井管柱的底部运行，且因此必须在首先拉出该完井的 情况下才能接近该ESP的下方。在所属领域中已公知的是提供一种使得可接近位于ESP 下方的井眼的ESP旁通系统。这是通过将ESP附接到Y形工具或Y形部件(Y-block)的一侧上而实现的。该布置使得有可能经由ESP(pass the ESP)实施测井操作、设置桥塞、对管 道进行穿孔，且使得可能铺设线路和盘管，而不必拉出该完井。在所属领域中，用于对所述 ESP/Y形工具组件的泵侧进行隔离以便允许通过旁通管道实现向上的流动的各种装置和方 法也是已公知的。在所属领域中，使ESP与开采工艺管柱完全隔开的做法也是已公知的，在 化学注射、酸化和其它操作过程中，或者在井是自由流动式井且不需要ESP的情况下，这种 使ESP与开采工艺管柱完全隔开的做法是希望实现的。然而，所属领域中并未披露ESP与 其它设备的任何组合，所述组合用于将在所述岩层的上部部分处进入井眼内的产生的水泵 送进入注射区域内，所述注射区域位于所述岩层的下部部分中。本发明所使用的设备包括电潜泵，所述电潜泵被安装以使其排放装置具有沿垂直 方向向上的取向。ESP的输出端被附接到Y形工具或其它功能相当的Y形配件上，所述Y形 工具或其它功能相当的Y形配件被安装在井筒中。ESP和Y形工具形成的组件被定位在井 筒中且通过适当的密封件和/或封隔器被隔离以便限定出所述井筒的第一部分，从而通过 所述ESP的进水口接收由第一区域产生的水，该第一区域是所述岩层中的产水或者含水的 地层。正如本文所使用地那样，术语Y形工具旨在包括商业上可得的装置，这包括由油 田设备供应商出售的装置以及在结构上和/或功能上与Y形工具等效的定制装置。在一个优选实施例中，砂筛或过滤器被永久地安装在该第一部分中，以便将通过 该泵以及相关联的配件和管道的固体量降至最低限度，在所述第一部分中所述井筒形成了 穿孔。所述砂筛或过滤器组件是独立的且与ESP和Y形工具组件是分开的，从而使得如果 为了进行检修或为了使得可在上部区域处将其它工具插置通过该井筒而必须去除其它部 件的情况下，过滤器组件仍可被留在适当位置处。过滤器组件在穿孔上方和下方设有密封件且其中心轴向部分是打开的以便接收 与井筒轴线对齐的一根或多根导管。所述Y形工具的上端被帽盖覆盖或以其它方式被密封，从而使得沿向上方向排出 ESP的加压水被向下引导，以便排入所述井筒的所述第二部分内。如上面所述，Y形工具组 件通过适当的密封件和/或封隔器被隔离，从而在该组件的排放端下游保持一定压力。因此，本发明的设备广义上包括将排砂筛网安装在位于所述岩层的上部部分中的 产水区域上，且包括安装Y形工具，所述ESP借助于泵接头(pump sub)被连接至所述ESP。 封闭的短节或者插塞被安装在Y形工具的顶部以便防止加压水流到地面上。注射管的管柱 被连接至所述Y形工具的下端并穿过适当的封隔器密封件，所述封隔器密封件将所述产水 区域与下部注射区域隔离开来。该注射区域同样通过封隔器与产烃区域隔离开来，在优选 实施例中，所述产烃区域位于注射区域上方。在一个特别优选的实施例中，安装了在ESP上方运行的止回阀，以便防止在ESP被 关闭时出现回流。通过ESP的回流潜在可能会造成损伤，这是因为该回流会导致ESP产生 反向旋转。进一步优选的实施例包括将封隔器安装在Y形工具上方以便将ESP的振动降至 最低程度，所述ESP被悬挂在Y形工具的一个分支上。本发明的方法和设备具有多个优点，这包括由于不需要设置地面设施来处理注射 水且不需要构建水管网络而因此节省了成本。由于本发明的系统使得避免了在地面处设置 高压水管、阀和泵，因此还增强了安全性。
当需要注射水以提高烃产量时，本发明的设备相对易于延伸至井。本发明的组件 的设计和构造使用的是常规且易于获得的部件且相比而言，重新进行设计和构造较为容 易。采用本发明还减轻了井筒暴露于滞水中的情况且将因此减轻腐蚀问题并降低相关的维 护成本。来自烃储集层的平衡是通过根据所属领域技术人员众所周知的技术来分布注水 井的方式实现的。


