专利名称：烃采收作业中采用压力瞬变的方法
技术领域：
本发明涉及烃采收作业(烃采收操作，hydrocarbon recovery operation)以及一种用于增加这些操作的效率的方法，其旨在增大从地下储层(subterranean reservoirformation)的烃采收率和增大通过多孔介质的渗透。
背景技术：
烃采收作业通常会涉及宽范围的工艺，涉及用于从地层中采收烃的流体流动操作 的使用和控制，包括例如向地层中引入或注入流体如处理液、固结液或水力压裂液，注水作业，钻井作业，对出油管和井眼的清理作业，以及在井眼中的注水泥(cementing)作业。在烃采收作业中采用压力脉冲技术(PPT)在近年来已得到重大关注，并且存在许多其中包括了 PPT的专利申请和专利。烃采收作业例如会需要用于清理套管、来自井眼区域附近的沉积物、穿孔和滤网的工具。在具有增大的水产量(注水工程项目)的井中和地热井中，水垢和沉积物累积常常是产量下降的主要原因。除去这样的累积物的常规方法如酸洗、电缆切削以及甚至替换采油管和出油管，其昂贵或仅提供有限的成功。清理流体流动通道或井眼的另外的方法涉及使用脉动流体流，如在例如W02009/063162和W02005/093264中公开的，其中使用脉冲流体流用于清理表面被描述为相比于稳定流体流是有利的。其中已描述了应用压力脉冲的另一种烃采收作业包括向井眼基质中化学引入处理液或向地层中引入处理液。这样的方法的有效性尤其取决于引入流体透过经常包括通常是低渗透性的页岩、粘土和/或煤层的地层的能力。而且，井经常位于地层的未固结部分中，该部分含有能够随着烃和流体的混合物的流动而移出地层并进入井眼的粒子。这些粒子(如砂子)的存在是不希望的，因为它们可能破坏泵和其它生产设备。一种常规方法是向未固结区域施用树脂组合物，然后在用流体对该区域进行后冲洗(after-flush)以从该区域的孔隙空间除去过量的树脂。这样的树脂固结方法被广泛使用，但是受固结液(经常是树脂组合物)在地层的未固结部分中实现显著渗透或均匀渗透的能力限制。用于将固结液注入井眼中的方法，如在US2009/0178801中公开的，描述了使用压力脉冲以增强固结液渗透地层的一部分的能力。在井眼中的注水泥作业中，通常将水泥泵入井眼的壁与其内设置的套管之间的环状空间中。水泥在该环状空间中固化并由此形成支撑井眼中的管柱的胶结物的硬化鞘。在水泥固化期间，流体和气体的流入是常见的，并且这可能损坏井眼地层和套管的外表面之间的水泥胶结。用于减少流体或气体移动到水泥中的方法披露于例如US2009/0159282中，其包括在水泥固化之前在水泥中诱导压力脉冲的步骤。向地下储层中注入水力压裂液使得有可能在常规技术无效的情况下生产烃，并且该方法施加流体压力以在地下储层中形成允许烃逸出并流到井外的裂隙。现今，通过使用水力压裂，在美国各地生产大量深页岩天然气。已经提出了在水力压裂过程期间施加压力脉冲以增加页岩天然气的产量。
压力脉冲技术同样可以应用于注水作业，其中将流体连续地注入到地层中，同时在流体被注入时对其施加压力脉冲。一般地，已经报道了，据称压力脉冲产生通过多孔介质的流量增强。然而，目前，本领域中的文献关于脉冲注入的优点看起来是未确定的，因为一些实验报告了关于PPT增大从实验室岩心栓中的烃的采收率的能力，而一些文献报告了关于与静态注水法相比的低采收速率。注意到增大的采收率可能有许多原因，使得压力脉冲单独的可能效果可能难以分离出来，因为脉动流动可能也有贡献。有些人已经主张，据称借助于通过施加压力脉冲的动态激励获得的在多孔介质中的增强流量是由于压力脉冲而发生的，该压力脉冲抑制对于堵塞的任何趋势，由此将油藏保持处于优异的流动状态。而且，主张二次采收作业通过压力脉冲增强，该二次采收作业涉及用第二流体(通常是水)替代多孔介质(地下储层)中的流体(烃)。公开了用于产生压力脉冲的装置(有时称为流体振荡器)的文献包括例如 W02004/113672、W02005/093264, W02006/129050, W02007/100352, W02009/089622, W02009/132433、US6976507和US2009/0107723。