专利名称：油田改进的就地燃烧工艺的制作方法
技术领域：
本发明涉及当从地下油藏中进行石油开采时通过利用水平生产井进行的末端到 跟部就地燃烧工艺(toe-to-heel in situ combustion process)而提高安全性和采收率 的工艺，例如美国专利5，626，191和6，412，557所公开的。
背景技术：
美国专利5，626，19和6，412，557在这里并入它们的全部，上述专利公开了用于 从地下油藏(100)中生产石油的就地燃烧工艺，该工艺利用了布置在油藏(100)中相对 高的注入井(10 和在油藏(100)中相对低的全部生产井(103-106)。生产井具有水平 段(107)，该水平段一般被定向为垂直于从注入井(102)扩散的、通常为直线的、并横向上 垂直延伸的燃烧前沿。段(107)被定位在前进的燃烧前沿的路径上。空气，或其它氧化气 体，例如富氧空气，通过井102被注入，该井102可以是垂直井、水平井或这样井的组合。美 国专利5，626，19中的工艺被称作“THAI ”，是“末端到跟部空气注入”的缩写，美国专利 6，412，557中的工艺被称作“Capri ”，Archon技术有限公司拥有该商标，该公司是加拿大 Alberta卡尔力口里[力口拿大西南部城市]Petrobank Energy and Resources Ltd.的一个子 公司。引起关注的是氧气进入水平井内时THAI 和Capri 工艺的安全性，它有可能在油 井内和极端高温的情况引起石油燃烧，而这将毁坏油井。如果注入速度保持的很低，这样的 氧气突进将不会发生，然而，为了维持高的产油率和在燃烧前缘处高的氧气流量，高的注入 速度是值得期待的。已经知道高的氧气流量能使燃烧保持在高温氧化(HTO)状态，达到高 于350°C的温度，并把燃料基本上燃烧成二氧化碳。在低的氧气流量下，低温氧化(LTO)发 生，而且温度不超过350°C。在LTO状态下，氧气变得包含到有机分子内，形成极性化合物， 它稳定了有害的水-油乳液和因为形成了羧酸而加速了腐蚀。总之，使用相对低的氧化剂 注入速度不是防止水平井中燃烧的可接受方法。所需要的是在防止氧气进入水平井的同时增加氧化气体注入速度的方法。本发明 提供了这样一种方法。
发明内容
THAI 和Capri 工艺依赖于两种驱动油、水和燃烧气体进入水平井筒内以运送到 地面的力。这些是重力泄油和压力。液体，主要是石油，在重力作用下排到井筒内，因为井 筒被布置在油藏的较低区域内。液体和气体在压力梯度的作用下一起向下流动进入水平井 筒内，该压力梯度是在油藏和井筒之间建立的。在油藏预加热阶段，或启动程序，蒸汽通过延伸到井末端的管道在水平井内循环。蒸汽通过套管的环空流回地面。这个过程在浙青油藏内是必要的，因为可以进入油井内的 冷油将非常粘而且流动不好，可能阻塞井筒。蒸汽也通过注入井循环，也注入到注入井和水 平井末端之间的区域内的油藏中，以在开始向油藏内注入氧化气体之前加热油并增加它的 流动性。前面提到的专利表明，通过连续的氧化气体注入，一准垂直的燃烧前缘形成并从 水平井的井末端方向向井跟部横向移动。因此，相对于燃烧区的位置，形成了油藏的两个区 域。朝向末端方向，是主要由氧化气体充满的石油枯竭区域，在另一边是包括冷油或浙青的 油藏区域。在较高的氧化剂注入速度下，油藏压力升高，可以超过燃料沉积速度，因此包含 剩余氧气的气体可以被推入石油枯竭区域内的水平井筒。油和氧气一起在井筒内的结果是 引起燃烧，和当达到高温时，或许超过1000°c时，可能发生爆炸。这可以给井筒带来不能挽 回的损失，包括挡砂筛管的失效。