下面将结合附图对本发明的方法和设备进行更详细地描述，在所述附图中，类似 或相似的元件由相同的附图标记表示，且其中图1是被井眼穿透的地面的一部分的示意性垂直剖视图，所述井眼包含用于实践 本发明的方法的设备；和图2是装配有本发明的ESP和Y形工具的组件的井筒的侧视图，图中示出了该井 筒的部分剖面。
具体实施例方式参见图1，图中示意性地示出了立式井眼1，该立式井眼从地面2延伸通过多个地 层，所述多个地层包括第一产水区域1、被标记为区域2的下部注射地层，且该立式井眼随 后进入被大体上标记为区域3的储集岩层内。区域3的上部边界层是水_油界面70。井眼1上衬有井筒管柱10，所述井筒管柱包括多条管道，所述多条管道联接在一 起以便形成管柱。井筒管柱10可由具有相同直径的多条管道形成，或者可由直径随深度减 小的多条管道形成，正如下文将要结合图2进一步讨论地那样。产生烃的管道管柱6从区域3中的井眼的底部向上延伸并穿过井盖4。开采工艺 管柱6可设有一个或多个泵7以便将开采的烃提升到地面上。继续参见示意1，井眼1穿过包括含水地层的区域1。为了防止水向下流动而 穿过由井眼壁和井筒10形成的环形体，使用水泥塞11或其它机械隔障器件填充位于产水 地层下方的环形区域。井筒10设有多个穿孔12以使水进入区域1中的该井筒内部。井筒10的该部分 还装配有包括砂筛18的过滤器组件，以便防止颗粒物质进入井筒的该部分内或者将这种 进入降至最低限度。井筒还装配有组件20，所述组件包括电潜泵22和Y形工具24，且该井筒在该第一 部分中通过密封件和/或封隔器被隔离，从而使得泵22能够将所产生的水抽出通过其进水 口并使加压物质流垂直地通过排放口而进入Y形工具24的一条腿内并通过由附图标记51 示意性地表示的导管从而在附图标记25所示的位置处排出。在附图标记25所示的位置处 被排出的加压水流填充在井筒10的处在下游的第二部分中，在该第二部分处，该加压水流 与围绕开采管6的封隔器32相遇。同样地，在该位置处，介于井筒10的外部与井眼1之间 的环形空间被水泥15填充，或者以其它方式被密封以便防止水向井下流动。加压物质流被 注射通过穿孔14而进入位于油/水界面70上方的储集岩层的区域2内。当注射水的压力 在区域2中积聚时，所产生的效果是使界面70下降，同时为区域3中的烃提供了附加的压力，由此导致烃移向位于井眼1的下端处的压力相对较低的区域。移动的烃通过多个穿孔 16进入井筒10的下端，所述下端优选装配有内部筛网18以便将随着开采的烃进入的固体 颗粒物质的量降至最低限度。其它设备构型包括使导管51延伸通过位于井下的另一封隔器11 (未示出)，该封 隔器用于限定出井筒的设有穿孔14的第二部分。正如图2更加详细地示出地那样，穿孔14 可位于含烃地层下方而位于含水地层中以便促进烃的流动。现在参见图2的放大垂直视图，正如该实施例所示，设备被安装在井筒的第一部 段IOa和第二部段IOb中，其中下部井筒具有更小的直径。正如所属领域技术人员应该理解 地本发明还可以这样的方式被实践，即，将组件安装在具有均勻直径的井筒中，如图1示 意性地示出地那样。设置不同的管道直径会对各种密封件的选型和尺寸、体积流速以及注 射压力的计算造成影响，所有这些都是所属领域技术人员已经掌握的技术，所述密封件大 体上由附图标记28示出。上面描述了主要的元件，包括被附接到Y形工具24上并形成了组件20的一部分 的ESP 22以及相关的配件和导管。电缆26从地面延伸至ESP 22。通过位于上部井筒部段IOa中的穿孔12进入的水会通过过滤器组件18并且被保 持在由ESP封隔器60和封隔器29以及处在密封件井眼接收器56内部的密封件所形成的 室中。如箭头所示，加压水从ESP 22的上端被排出并沿下向流动的方向进入Y形工具24 内。用于构成图2所示的组件的各种其它配件和管道包括位于密封件井眼接收器56中的 隔离密封组件处的坐放短节(landing nipple) 50和剪切接头。