压力脉冲可以例如通过如在W02007/139450中描述的对流燃烧机制、或通过在W02009/111383和US2009/0301721中概述的点火多个单独长度的高能材料而产生。如所述的，在以上所列的烃采收作业中已经提出了施加压力脉冲。而且，同样提出了在钻井作业、其它烃采收作业中使用压力脉冲。还已提出了施加压力瞬变以增加推动钻头穿过地层的力，作为单独使用静压力或钻柱重量的备选方案。在钻井作业期间施加的压力瞬变常规地通过打开和关闭阀门产生。因此，钻井泥浆向钻头的流动是不连续的，因为该流动通过阀门的关闭而中断。从地下储层可采收的烃的量取决于许多因素，如油的粘度、储层的渗透性，以及因素如任何气体的存在、来自环境如邻近水的压力等。通常，采用流体注入的采油率典型地大约在30-55%，并且记住，从即使采油率非常小的增加也可获得巨大的潜在额外利润，在烃作业中所目前采用的方法留有用于改进的足够空间。如上文提到的，在烃采收作业中压力脉冲技术的使用近年来已经获得了日益增长的关注。更一般地，可以以不同的方式形成和施加压力，其将在下文中考虑到根据本发明提出的方法和本文中使用的术语进行更详细的解释。在微观水平，压力是流体中的粒子的热运动的结果，并且可以将压力解释为流体中的能量密度。然而，在宏观水平，压力更通常被视为流体对实体施加力的能力。液压缸内的压力可以对活塞施加的力F可以通过F = Ap得到，其中A是与液压缸内的流体接触的活塞的表面尺寸。因此，液压缸内产生压力P的标准方法是对活塞施加力F，从而获得通过P=F/A得到的压力。以这种方式，可以通过恒力产生静压力。压力波是压力振幅在时间和空间上的振荡，其中给出最大振幅和频率。压力驻波仅在时间上具有变化，其中频率等于系统的共振频率。获得这样的压力波的标准方法是通过在流体中采用振荡活塞，其因此以给定的频率和振幅运动。压力脉冲可以用足够快速运动的活塞产生，但在这种情况下，对于活塞的运动不必有给定的频率。如在US2009/0272555中解释的，这样的脉冲活塞可以通过使用在磁场存在下改变它们的形状的材料构建。典型地，活塞向前快速运动，产生压力脉冲，而随后相对较慢地向后运动。活塞的运动不需要是周期性的，并且在描述压力脉冲时，术语频率实际上不具有任何意义。然而，如果压力脉冲以规则时间间隔产生，则经常使用术语“频率”以具体说明在各压力脉冲之间的时间间隔。在W02004/113672中公开了这样的压力脉冲产生的实例，其中活塞在缸中通过电源组组件被迫上下运动。然而使用这样的脉冲活塞在该活塞的快速运动期间且因此在压力脉冲产生期间，产生流速的显著增大。压力脉冲可以类似地通过使用压力室产生，其中当该室出口处的阀门快速打开时，可以在加压室外部的流体中产生压力脉冲。然后出口阀门关闭，并且该室经过室入口通过泵向室中推入流体而再一次被填充和加压。然后重复该循环，以产生具有固定或任意时间间隔的压力脉冲。术语“压力脉冲”源自于此方法，因为需要泵和压力室，这可能与其中一个心室充当泵而另一个充当压力室的人心脏相关。采用此最后的方法来产生压力脉冲也导致不连续的流体流动，因为阀门关闭中断流体流动。
一般地，压力脉冲可以说具有许多压力波的性质，如在整个流体是以音速运动，并且很像波一样被反射和透射。压力脉冲和压力波之间的主要区别在于，压力脉冲通常具有较短的上升时间和慢的衰减率，即它们不具有典型的周期正弦形状(其是压力波的特性)。与以正弦外形运动的压力波相比，压力脉冲以相对陡峭的前沿在整个流体上传播。据推测，该陡峭前沿(波前，front)或相对较短的上升时间使得压力脉冲对于在烃采收作业的应用是有利的。为了理解本公开内容中描述的方法的潜在构思，理解如本文中所采用的术语压力瞬变以及用于产生所述压力瞬变的程序是很重要的。压力脉冲和压力瞬变之间的重要区别涉及自然界中的两个最基本定律；能量和动量守恒。可以说，压力脉冲不含有动量，而压力瞬变确实含有动量。实际上，动量在将于下文更详细解释说明的碰撞过程中转化为压力瞬变。为了产生压力脉冲，有许多可以使用的方法，但是以我们的知识，只有一种用于产生压力瞬变的程序，即通过实施碰撞过程。流体中的压力瞬变发生在两种不同类型的碰撞中；1)当运动中的固体物体与流体碰撞时，或2)当流动的流体与固体碰撞时。