为了安全和连续采油作业，必须避免氧气的存在和井筒温 度超过425 °C。几种阻止氧气进入生产井的方法是基于减少油藏和水平井筒之间的压差。这些 是1.为了减少油藏压力而降低氧化气体的注入速度，和2.为了增加井筒压力而降低流体 减少速度。这两种方法都导致采油速度的下降，这在经济上是有害的。传统的观点也认为， 直接向井筒内注入流体将增加井筒压力，但对开采速度非常有害。因此，为了克服现有技术的缺点，并增加从地下油藏开采烃的安全性和生产能力， 在第一概括性实施例的本发明中包括了用于从地下油藏开采液体烃的就地燃烧工艺，该工 艺包括步骤(a)提供至少一个注入井，该注入井用于把氧化气体注入到地下油藏的上面部 分；(b)提供至少一个生产井，该生产井具有大体上水平段和连接于所述水平段的大 体上的垂直生产井，该水平段具有在它与垂直生产井的连接点附近的跟部部分和在水平段 相对的端部的末端部分；(c)通过注入井注入氧化气体以进行就地燃烧，这样，产生了燃烧气体，其中燃烧 气体作为沿着所述水平段并大体上垂直于水平段的前缘逐步地横向前进，而且流体排进所 述水平段内；(d)在生产井内提供用于把蒸汽、水或非氧化气体注入所述生产井的所述水平段 部分的管道；(e)把从包括蒸汽、水和非氧化气体的介质组中选出的介质注入到所述管道内，这 样所述介质通过所述管道运输到所述水平段部分中；和(f)在生产井的水平段内从所述生产井开采烃。在本发明另外的概括性实施例中，本发明包括从地下油藏开采液体烃的就地燃烧 工艺，该工艺包括步骤(a)提供至少一个注入井，该注入井用于把氧化气体注入到地下油藏的上面部 分；(b)提供至少一个注入井，该注入井用于把蒸汽、非氧化气体或随后将被加热成蒸 汽的水注入到地下油藏的下面部分；(c)提供至少一个生产井，该生产井具有大体上水平段和连接于所述水平段的大体上的垂直生产井，该水平段具有在它与垂直生产井的连接点附近的跟部部分和在水平段 相对的端部的末端部分；(d)通过注入井注入氧化气体以进行就地燃烧，这样，产生了燃烧气体，其中燃烧 气体作为沿着所述水平段并大体上垂直于水平段的前缘逐步地横向前进，而且流体排进所 述水平段内；(e)把介质注入所述注入井，其中所述介质从包括蒸汽、水和非氧化气体的介质组 中选出；和(f)在生产井的水平段内从所述生产井开采烃。在本发明另外的实施例中，本发明包括通过注入井向储层注入介质的上述步骤和 通过管道将介质注入水平段内的步骤。因此，在这个另外的实施例中，本发明包括从地下油 藏开采液体烃的方法，该方法包括步骤(a)提供至少一个注入井，该注入井用于把氧化气体注入到地下油藏的上面部 分；(b)提供至少一个注入井，该注入井用于把蒸汽、非氧化气体或随后将被加热成蒸 汽的水注入到地下油藏的下面部分；(c)提供至少一个生产井，该生产井具有大体上水平段和连接于所述水平段的大 体上的垂直生产井，该水平段具有在它与垂直生产井的连接点附近的跟部部分和在水平段 相对的端部的末端部分；(d)在生产井内提供用于把蒸汽、水或非氧化气体注入所述生产井的所述水平段 部分的管道；(e)通过注入井注入氧化气体以进行就地燃烧，这样，产生了燃烧气体，其中燃烧 气体作为沿着所述水平段并大体上垂直于水平段的前缘逐步地横向前进，而且流体排进所 述水平段内；(f)把介质注入所述注入井，其中所述介质从包括蒸汽、水和非氧化气体的介质组 中选出；和(g)在生产井的水平段内从所述生产井开采烃。如果介质是蒸汽，它被通过注入井或生产井中的管道二者之一或全部注入到油藏 /储层中，在这种状态下，通常压力在7000Kpa。作为选择，当注入的介质是水，这样的方法计划当把水供给到油藏时，水被加热以 变成蒸汽。当水通过注入井和/或生产井中的管道二者之一或全部到达储层时，水可以在 这样的输送过程中、或一旦离开注入井和/或生产井的管道进入储层时立即被加热成蒸汽。