该设备中其余的配件包括 搭扣闩锁组件58以便将密封底部和密封件井眼延伸装置59密封在内部并且锁入封隔器64 内。附加的密封件包括被定位在筛网过滤器18上方的直径较大的可收回的密封件62以及 下部的可收回的密封件井眼封隔器64。在进一步优选的实施例中，附加的封隔器被安装在Y形工具上方以便起到支承 ESP并减轻任何振动效应的作用，且还用于对位于封隔器上方的环形空间进行隔离，以使其 免遭含水地层的流体所可能带来的腐蚀效应。该设备的这种构型的重要优点在于使ESP在其直立位置处运行，而不是在从底 部进行排放的倒置位置处运行。这种取向的选择是重要的，原因在于在倒置位置处的运行 过程中施加在ESP上的应力将会影响其有效的运行寿命。正如本发明中所构造地那样，ESP 在其正常的直立运行模式下运行且由此避免了可能出现的应力故障。位于开采用穿孔上方 的该位置使得任何固体都会沉到ESP下方，由此降低了 ESP在长期运行过程中被卡在井眼 中的风险。本发明的设备还具有这样的优点当安装完组件之后需要进行测井或修井时，可 在不去除完井部件的情况下就接近注射区域。进一步的优点包括能够收回ESP和相关联的 管道以便对泵进行修补/维护，而不必去除过滤器组件18的筛网和已经安装的任何完井附 件的能力。组件20可包括注射管柱以便减轻加压物质流中的摩擦损耗，所述注射管柱包括 多种尺寸的较短的旁通管道59。封隔器64被设置以便对产水区域Zl和注射区域Z2进行 隔离，而位于Y形工具单元24上方的另一封隔器60的作用在于将流的振动对ESP产生的 影响降至最低限度。封隔器32使区域Z3的含烃储集层与注射区域Z2隔离开来。
权利要求
一种将水注入含烃的地质储集岩层内以便促进烃流入被定位在所述储集层中的井眼中的一个或多个井筒内的方法，所述方法包括a.为所述井筒设置上部隔离组件和下部隔离组件以便限定出所述井筒的第一部分；b.使水从处于所述储集层中的第一含水地层进入所述井筒的所述第一部分内；c.将加压的水从所述井筒的所述第一部分泵送通过立式安装的电潜泵，所述立式安装的电潜泵被附接到Y形工具的一条腿上；d.将所述加压的水从所述Y形工具的第二条腿排入注射导管内，所述导管穿过了所述井筒的所述第一部分的所述下部隔离组件；e.将所述加压的水从所述注射导管排入所述井筒的由第二隔离组件限定出的下部第二部分内；以及f.将所述水从所述井筒的所述第二部分注入所述储集层的围绕着所述井眼的第二地层内，所述第二地层位于与所述储集岩层中包含的烃邻近的位置处，由此使得通过被排入所述第二地层内的所述水促进了任何烃从所述储集层流入位于所述井眼中的所述井筒内。
2.根据权利要求1所述的方法，所述方法包括使进入的水通过过滤器组件到达井筒的 所述第一部分从而从进入所述泵的水中去除颗粒物质的步骤。
3.根据权利要求2所述的方法，其中所述水由电潜泵(ESP)泵送，所述电潜泵在流体连 通的情况下被操作性地连接至位于所述井筒的所述第一部分中的Y形工具，且使水在位于 所述过滤器组件的排水口上方的位置处到达所述电潜泵的进水口。
4.根据权利要求1所述的方法，所述方法包括将加压水流从所述泵排放出来并将其排 放通过所述Y形工具以便输送至所述井筒的所述第二部分。
5.根据权利要求1所述的方法，所述方法进一步包括通过第二密封件井眼封隔器使所 述井筒的第二部分和所述泵的排放口与井筒的所述第一部分隔离开来。
6.根据权利要求1所述的方法，其中可收回的密封件井眼封隔器被安装以使所述第二 井筒部分与所述第一井筒部分隔离开来。
7.根据权利要求1所述的方法，其中所述井筒的所述第一部分的直径大于所述井筒的 所述第二部分的直径。
8.根据权利要求1所述的方法，其中所述第一地层通过液压方式与所述第二地层隔离 开来。
9.根据权利要求1所述的方法，其中所述第一储集地层和所述第二储集地层位于含烃 地层上方。
10.根据权利要求9所述的方法，其中烃进入所述井筒的与所述第一部分和所述第二 部分隔离开来的第三部分内且通过位于所述井筒的所述第三部分中的开采工艺管柱开口 而被收集并输送至地面。