在第一种情况下，固体物体的动量经由碰撞过程转化为流体中的压力瞬变。后一种情况描述了水锤现象，其中流动的流体的动量转化为流体中的压力瞬变。在两种情况下，压力瞬变在流体中产生。在碰撞过程中，实体上的巨大冲击力和流体上所得到的负载是巨大量且短持续时间，使得描述流体运动的支配项变为动量守恒。而且，时间量程如此短以至于流体加速度中的对流项可忽略。因此，相比于常规压力脉冲，所述碰撞过程导致极小持续时间和极陡前沿的极高振幅的行进的压力瞬变。动量向压力瞬变的转化可以通过分析水锤现象更详细地解释，在水锤现象中，在管道(具有横截面积σ)中流动的流体在时间间隔At期间由于阀门的突然关闭而被迫停止。为了解决这一问题，可以依照N.Joukowsky的工作。牛顿第二定律可以以动量形式写成FA t = Δ (mu),其中F是力，A t是时间间隔并且Δ (mu)是质量为m且速度为u的实体的动量的变化。通过采用可以表示为Γ =F/ ο的压力瞬变，由此获得Γ σ At = PuV =PuoL= PuocAt,其中σ是管道横截面积，At是动量变化Δ (mu)的时间间隔，V =oL是失去其动量的流体(密度为P)的部分的体积V，并且L是压力瞬变Γ以音速在时间间隔At内传播的长度。由此获得熟知的Joukowsky方程Γ = p CU。通过以上概述的工作,Joukowsky已经证实,如果流动流体的动量转变为流体中的压力瞬变，则所述动量可能丧失。因此，Joukowsky解释了流动流体的动量在水锤现象期间丧失的佯谬。该佯谬涉及动量必须总是守恒的事实，但是Joukowsky通过证实产生了压力瞬变而解答了这一佯谬。因此，只有所述压力瞬变包含所述动量时，动量才守恒。这也适用于运动的固体物体并且不仅应用于流动流体。还注意到，逆反现象也是成立的。压力瞬变仅在转化为运动的固体物体或流动流体的动量时才会消失。动量通常被认为是一个重要物理性质，其通常被认为仅存在于运动固体或流动流体中。然而，Joukowsky已经证实,动量还包含在压力瞬变中，但在这种情况下，所述动量不是流体运动或固体物体的运动。压力瞬变不代表任何物质(原子或分子)运动，然而它们含有动量。当用于移出在采用其它现有技术方法时通常是不可移动的烃时，通过碰撞过程诱·导的压力瞬变的这种性质可以是有利的。这种性质是压力脉冲所缺乏的。压力脉冲不含有动量，这与压力瞬变相反，压力瞬变被迫在产生所述压力瞬变的碰撞过程中所采用的物体的动量守恒。这种性质进一步使得有可能主张压力瞬变如同粒子表现行为。总之，压力瞬变可以通过使用活塞产生，其中运动的固体物体与活塞(实体)碰撞。因此，如果固体物体通过其它实体(如活塞)间接地与流体碰撞，则压力瞬变也可以出现在流体中。对压力瞬变(也经常称为压力冲花或液压冲击)的报告和分析主要是关于当例如在管道系统中非故意发生时它们的潜在破坏或甚至灾难性后果，或者关于因为在(占井)平台上的海水砰击或波浪破碎导致的堤坝和岸边的建筑。当运动的流体被迫停止或突然改变方向(例如由于管道系统中的阀门突然关闭)时，经常会发生水锤击。在管道系统中，水锤击可能导致从噪声和振动到破裂和管道崩塌的问题。为了避免水锤击，管道系统最经常装配有蓄压器、旁路、减震器等。由水锤现象导致的破坏作用的一个原因是在流体系统中形成空化。当封闭系统中的压力瞬变被阻止转化回动量而相反转化为空化时，会出现这样的空化。如所述的，压力瞬变可以通过所谓的水锤作用而获得，例如如W02009/082453中描述的。其中描述的方法涉及其中钻井液的流动被阀门中断的钻井作业，以及重复的打开和关闭阀门的循环产生朝向钻头传播的压力瞬变，其目的是增强钻井作业的穿透速率。据称，与使用单独的泵压和钻柱重量获得的，压力瞬变以显著更高的力推动钻头穿过地层。而且，采用水锤作用和由此产生的压力瞬变，据称在岩石碎片去除和钻井穿透速率具有正面作用。这样的利用水锤作用的装置的实例可以在例如US4901290、US6237701、US6910542、US7464772、W02005/079224和W02009/082453中找到。这些装置的共同点是，通过快速打开和关闭阀门来产生压力瞬变，然而，其不利地产生不连续的流体流动。