附图1是THAI 就地燃烧工艺的示意图，其中的标记如下标志A代表重油或浙青油藏的顶部层位，而B代表这样油藏/储层的底部层位。C代表垂直井，D显示了诸如空气之类的氧化气体通常的注入点。E代表了把蒸汽或非氧化气体注入到油藏的通常位置。这是本发明的一部分。F代表了部分射孔的水平井套管。流体进入套管，通常由穿过布置在水平井跟部的
7另一个管道(未示出)的天然气气举直接运输到地面。G代表了放置在水平段内的管道。管道的开口端可以位于套管端部附近，如图所 示，或者其它地方。管道可以是容易在套管内重新定位的“挠性油管”。这是本发明的一部 分。要素E和G是本发明的部分，蒸汽或非氧化气体可以在E和/或G处注入。E可以 是单独井的部分，或可以是用于注入氧化气体的同一井的部分。这些注入井可以是垂直的、 倾斜的或水平井或其它，每一个可以供应几个水平井。例如，使用如美国专利5，626，191和6，412，557描述的一排平行的水平段，蒸汽、 水或非氧化气体可以在水平段末端附近的水平段之间任何位置注入。附图2是用作模型的油藏示意图。该示意图没有按照比例绘制。只是显示了“对 称单元”。水平段之间的全部间距是50米，但是只有半油藏需要在STARS 计算机软件中定 义。这节约了计算时间。对称单元的全部尺寸是长度A-E是250米；宽度A-F是25米；高度F-G是20米。井的位置如下氧化气体注入井J被布置在第一网格内距角A50米(A-B)的B点。水平井K的末 端在A到F之间的第一网格内，它沿着油藏的长度偏离注入井J15米(B-C)。水平井K的跟 部位于D点，距油藏的角E50米。水平井K的水平部分长135米(C-D)，并布置在油藏底部 之上2. 5米(A-E)的第三网格内。注入井J在两个⑵位置射孔。H处的射孔是氧化气体的注入点，而I处的射孔是 蒸汽或非氧化气体的注入点。水平段(C_D)50%被射孔并且在末端附近具有管道开口(未 显示，见图1)。
具体实施例方式THAI 工艺的操作已经在美国专利5，626，19和6，412，557中进行了描述，这里简 单回顾一下。氧化气体，典型地是空气、氧气、或富氧空气，被注入到油藏的上面部分。以前 放置的焦炭消耗掉了氧气，因此只有没有氧气的气体在焦炭区之前接触石油。典型地600°C 以及高达1000°C的燃烧气体温度是由焦炭燃料的高温氧化实现的。在可动油区域(MOZ)， 这些热的气体和蒸汽把油加热到超过400°C，部分地裂解了石油、气化了一些组分并大大降 低了石油粘度。石油中最重的组分，例如浙青质，残存在岩石上，当后来燃烧前缘到达这个 位置时，它将构成焦炭燃料。在Μ0Ζ，在重力和井的低压力沉降作用下，气体和石油向下排放 到水平井内。焦炭和MOZ区域侧向上沿着从水平井末端到跟部的方向移动。燃烧前缘后面 的区域被标记为已燃区域。MOZ之前的是冷油。随着燃烧前缘的前进，油藏的已燃区域耗尽了液体(油和水)，充满了氧化气体。 对着这个已燃区域的水平井部分具有接收到氧气的危险，氧气将燃烧井内出现的石油，并 产生极端高的井筒温度，而极端高的井筒温度将损害钢质套管，尤其还会损害用于允许流 体进入但是阻挡住砂子的防砂筛管。如果防砂筛管失效，松散的油藏砂子将进入井筒，这 样必须关井以进行彻底清理并用水泥塞进行补救。由于井筒内可以具有爆炸程度的油和氧 气，这种作业非常困难而且危险。为了量化流体注入水平井筒内的效果，进行了大量的该工艺的计算机数值模拟。