11.根据权利要求10所述的方法，所述方法进一步包括安装穿过位于所述井筒的所述 第一部分中的所述上部隔离组件和所述下部隔离组件的开采工艺管柱。
12.根据权利要求1所述的方法，其中被排出的水在预定压力下被输送至所述井筒的 所述第二部分。
13.一种促进通过一个或多个井眼从含烃的地下储集岩层中回收烃的方法，所述方法包括a.由位于所述储集层的所述含烃地层上方的第一区域产生水并使该水进入位于所述 井眼中的井筒的被隔离的第一部分内；b.将水从所述第一部分泵送通过与Y形工具和注射导管存在流体连通的电潜泵，所述 注射导管被安装在所述井筒的所述第一部分中；c.将加压的水从所述注射导管排入所述井筒的被隔离的第二部分中；并且d.将所述加压的水从所述井筒的所述第二部分注入位于所述第二区域处的储集岩层 内，所述第二区域位于第三区域下方，所述第三区域为含烃地层，由此被注入所述第二区域内的水的压力促进了烃从所述第三区域流入所述一个或多 个井眼内从而实现回收。
14.根据权利要求13所述的方法，所述方法进一步包括使由所述第一区域产生的水与所述井筒的位于所述第一区域上方的部分隔离开来且 与所述第二区域隔离开来；并且使所述井筒的与所述第二区域邻近的部分与所述井筒的与所述第三区域邻近的部分 隔离开来。
15.一种促进从地下储集岩层中开采出烃的方法，这种促进是通过将水注入位于含烃 储集层下方的岩层内并且将水泵送进入第二地层内以便提高所述烃上的压力从而由此导 致所述烃流向穿过所述储集层的井眼的方式实现的，所述注水是通过从第一地层中抽吸水 而实现的，所述第一地层位于所述含烃地层上方且远离所述含烃地层的位置处且所述第一 地层是富含水的地层，所述第二地层与所述含烃储集岩层是分开且邻近的，该方法所具有 的改进特征在于a.安装具有被附接到Y形工具上的排放出口的电潜泵和被定位在井筒的第一隔离部 分中的注射导管，所述第一隔离部分与所述储集层的所述第一产水地层流体连通；b.使水从所述第一地层进入所述井筒的所述第一部分内；c.沿与所述井筒的纵向轴线对齐的方向将加压的水从所述电潜泵直接泵送通过所述 Y形工具导管而到达所述井筒的第二下部隔离部分，所述第二下部隔离部分与所述第二地 层流体连通；并且d.将所述加压的水注入所述第二地层内。
16.根据权利要求15所述的方法，其中所述泵送出现在所述第一地层的水平处。
17.根据权利要求15所述的方法，所述方法包括对进入所述井筒的所述第一部分内的 水进行过滤。
18.用于输送加压水流以便将其注入含烃储集岩层内从而促进烃流入井眼内以便将烃 开采到地面上的设备，其中所述注射水作为地下水而从被所述井眼穿过的上部的地下地层 流出，所述设备包括a.电潜泵(ESP)和与所述电潜泵流体连通的Y形工具，所述电潜泵被定位在位于所述 井眼中的井筒的第一部分中以便垂直地排出加压地下水流，由此来自所述电潜泵的所述加 压水流沿井下方向从所述Y形工具被排入所述井筒的位于所述第一井筒部分下方的第二 部分内以便将所述水注入所述储集层内；b.隔离器件，所述隔离器件限定出所述井筒的所述第一部分且用于接收被连接至所述
全文摘要
本发明提供了一种用于使位于通过液压方式而与含烃储集岩层分开的地层中的地下水供应源产生转向，以便将水注入与油/水界面邻近的储集层内从而提高流动通过一个或多个井眼的烃的流速和产率，而无需将注射水泵送到地面上的方法和设备。电潜泵(ESP)和Y形工具的组件被定位在所述井眼中而位于所述地下水供应装置的水平处，且水被向下泵送通过井筒以便注入例如位于所述含烃储集岩层下方的岩层内。适当的密封件、封隔器和水泥塞被设置以使所述高压注射水与被吸入所述井筒的所述第一上部部分内的地下水隔离开来。
文档编号E21B43/38GK101903617SQ200880004866
公开日2010年12月1日 申请日期2008年2月13日 优先权日2007年2月13日
发明者A·M·埃尔梅特瓦利, A·S·阿尔-穆海什, A·S·阿尔-贾里 申请人:沙特阿拉伯石油公司