用于重油开采和原位蒸汽发生的电磁辅助式陶瓷材料

摘要

本发明提供了一种改进从地层开采重油的井下工具和利用该井下工具的方法。改进从地层开采重油的方法包括将井下工具放置在第一井筒中。井下工具包括具有至少一个陶瓷部的外芯部和位于外芯部内的至少一个电磁天线。从至少一个电磁天线发出电磁辐射，以加热至少一个陶瓷部。

说明书

发明人：萨米·伊萨·巴塔尔赛

技术领域

本发明总体上涉及提高原油采收率。更具体而言，本发明涉及 用于重油开采和原位蒸汽发生的电磁辅助式陶瓷材料。

背景技术

提高原油采收率涉及从储层开采额外量的原油的技术。提高原 油采收率的重点在于重油储层的开采，并且旨在提高从地层到井筒生 产流量。为从目标地层生产重油，非常有利的是，降低地层中的重油 的粘度。在许多情况下，热量被引入到地层中，以降低粘度并使油流 动。其中，可以被引入到地层中的温度提高的方法是注蒸汽、原位燃 烧或包括微波在内的电磁加热。

注蒸汽是目前全球范围内使用的最常见的热开采方法。蒸汽辅 助重力泄油(SAGD)是注蒸汽方法和两个平行的水平井(上井和下 井)钻到目标区域的构造的形式。上井用于注入蒸汽，以递送能够提 高储层温度的热能。这降低了重油的粘度并提高了流动性，从而允许 油因重力效应而排出并且向下流动，以经由下部水平井(产油油井) 产出。需要改进的原位蒸汽发生系统，以进一步改善这些类型的提高 原油采收率的方法。

电磁波技术在重油开采中具有潜力。使用电磁波技术的现有尝 试主要针对电磁式井下工具的使用，但因为热穿透深度(例如，井筒 附近的几英尺)有限以及在产生足够的能量用于商业生产方面的效率 较低，因此现有尝试取得的成功非常有限。

发明内容

在一个方面中，本发明提供了一种改进从地层开采重油的井下 工具。井下工具包括外芯部，该外芯部包括至少一个陶瓷部和至少一 个实心陶瓷部。井下工具还包括位于外芯部内的至少一个电磁天线。 至少一个电磁天线可操作地发出电磁辐射，该电磁辐射可操作地加热 网状陶瓷部和实心陶瓷部。

在本发明的另一实施例中，改进从地层开采重油的井下工具包 括内芯部，该内芯部可操作地允许流体的流动。井下工具还包括外芯 部，该外芯部具有至少一个网状陶瓷部和至少一个实心陶瓷部。至少 一个电磁天线设置在内芯部与外芯部之间。至少一个电磁天线可操作 地发出电磁辐射，该电磁辐射可操作地加热至少一个网状陶瓷部和至 少一个实心陶瓷部。

在另一方面中，本发明提供了一种改进从地层开采重油的方法， 该方法包括将井下工具放置在第一井筒中。井下工具包括具有至少一 个陶瓷部的外芯部和位于外芯部内的至少一个电磁天线。从至少一个 电磁天线发出电磁辐射，以加热至少一个陶瓷部。

在本发明另一实施例中，改进从地层开采重油的方法包括将井 下工具放置在井筒中。井下工具具有：内芯部，其可操作地允许流体 的流动；外芯部，其包括至少一个网状陶瓷部和至少一个实心陶瓷部； 以及至少一个电磁天线，其设置在内芯部与外芯部之间。从至少一个 电磁天线发出电磁辐射。至少一个网状陶瓷部和至少一个实心陶瓷部 被加热到比流体的沸点高的温度。将流体注入到内芯部中。使流体从 内芯部流动穿过至少一个网状陶瓷部到达地层。流体在流动穿过至少 一个网状陶瓷部时被转变为蒸汽。