而且，通过这样的打开和关闭产生的压力瞬变的尺寸和传播会难以控制。在W02010/137991中描述了另一种产生压力瞬变的装置，用于输送和泵送流体。这种装置通过采用与一个实体碰撞的具有非零动量的物体而产生压力瞬变。如上所述的，与压力波相比，压力脉冲在整个流体上以相对尖锐前沿传播。当比较压力瞬变和压力脉冲时，注意到，如同在水锤现象期间观察到的，压力瞬变具有甚至更尖锐的前沿并且在流体中像激波前沿一样传播。因此，压力瞬变显示出如同压力脉冲的同样重要的特性，但是它们具有显著更多的具有尖锐前沿或短上升时间的这种至关重要的作用。可以获得的压力瞬变的振幅取决于碰撞物体的初始动量(即碰撞过程中涉及的物体的质量和初始速度)以及流体的可压缩性。这样的一个实例在图6B中给出，其中振幅为约170巴(约2500psi)的压力瞬变在测量点处的持续时间为约5毫秒(ms)。这对于该压力给出了约35，000巴/秒的极短上升时间。比较而言，在流体中产生压力脉冲期间，其中没有动量从任何冲击物体被转化，施加相当大量的能量来移动脉冲聚集体(如活塞的冲程)，并由此纯传输流体。这不是有利的，因为压力脉冲装置通常趋向于连同流体注入装置一起采用，这在用于输送流体时是更有效的。压力瞬变的粒子行为可以通过观察牛顿摆(一种流行的经典桌上玩具)来举例说明，其中第一球从一侧的冲击使得在相反侧的最外侧的最后一球运动，其中在它们之间的球几乎不运动。第一球的动量转化成传播通过中间球的压力瞬变，而当该压力瞬变到达最后一球时,它表现如同粒子的行为,使得该球运动。以这种方式，来自第一球的动量被转化 为传播通过中间的球的压力瞬变，并且最终转化为最外侧的最后一球的动量并因此运动。这举例说明了压力瞬变的临时性。还注意到，压力瞬变也使能量守恒，因此这两个定律的守恒给出了特有的效果，即左边的两个球的冲击导致在右边的两个球的相应运动，并且这适用于任何数量的球。应当认识到，与一般认识相反，单独的能量和动量守恒定律都不足以完全地解释这种行为，并且在牛顿摆中的球系统必须满足进一步的条件。所述系统必须能够接近于无耗散的能量传播。因此，压力瞬变必须在几乎没有能量损失下传播，如在例如Am. J. Phys. 49,761(1981)和Am. J. Phys. 50，977 (1982)中描述的。当在烃采收作业中采用压力瞬变时，这种作用可能是重要的。由于压力瞬变被迫使在产生压力瞬变的碰撞过程中采用的物体的动量守恒的事实，所以压力瞬变可以被看作处于临时或短暂状态的实体。在流体中传播的压力瞬变是一种临时状态，其最终将转化为流体和/或与流体相接触的一些物体的运动。忽略所述过程期间的任何能量损失，最终的运动理想地应当产生与在其中产生压力瞬变的碰撞过程中所采用的第一物体最初损失的动量相等的总动量。比较而言，压力脉冲和压力波不具有如上关于压力瞬变描述的任何临时性，因为压力脉冲和压力波当它们在流体中传播时由于耗散作用而会被减弱，但它们不会以与最终转化回动量的压力瞬变的相同方式消失。发明描述基于已知技术的状态，本发明的实施方案的一个目的是通过提供增大烃采收率的程序来克服或至少减少用于烃采收作业的已知方法的上述缺点中的一些或全部。本发明的实施方案的另一个目的是提供一种用于烃采收作业的方法，其可以产生增大的通过多孔介质的渗透。本发明的实施方案的另一个目的是提供产生可应用于烃采收作业领域并且可应用于地下储层或井眼中的流体的压力瞬变的替代方法，。本发明的实施方案的又一个目的是提供一种可以相对简单和廉价地在现有烃采收地点实施并且有效的方法。根据本发明，所述目的通过一种在包括使用至少一种流体的烃采收作业中的方法实现。所述方法包括在流体中诱导压力瞬变以在所述流体中传播。压力瞬变通过碰撞过程诱导，该碰撞过程通过使至少一个运动物体(moving object)在流体的外部与至少一个实体(body)发生碰撞而产生，该实体与在至少一个部分封闭空间内的流体接触。本发明的有利实施方案在其余的从属权利要求中陈述。通过碰撞过程，来自所述物体的能量以及动量转化成流体中的压力瞬变。所述压力瞬变以音速行进和传播通过流体。