以各种速度按照两种方法把蒸汽注入到水平井内1.通过放置在水平井内的管道，和2.通 过在水平井末端周围油藏底部附近延伸的单独的井。这两种方法减少了氧气进入井筒内的 偏好，但是带来了令人吃惊并违反直觉的好处石油采收率增加了，焦炭在井筒内的堆积减 少了。因此，可以在保持安全操作的同时，使用更高的氧化气体注入速度。据发现，把蒸汽加到油藏的两种方法都通过降低氧气进入水平井筒的趋势、提供 了涉及THAI 工艺安全性的优势。它也使以更高氧化气体向油藏注入速度和更高采收率变 得可行。为了评价通过注入蒸汽或非氧化气体而降低水平井筒内压力的后果，进行了大 量的THAI 工艺的计算机模拟。软件是由加拿大Alberta，Calgary计算机模型组提供的 STARS 就地燃烧模拟器。表4.列出模型参数。模拟器SARTS 2003. 13，计算机模型组有限公司模型尺寸长250 米，100 个网格，eac宽25米，20个网格高20米，20个网格网格尺寸为2· 5米X 2. 5米X 1. 0米(LWH)水平生产井一个不连续的井，其水平段长度为135米，从网格沈，1，3延伸到80，1，3。水平段 末端偏移垂直空气注入器15米。垂直注入井氧化气体(空气)注入点20，1，1 4 (向上4个网格)氧化气体注入速度65，000立方米/天，85000立方米/天或100000立方米/天蒸气注入点20，1，19 20 (向下2个网格)岩石/流体参数组份水，浙青，改质物(upgrade)，甲烷，二氧化碳，一氧化碳/氮气，氧气，焦炭非均质性均质砂岩渗透率6. 7达西(h)，3. 4达西(ν)孔隙度33%饱和度浙青80%，水20%，气体摩尔分数0. 114浙青粘度在10°C下;340，000厘泊.浙青平均摩尔重量550AMU改质物(upgrade)粘度在10°C下664厘泊改质物(upgrade)平均分子量330AMU物理条件油藏温度20°C天然油藏压力J600kPa井底压力4000kPa化学反应
1. 1. 0 浙青——> 0. 42 改质物(upgrade) +1. 3375 甲烷 +20 焦炭2. 1. 0浙青+16氧"0. 05——> 12. 5水+5. 0甲烷+9. 5 二氧化碳+0. 5 一氧化碳 /氮气+15焦炭3. 1. 0焦炭+1. 225氧——> 0. 5水+0. 95 二氧化碳+0. 05 一氧化碳/氮气实施例实施例1表Ia显示的是以65，000立方米/天(标准温度和压力下)的速度把空气注入到 垂直注入器(图1中的E)的模拟结果。在油藏底部井J的I点处注入零蒸气的情况不是 本发明的部分。在65，000立方米/天的空气注入速度下，即使没有蒸汽注入也没有氧气进 入水平井筒内，最高井筒温度从没超过目标值425 °C。然而，正如可以从下面的数据看出来的，与直觉预期相反，以5到10立方米/天 (水当量)的程度在油藏比较低的点(附图1中的E)低程度的蒸汽注入为提高采收率提供 了大大的好处。在注入的介质是蒸汽时，下面的数据提供了这样蒸汽的水当量的体积，因为 否则确定供应蒸汽的体积就它依赖于蒸汽形成时所处地层的压力而言是很困难。当然，当 水注入地层，随后在它向着地层移动过程中变成蒸汽，产生蒸汽的数量简单地是下面给出 的水当量，它典型地是大约所供应水的体积的IOOOx的数量级(依赖于压力)。
表Ia
蒸汽注入速度 立方米/天
空气速度65,000立方米/天一在油藏底部注入蒸汽
井最高温度井筒中最大焦炭井筒中最大氧气浙青采收率 平均油产量
权利要求