附图说明

图1A和图1B示出了根据本发明实施例的电磁式井下工具。

图1C示出了具有根据本发明实施例的图1A和图1B的电磁式 井下工具的井筒。

图2A、图2B和图2C示出了具有根据本发明实施例的装置的井 筒。

具体实施方式

虽然出于说明的目的以下详细说明包含许多具体细节，但应当 理解的是，本领域普通技术人员将认识到，以下细节的许多实例、变 化和改变都在本发明的范围和精神内。因此，在不失一般性的情况下 和在没有对所要求保护的本发明的实施例强加限制的情况下，阐述了 本文所述和附图所示的本发明的各示例性实施例。

在一个方面中，本发明提供了一种改进从地层开采重油的井下 工具。井下工具具有包括至少一个陶瓷部的外芯部。井下工具还包括 设置在外芯部内的至少一个电磁天线。至少一个电磁天线可操作地发 出电磁辐射，该电磁辐射可操作地加热陶瓷材料。

在另一方面中，本发明提供了一种改进从地层开采重油的方法， 该方法包括将井下工具放置在第一井筒中。井下工具包括具有至少一 个陶瓷部的外芯部和位于外芯部内的至少一个电磁天线。从至少一个 电磁天线发出电磁辐射，以加热至少一个陶瓷部。

图1A至图1C示出了本发明的实施例。如图所示，井下工具100 具有内芯部105，内芯部105可操作地允许流体流动。井下工具100 还包括外芯部110，外芯部110包括至少一个网状陶瓷部115和至少 一个实心陶瓷部120。井下工具100还包括至少一个电磁天线125， 电磁天线125设置在内芯部105与外芯部110之间。

在另一方面中，本发明提供了使用井下工具100的方法。该方 法包括如图1C和图2A所示那样将井下工具100放置在地层130中 的井筒内。在图1C的实施例中，井下工具100具有实心陶瓷部120 和网状陶瓷部115这两者，但是在替代实施例中，井下工具100可以 仅具有实心陶瓷部120，或者可以仅具有网状陶瓷部115。井下工具 100具有用于将井下工具100附接在钻柱134上的连接器132，使得 井下工具100能够被可拆卸地下放到钻孔200中。钻孔200可以是竖 直钻孔或水平钻孔。井下工具100可以通过常规方法下放到钻孔200 中，例如在测井电缆、连续油管或钻柱上。在图2A的实施例中，井 下工具100被代替成一体地形成为井结构的一部分。

从至少一个电磁天线125发出电磁辐射。陶瓷部被加热到比流 体的沸点高的温度。井下工具100可以以这种方式被用作热源。例如， 热源可以在以下方面比较有用：提高地层的温度以降低重油的粘度， 并且允许更容易地产出重油。在陶瓷部仅包括实心陶瓷部120的某些 实施例中，从井下工具100辐射热量。在工具100具有至少一个网状 陶瓷部115的其他实施例中，流体可以经由孔170被注入到内芯部 105中。流体被允许从内芯部105流动穿过至少一个网状陶瓷部115 到达地层130。流体在流动穿过至少一个网状陶瓷部115时被转变为 蒸汽。

井下工具100的网状陶瓷部115和实心陶瓷部120可以由相同 或不同的材料制成。在一般情况下，用于网状陶瓷部115和实心陶瓷 部120这两者的陶瓷材料具有独特的特性。具体而言，至关重要的是， 所选择的陶瓷材料当暴露于电磁辐射时可操作地升温。在一些实施例 中，陶瓷材料快速发热。在一些实施例中，陶瓷材料在几分钟内发热。 在一些实施例中，陶瓷材料在小于约5分钟内发热。在一些实施例中， 陶瓷材料在小于约3分钟内发热。在一些实施例中，陶瓷材料包括来 自先进陶瓷技术(AdvancedCeramicTechnologies)的升温陶瓷材料， 例如CAPS、B-CAPS、C-CAS和D-CAPS产品。这些产品通常是天 然粘土，包括二氧化硅、氧化铝、氧化镁、钾、三氧化二铁、氧化钙、 氧化钠和氧化钛。在一些实施例中，陶瓷材料当暴露于来自至少一个 电磁天线125的电磁辐射时可以被加热到至少约1000℃。另外，在 一些实施例中，陶瓷材料也可模制，并且可以形成为井下使用所需的 任何形状和尺寸。在一般情况下，陶瓷材料在暴露于电磁辐射时发热， 从而加热附近的地层130的区域。热穿透深度在地层130中将更宽和 更深。能量效率也将得到改善。