通过碰撞过程诱导的压力瞬变的产生可以是有利的，因为由此可获得非常陡峭或陡的压力前沿，其相比于例如用常规压力脉冲技术可获得的压力脉冲，具有高振幅、极短的上升时间以及极小的宽度或持续时间。而且，与相比于例如单个正弦压力波的单一频率，可以看到通过碰撞过程诱导的压力瞬变包含增加的高频率含量。这在不同的烃采收作业，例如在注水、引入处理液或在固结过程中可以是有利的，因为可以看到高频率含量增加流体进入多孔介质的渗透速率，其中不同材料性质的材料和不同尺寸的液滴可以另外限制或降低流通(量)。这在阻止或降低对于阻塞的任何趋势的风险以及在将储层保持在优异流动条件(状态)方面也是有利的。增加的渗透速率在关于在固结作业中的注入固结液和后冲洗的操作两方面可以同样是有利的。而且，通过所提出的碰撞过程诱导的压力瞬变可以有利地应用于清理流体流动通道或井眼，产生改善的和更有效的表面清理。所提出的方法可以例如应用于清洁液，其中用于产生压力瞬变的设备可以被引入出油管或井眼中。而且，通过所提出的碰撞过程诱导的压力瞬变可以有利地应用于井眼中的注水泥作业。这里，在未固化水泥中诱导压力瞬变可以产生减少的流体或气体向水泥中的迁移和流入。根据上述的压力瞬变的应用关于向地下储层中注入压裂液的作业也可以是有利的，其中压力瞬变可以起到增强在地下储层中形成允许烃逸出和流出的裂隙的效率的作用。根据上述的压力瞬变的应用在钻井作业中也可以是有利的，其中如通过碰撞过程 诱导的压力瞬变可以增大钻井渗透速度并起作用而有助于推动钻头穿过地层。相比于基于利用通过打开和关闭阀门的水锤现象来在钻井作业中产生压力瞬变的已知方法，根据本发明的方法是有利的，因为这里的压力瞬变可以在连续流体流动中产生，而不会显著地影响流量。而且，压力瞬变可以通过简单又有效的方式诱导，并且无需根据现有技术的阀门的任何打开和关闭以及用于此的控制设备。通过所提出的方法，还可以获得，可以在流体的流量不增加或仅有很小增加的情况下对流体诱导压力瞬变，因为实体不像在常规压力脉冲中那样被移动和挤压通过流体。相反，可以看到在碰撞期间来自运动物体对该实体的冲击仅使该实体最小程度地位移，基本上对应于实体下方的液体的压缩。因此烃采收作业中的期望流体流量可以借助于例如在作业中采用的泵送装置更精确地控制，并且作为实例，可以在期望流动下保持均匀或接近均匀而与压力瞬变的诱导无关。因此，根据上述的方法例如在流体注入和灌注作业中可以是有利的，其为了降低在地层中早期流体突破的风险，适中的流体流量且在该流量下具有最小波动是期望的。关于注水作业，已进行了试验，表明与恒定静压力驱动流相比，通过施加由碰撞过程诱导的压力瞬变，烃采收率增加了 5-15%。增加的采收率是在未改变流量的情况下获得的。流体可以包括以下组中的一种或多种主要是水(primarily water)、固结液、处理液、清洁液、钻井液、压裂液或水泥。压力瞬变可以被诱导以全部或部分地在流体中传播。当运动物体在流体外部与实体碰撞时，可以获得，该物体的大部分(如果不是全部)动量转化为在所述流体中的压力瞬变。另外，在碰撞过程在流体中向下进行时，该物体 的一些动量将在碰撞前丧失在移动流体的位置中。运动物体可以直接或间接地通过其它碰撞来碰撞或冲击实体。所述实体可以包括各种形状，如活塞形状，其头部位于流体顶部或完全浸没在流体中。而且，所述实体可以在支架上置于在部分封闭空间中，或者可以在封闭空间被宽松地保持在原位。部分封闭空间可以成形为圆筒状，其中在该圆筒相对于所述实体的相反部分具有流体通道。封闭空间可以连接于一个或多个流体通道，其布置用于封闭空间中的流体与其中在烃采收作业中施加流体的地方如地层或井眼之间的流体联通。此外，部分封闭空间可以布置成使所述流体被传输通过该部分封闭空间。碰撞过程可以简单地通过使一个或多个物体从给定高度下落到所述实体上而产生。然后被诱导的压力瞬变的大小可以通过下落物体的质量、下落高度和与流体接触的实体的截面积确定。由此可以容易地控制它们诱导的压力瞬变的振幅和时间。同样地，通过调节例如在碰撞过程中的物体的质量、下落高度、碰撞物体的相对速度或与液体接触的实体的横截面积(例如直径)，可以容易地调节、改变或定制压力振幅。这些调节可能性在流体注入和流体灌注中证明是特别有利的，因为在正常储层压力和破裂压力之间的差异经常可能是窄的。