1.一种用于从地下油藏开采液体烃的、在燃烧前缘通过地下油藏前进期间的就地燃烧 工艺，其特征在于包括步骤(a)提供至少一个注入井，该注入井用于把氧化气体注入到所述地下油藏的上面部分；(b)提供至少一个生产井，该生产井具有大体上水平段和连接于所述水平段的大体上 的垂直生产井，该水平段具有在它与所述垂直生产井的连接点附近的跟部部分和在所述水 平段相对的端部的末端部分；(c)通过所述注入井注入氧化气体以在地层中进行就地燃烧，这样，产生了燃烧气体， 使得所述燃烧气体作为沿着所述水平段并大体上垂直于水平段的前缘逐步地横向前进，而 且流体排进所述水平段内；(d)在所述生产井里面的所述垂直段和所述水平段的至少一部分内提供管道，该管道 用于把蒸汽、水或非氧化气体沿所述生产井的所述水平段注入到在水平距离上靠近形成的 燃烧前缘的所述生产井的所述水平段部分；(e)把从包括蒸汽、水和非氧化气体的介质组中选出的介质注入到所述管道内，这样所 述介质通过所述管道运输到所述水平段部分中；和(f)在所述生产井的水平段里从所述生产井开采烃。
2.如权利要求1所述的用于从地下油藏开采液体烃的、在燃烧前缘通过地下油藏前进 期间的就地燃烧工艺，还包括步骤当将所述蒸汽、水或非氧化气体供应到所述水平段时， 利用所述蒸汽、水或非氧化气体对所述水平段加压，以减小或防止氧化气体进入所述水平 段中。
3.如权利要求1或2所述的用于从地下油藏开采液体烃的、在燃烧前缘通过地下油藏 中前进期间的就地燃烧工艺，其中所述介质是水，所述水在供给到所述油藏时被加热以变 成蒸汽。
4.如权利要求1-3中任一项所述的用于从地下油藏开采液体烃的、在燃烧前缘通过地 下油藏前进期间的就地燃烧工艺，其中所述注入井是垂直井、倾斜井或水平井。
5.如权利要求1-4中任一项所述的用于从地下油藏开采液体烃的、在燃烧前缘通过地 下油藏前进期间的就地燃烧工艺，所述注入所述介质的步骤还包括把所述水平井加压到 一定压力，以允许把所述介质注入到地下油藏中。
6.如权利要求1-5中任一项所述的用于从地下油藏开采液体烃的、在燃烧前缘通过地 下油藏前进期间的就地燃烧工艺，其中把非氧化气体单独或与蒸汽或水一起注入到所述管 道内。
7.如权利要求1-6中任一项所述的用于从地下油藏开采液体烃的、在燃烧前缘通过地 下油藏前进期间的就地燃烧工艺，其中所述管道的开口端在所述水平部分末端附近，以便 允许把蒸汽或加热的非氧化气体输送到所述末端。
8.如权利要求1-7中任一项所述的用于从地下油藏开采液体烃的、在燃烧前缘通过地 下油藏前进期间的就地燃烧工艺，其中所述管道被部分拉回或以其他方式重新定位，以沿 着所述水平段改变蒸汽、水或非氧化气体的注入点。
9.如权利要求1-8中任一项所述的用于从地下油藏开采液体烃的、在燃烧前缘通过地 下油藏前进期间的就地燃烧工艺，其中蒸汽、水或一种或多种非氧化气体被连续地或周期性地注入。
10.如权利要求1-9中任一项所述的用于从地下油藏开采液体烃的、在燃烧前缘通过 地下油藏前进期间的就地燃烧工艺，其中所述介质是水，且所述水随后被加热成为蒸汽，并 且还经由所述注入井的远端提供给地层的所述下面部分。
11.如权利要求1-10中任一项所述的用于从地下油藏开采液体烃的、在燃烧前缘通过 地下油藏前进期间的就地燃烧工艺，其中所述至少一个注入井还用于将氧化气体注入地层 的上面部分，并且还用于将蒸汽、非氧化气体或水注入地下油藏的下面部分，其中水随后被 加热变成蒸汽，所述工艺还包括步骤将所述氧化气体注入地层的所述上面部分，并且经由 所述至少一个注入井将所述蒸汽、非氧化气体或水不仅注入所述管道中，还注入地层的所 述下面部分中。