至少一个网状陶瓷部115可操作地允许流体从内芯部105流动 到地层130。在一些实施例中，实心陶瓷部120可以被制造为实心多 孔陶瓷部，以允许流体的流动。当加热时，随着流体从内芯部105 到地层130穿过网状陶瓷部115和实心多孔陶瓷部120，网状陶瓷部 115和实心多孔陶瓷部120可操作地将流体转变为蒸汽。然后蒸汽加 热周围地层130中的重质原油和/或沥青，从而降低重质原油和/或沥 青的粘度，使得它们流动来用于生产。

网状陶瓷部115和实心多孔陶瓷部120可被用于允许粘度降低 的重油从地层130流动穿过网状陶瓷部115和实心多孔陶瓷部120 到达内芯部105，并且通过相同的井筒进行生产。因此，工具100可 用于增产处理和生产这两者。对于需要热量的任何应用而言，实心陶 瓷部120将用作热源，例如用于加热重油，从而协助降低重油的粘度， 并允许重油流动并产出。

本发明实施例中所使用的流体可以是能够被陶瓷部转变为蒸汽 并用于降低陶瓷部附近的地层130中的粘度的任何流体。在一些实施 例中，流体是水。

至少一个电磁天线125可以是构造为用于井下使用并且可操作 地发出将加热至少一个网状陶瓷部115和至少一个实心陶瓷部120 的电磁辐射频率范围的任何天线。在一些实施例中，电磁辐射频率范 围为从300MHz到300GHz。在一些实施例中，至少一个电磁天线125 将基于来自地面的信号被激励。在一些实施例中，至少一个电磁天线 125将被无线地激励。在一些实施例中，至少一个电磁天线125将是 硬接线的。在一些实施例中，至少一个电磁天线125连续发出辐射。 在一些实施例中，至少一个电磁天线125以间歇方式发出辐射。在另 一实施例中，沿所有方向360度地发出辐射。在本发明实施例中使用 的天线可以从加利福尼亚州的帕洛阿尔托的通信和电力工业公司总 部(Communications&PowerIndustriesCorporateHeadquarters,Palo Alto,California)和加利福尼亚州的帕洛阿尔托的斯坦福线性加速器 中心(SLAC)国家加速器实验室(StanfordLinearAcceleratorCenter (SLAC)NationalAcceleratorLaboratory,PaloAlto,California)获得。 这两个机构制造称为速调管(Klystron)的微波系统，微波系统的频 率范围为0.5GHz至30GHz，并且功率输出范围为0.5kW至1200kW。 另外，这两个机构制造产生连续波或脉冲产物的型号。

在一些实施例中，包括陶瓷颗粒的支撑剂也可以注入到内芯部 105中。如图2B所示，可以在使用细陶粒支撑剂的非常规压裂中使 用包括陶瓷颗粒的支撑剂，或者，如图2C所示，可以在使用陶粒支 撑剂的常规压裂中使用包括陶瓷颗粒的支撑剂。包括陶瓷颗粒的支撑 剂可以从内芯部105流动穿过至少一个网状陶瓷部115并进入地层 130内的裂缝140中。从至少一个电磁天线125发出电磁辐射，从而 加热支撑剂中的陶瓷颗粒。陶瓷颗粒可以包括与能够用于网状陶瓷部 115和实心陶瓷部120的材料相同的任何材料。在一些实施例中，包 括陶瓷颗粒的支撑剂可以用于辅助地层130的压裂。