因为碰撞过程可以在无需任何直接气动功率源便进行，所以所提出的方法可以通过更小和更紧凑的装置来实施。而且，相比于例如常规压力脉冲技术，所提出的方法的功率要求低，因为通过碰撞过程或冲击，更多的能量可以转变为流体中的压力瞬变。所提出的在烃采收作业中施加压力瞬变的方法可以有利地从更接近表面的平台或位置进行操作，因为压力瞬变比常规压力脉冲传播得更远。因此，用以实施所述方法的设备不必需地置于浸没在储层或井眼中或在海床以下。这可以导致更廉价的设备以及更容易和更廉价的维护，尤其是当考虑离岸作业时。而且，由于根据本发明的方法不需要在井眼下或靠近地下底层进行，所以压力瞬变有可能可以同时地在多个井眼或流体注入点中诱导。一般地，使压力脉冲适用于烃采收作业的一个特性在于，如上所述它们像陡峭前沿一样在整个流体中传播。因为压力瞬变具有甚至更加陡峭的前沿或甚至更短的上升时间并且如在水锤现象期间观察到的一样像激波前沿在流体中传播，因此压力瞬变表现出与压力脉冲相同的重要特性，但达到更高的程度。因此，在烃采收作业中施加压力脉冲的所有优点都可以利用压力瞬变以更高程度获得。此外，在地球重力场中向下行进的压力瞬变可以看成类似于粒子获得动量。因此，在烃采收作业中，可以在表面处有利地进行压力瞬变的施加，以获得最好的效果，因为当压力瞬变从表面向下行进并进入地下储层时，它们可以获得显著的动量。根据本发明的一个实施方案，烃采收作业中的方法包括通过碰撞过程在至少一种流体中诱导压力瞬变，其中该碰撞过程涉及至少一个运动物体，其与至少一个与在至少一个部分封闭空间内的所述至少一种流体接触 的实体碰撞，并且其中允许压力瞬变在应用于烃采收作业中的所述至少一种流体中传播。根据本发明的一个实施方案，所述流体处于静止并且源自一个或多个的贮液器。备选地，所述流体是流动的并且源自至少一个贮液器，并且所述流动通过流体输送设备获得。在烃采收作业中的方法的一个实施方案中，所述流体被引入地下储层和/或替代地下储层中的其它流体。在所述方法的一个实施方案中，所述流体是或包含主要是水，其在注水操作期间被引入地下储层中。在所述方法的一个实施方案中，所述流体是或包含固结液，其被引入地下储层的未固结部分中。在所述方法的另一个实施方案中，所述流体是或包含处理液，其用于地下储层的化学处理。在所述方法的另一个实施方案中，所述流体是或包含清洁液，其用于清洁流动通道和井眼。在所述方法的一个实施方案中，所述流体是或包含钻井液，其用于钻井作业，其中通过钻头的渗透速率是必须的。在所述方法的另一个实施方案中，所述流体是或包含压裂液，其被用于在水力压裂作业期间在地下储层中产生裂隙。在所述方法的一个实施方案中，所述流体是或包含未固化且在井眼中的注水泥作业期间应用的水泥。根据本发明的一个实施方案，所述至少一种流体从至少一个与部分封闭空间流体联通的贮液器提供。而且，所述方法可以包括借助于至少一种流体输送设备从所述至少一个贮液器输送所述至少一种流体的步骤。由此，流量可以通过该流体输送设备充分控制，并且可以根据应用所述方法及被引导流体的地层或井眼的状况连续地调整或调节在本发明的一个实施方案中，碰撞过程包括借助于重力使其下落到实体上的物体。因此如之前提到的，可以通过简单的手段获得导致相当可观大小的压力瞬变的碰撞过程。诱导的压力振幅可以作为物体的下落高度、物体的冲击速度、其质量、实体的质量及其与流体接触的横截面积的函数来确定并控制。可以有利地施加在50-400巴范围内，如在100-300巴范围内，如在150-200巴范围内的压力振幅。前述参数同样影响压力上升时间，其可以有利地在1，000-200, 000巴/秒的范围内，如在10. 000-150. 000巴/秒的范围内，如在70，000-120, 000巴/秒的范围内。类似地，前述参数影响压力瞬变的宽度或持续时间，在测量点，其可以有利地在O. 1-1000毫秒的范围内，如在O. 5-100毫秒的范围内，如约几毫秒例如大约1-5毫秒。在本发明的一个实施方案中，物体与实体在另外的流体中碰撞。由此得到，所提出的方法可以在例如下至海床上、下至井眼中或进入地层内实施。另外的流体可以有利地具有相对较低的粘度以在碰撞之前降低运动物体上的阻力和动量损失。