12.如权利要求1-11中任一项所述的用于从地下油藏开采液体烃的、在燃烧前缘通过 地下油藏前进期间的就地燃烧工艺，还包括步骤i)提供至少一个其它注入井，用于将蒸汽、非氧化气体或水注入地下油藏的下面部分， 其中水随后被加热变成蒸汽；和 )将所述蒸汽、非氧化气体或水注入所述其它注入井中并注入所述管道中。
13.一种用于从地下油藏开采液体烃的就地燃烧工艺，其特征在于包括步骤(a)提供至少一个氧化气体注入井，该注入井用于把氧化气体注入到地下油藏的上面 部分；(b)所述至少一个注入井还适于在所述燃烧前缘通过地下油藏前进期间把蒸汽、非氧 化气体或随后将被加热成蒸汽的水注入到地下油藏的下面部分；(c)提供至少一个生产井，该生产井具有大体上水平段和连接于所述水平段的大体上 的垂直生产井，该水平段具有在它与所述垂直生产井的连接点附近的跟部部分和在所述水 平段相对的端部的末端部分；(d)通过所述氧化气体注入井注入氧化气体以进行就地燃烧，这样，产生了燃烧气体， 其中所述燃烧气体作为沿着所述水平段并大体上垂直于水平段的前缘逐步地横向前进，而 且流体排进所述水平段内；(e)把介质注入所述注入井，其中所述介质从包括蒸汽、水和非氧化气体的介质组中选 出；和(f)在所述生产井的水平段内从所述生产井开采烃。
14.如权利要求13所述的用于从地下油藏开采液体烃的就地燃烧工艺，其特征在于还 提供步骤i)将氧化气体提供给所述注入井，从而所述燃烧气体作为大体上垂直于水平段的前缘 在离开所述注入井的方向上逐步地横向前进。
15.如权利要求13或14所述的用于从地下油藏开采液体烃的就地燃烧工艺，其中所述 介质是水，且所述水随后被加热成为蒸汽，并且还经由所述注入井的远端提供给地层的所 述下面部分。
16.一种用于从地下油藏开采液体烃的就地燃烧工艺，其特征在于包括步骤(a)提供至少一个氧化气体注入井，用于把氧化气体注入到所述地下油藏的上面部分；(b)提供至少一个其它注入井，用于把蒸汽、非氧化气体或随后将被加热成蒸汽的水注 入到所述地下油藏的下面部分；(C)提供至少一个生产井，该生产井具有大体上水平段和连接于所述水平段的大体上 的垂直生产井，该水平段具有在它与所述垂直生产井的连接点附近的跟部部分和在所述水 平段相对的端部的末端部分；(d)通过所述氧化气体注入井注入氧化气体以进行就地燃烧，这样，产生了燃烧气体， 其中所述燃烧气体作为沿着所述水平段并大体上垂直于水平段的前缘逐步地横向前进，而 且流体排进所述水平段内；(e)把介质注入所述其它注入井，其中所述介质从包括蒸汽、水和非氧化气体的介质组 中选出；和(g)在所述生产井的水平段内从所述生产井开采烃。
17.如权利要求16所述的用于从地下油藏开采液体烃的就地燃烧工艺，其中所述介质 是水，所述水随后被加热以变成蒸汽，并且通过所述其它注入井的远端提供给地层的所述 下面部分。
全文摘要
本发明提供一种从地下石油储层中在末端-跟部就地燃烧工艺中开采石油的方法，具有至少一个把氧化气体注入到地下储层的注入井和一个生产井，该生产井具有大体上水平段和连接所述水平段的大体上的垂直生产井，其中大体上水平段向着注入井延伸，该水平段具有在它与垂直生产井的连接点附近的跟部部分和在水平段相对的端部的末端部分。改进包括或者i)在生产井内提供管道，通过所述管道把蒸汽或水注入到水平段部分，这样蒸汽/水输送到末端部分，ii)除了氧化气体外把蒸汽/水注入到注入井内，或者iii)提供和执行步骤i)和ii)的全部。
文档编号E21B43/30GK102128020SQ20111004972
公开日2011年7月20日 申请日期2005年6月7日 优先权日2004年6月7日
发明者康拉德·阿亚斯 申请人:阿克恩科技有限公司