在一些实施例中，载液中的陶瓷颗粒也可以注入到内芯部105 中。包括陶瓷颗粒的载液可以从内芯部105流动穿过至少一个网状陶 瓷部115进入地层130中。从至少一个电磁天线125发出电磁辐射， 从而加热载液中的陶瓷颗粒。陶瓷颗粒可以包括与能够用于网状陶瓷 部115和实心陶瓷部120的材料相同的任何材料。在一些实施例中， 载液中的陶瓷颗粒可以用于辅助地层130的压裂。

当被电磁辐射加热的陶瓷颗粒从井筒行进到更远处时，随支撑 剂或载液注入的陶瓷颗粒能够提高热穿透和常规储层裂缝中的储层 的能源效率。

颗粒尺寸的范围为从几微米到几毫米。通常，颗粒尺寸的范围 为从不到2微米至约2500微米。在一些实施例中，陶瓷颗粒的尺寸 范围为从约106微米至2.36毫米。在一些实施例中，例如对于细陶 瓷颗粒而言，陶瓷颗粒的尺寸小于2微米。在一些实施例中，颗粒具 有均一的尺寸。在其他实施例中，颗粒不具有均一的尺寸。陶瓷颗粒 的注入在致密地层中具有特定的用途。

如图2所示，在一些实施例中，生产油管305放置在含有井下 工具100的井筒200下方的第二井筒300中。然后，流体流动穿过网 状陶瓷部115时所产生的蒸汽用于降低位于地层130中的重油的粘 度，以产出粘度降低的重油。粘度降低的重油因重力而排出到含有第 二井筒300的区域。粘度降低的重油进入第二井筒300中的生产油管 而被从地层130生产出来。

重油和焦油砂是本文所述的原位蒸汽发生的开采方法的主要焦 点。重油通常为不容易流动的任何类型的原油。美国石油协会将重油 定义为API<22。重油可以按其他标准定义，例如在粘度超过5000的 情况下定义为API<29。加热重油能够降低粘度，并且允许产出粘度 降低的重油。同样，焦油砂或沥青砂是包括沥青的油砂。沥青也具有 高粘度，并且通常不能很好地流动，除非被加热或通过化学手段稀释。 在一般情况下，本发明的实施例可以用于任何地层130，地层130中 的油的粘度降低将提高开采成果。

陶瓷材料与电磁辐射技术组合能够实现改善了热分布、原位蒸 汽发生和成本效益的开采方法。本发明的各实施例提供了以下效果： 提高了粘性重油的采收率；原位蒸汽发生；省去了诸如蒸汽管道、蒸 汽传送和处理设备等蒸汽地面设备；因原位蒸汽发生而降低了成本； 提高了安全性，因为没有暴露于热蒸汽的表面；通过改善进入地层 130的热穿透深度来提高采收率；以及使用单个井来进行注入和生 产。

尽管已经详细地描述了本发明，但应理解的是：在不脱离本发 明的原理和范围的情况下，可以对本发明做出各种改变、替换和变更。 因此，本发明的范围由前述权利要求及其适当的法律等同内容确定。

除非上下文另有明确说明，否则单数形式“一个(a)”、“一 个(an)”和“所述(the)”也包括复数对象。

“可选”或“可选地”是指随后描述的事件或情形可能发生或 者可能不发生。这样的描述包括所述事件或情形发生的情况和所述事 件或情形不发生的情况。

在本文中，范围可以表示为从大约一个具体值到大约另一个具 体值。当表示这样的范围时，应理解的是：另一个实施例是从一个具 体值到另一个具体值以及在所述范围内的所有组合。

如本文和所附权利要求书中所使用的，词语“包含”、“具有” 和“包括”及其所有语法变体均旨在具有不排除其他要素或步骤的开 放的、非限制性的意思。