根据一个实施方案，物体与所述实体在空气中碰撞。在本发明的另一个实施方案中，根据以上任一项所述的方法还包括以时间间隔产生许多碰撞过程，这可以起到增加在流体中诱导的压力瞬变的效果的作用。压力瞬变可以以规则间隔或不均匀间隔诱导。作为一个实例，压力瞬变可以在烃采收作业的早期更经常且以较短时间间隔诱导，而在后期以较长间隔诱导。压力瞬变之间的时间间隔可以例如依靠在地层上同时进行的测量(如压力测量)而进行控制和调节。根据本发明的实施方案，碰撞过程以在2-20秒范围内，如在4-10秒范围内的时间间隔产生。最佳时间间隔可以取决于诸如地层的类型、地层的孔隙率、压裂的风险等因素。在一个实施方案中，所述方法包括以下步骤以压力振幅和碰撞之间的时间的第一设置产生第一序列碰撞过程，接着以压力振幅和碰撞之间的时间间隔的不同设置的第二序列碰撞过程。例如，压力瞬变的突破可以以这种方式周期性地被输送。这在增大压力瞬变的效果方面可以是有利的。如之前提及的，诱导的压力瞬变的振幅和时间间隔可以通过·例如调节运动物体的重量或通过调节其下落高度而容易地进行改变和控制。在本发明的一个实施方案中，压力振幅的设置通过改变运动物体的质量、或相对于实体的速度改变运动物体的速度而进行改变。由此压力振幅可以以简单而有效且可控的方式根据需要进行改变。根据本发明的另一个实施方案，所述实体被安置以将所述流体与所述至少部分封闭空间中没有流体的部分分隔开。这例如可以通过将实体作为活塞置于缸中并在活塞下方用流体填充该缸而获得。在本发明的另一个实施方案中，部分封闭空间包括被所述实体分隔开的第一和第二部分，并且所述方法还包括在所述碰撞过程之前用流体填充所述第一部分。在本发明的一个实施方案中，所述至少一个运动物体连接至至少一个波动捕获系统。而且，所述至少一个波动捕获系统可以包括至少一个被布置成通过波发生运动的浮标，并且所述至少一个浮标的运动诱导所述物体的运动，从而在与所述实体碰撞之前获得所述物体的非零动量。由此得到，所提出的用于烃采收作业的方法可以通过波的动力有效且廉价而连续地被提供动力。附图
简述在下文中，将参照附图描述本发明的不同实施方案，其中图I显示了本发明的一个可能的实施方案，其中压力瞬变施加于流体，该流体随后被注入地下储层中；图2举例说明了本发明的另一个实施方案，其中压力瞬变施加于流动流体，该流动流体随后被注入地下储层中；图3概述了本发明的另一个实施方案，其中在管道中引入了蓄压器以保护流体传输设备免于压力瞬变的影响；图4显示了本发明的另一个实施方案，其中压力瞬变通过从海洋波捕获的能量产生，图5提供了在本发明的方法在伯里亚(Berea)砂岩岩心上的实验测试中应用的构造的示意性概观；
图6A举例说明了在伯里亚砂岩岩心上的实验期间获得的压力瞬变的典型形状；图6B显示了在伯里亚砂岩岩心上的注水实验中获得和测量的更详细的单个压力瞬变，图7是在有和没有压力瞬变下的注水试验中获得的一些结果的概述；和图8是用于在伯里亚砂岩岩心上的岩心注水实验的实验装置的略图。可能的实施方案的详述本专利申请的发明基于在烃采收作业中采用通过碰撞过程诱导的压力瞬变。图I显示了本发明的一个可能实施方案，其包括具有以下组件的系统具有开口 104的液压缸101，活塞102，连接至第三管道110的第一和第二管道111、112，分别布置在第一和第二管道111、112中的第一和第二止回阀121、122，以及可以与活塞102碰撞的物体103。来自贮液器131的流体被置于地下储层132中，或来自贮液器131的流体替代地下储层132中的烃和/或其它流体。在物体103与活塞102碰撞时产生的压力瞬变以音速沿着来源于贮液器131的流体传播到地下储层132中。这些压力瞬变增强地下储层132中的渗透速度并且抑制对于阻塞的任何趋势，以及将地下储层132保持处于优异流动条件。这种优异流动条件增大来自贮液器131的注入液可以被置于地下储层132中的速度和面积。烃采收作业经常涉及用另一种流体(在图I中，其来自贮液器131)替代地下储层132中的烃，并且这种流体交换通过传播到地下储层132中的压力瞬变被增强。图2概述了本发明的另一个实施方案,其包括与关于图I描述的实施方案相同的组件，并且另外包括连接至管道系统的流体泵送装置240，用于辅助将来自贮液器的流体传输到地下储层232中。该系统包括以下组件具有开口 204的液压缸201，活塞202，连接至第三管道210的第一和第二管道211、212，分别布置在第一和第二导管211、212中的第一和第二止回阀221、222，连接至第一管道211和第四管道213的流体泵送装置240，布置在第四管道213中的第三止回阀，以及可以与活塞202碰撞的物体203。来自贮液器231的流体被放置到地下储层232中，或者来自贮液器231的流体替代地下储层232中的烃和/或其它流体。当物体203与活塞碰撞时产生的压力瞬变以音速沿着来自贮液器231的通过流体泵送装置240传输的流体传播到地下储层232中。图3概述了本发明方法的另一个实施方案，其包括的系统类似于关于图I和2概述的系统，另外包括蓄压器。该系统包括以下组件具有开口 304的液压缸301，活塞302，连接至第三管道310的第一和第二管道311、312，分别布置在第一和第二管道311、312中的第一和第二止回阀321、322，连接至第一管道311、第四管道313的流体泵送装置340，布置在第四管道313中的第三止回阀323，包括室350和膜351 (其能够将蓄压器中的不同流体分隔开)的蓄压器，其与在第一止回阀321和流体泵送装置340之间的第一管道311流体联通，以及可以与活塞302碰撞的物体303。来自贮液器331的流体被置于地下储层332中，或者来自贮液器331的流体替代地下储层332中的烃和/或其它流体。在物体303与活塞碰撞时产生的压力瞬变以音速沿着来自贮液器331的通过流体泵送装置340传输的流体传播到地下储层332中。布置在泵送装置340和其中产生压力瞬变的缸301之间的蓄压器起到减弱和累积行进通过管道系统的该部分并因此无助于烃采收作业的任何压力瞬变的作用。图4概述了本发明的另一个实施方案，其包括如之前关于图I至3描述的系统，并且其中通过海洋波使物体403与活塞402碰撞而发生运动。该系统包括以下组件具有开口 404的液压缸401，活塞402，连接至第三管道410的第一和第二导管411、412，分别布置在第一和第二管道411、412中的第一和第二止回阀421、422，连接至第一管道411、第四管道413的流体泵送装置440，布置在第四管道413中的第三止回阀423 ;包括室450和膜451 (其可以将蓄压器中的不同流体分隔开)的蓄压器，该蓄压器与在第一止回阀421和流体泵送装置440之间的第一管道411流体联通，连接至物体403的浮标405，防止物体403相对于活塞402水平漂移的导向装置406,能够与活塞402碰撞的物体403。该系统可以任选地构造为不具有任何泵送装置440。同样，该系统可以构造为不具有任何蓄压器或具有放置在其它位置处的另外的蓄压器。所述(这些)蓄压器同样可以是不同于这里所示的具有膜的蓄压器的类型。浮标405通过海洋波460发生运动，而导向装置406引导物体403以使物体403的用于与活塞402的碰撞过程的大部分动量可以通过海洋波460提供。来自贮液器431的流体被置于地下储层432中，或者来自贮液器431的流体替代地下储层432中的 烃和/或其它流体。在物体403与活塞碰撞时产生的压力瞬变以音速沿着来自贮液器431的通过流体泵送装置440传输的流体传播到地下储层432中。图5是在伯里亚砂岩岩心的注水实验中应用的构造的概观，其中采用了以下组件连接至两个管线510和511的液压缸501，活塞502，物体503，连接至管线511和513的流体泵送装置540，容纳有用于岩心注水实验的盐水的贮液器531，安装了伯里亚砂岩岩心栓并且连接至管线510和512的容器532，连接至两个管线512和514的单向阀522，基本垂直地安置并用于测量在岩心注水实验期间采收的油的体积的(油)管533，连接管533和其中收集盐水的贮液器534的管线515 ;以及最后的止回阀521。在实验期间，盐水从贮液器531中通过置于容器532中的芯材泵送。在这些实验中，使用了具有约100-500mDarcy(毫达西)的不同渗透性的伯里亚砂岩岩心,它们在实验之前根据标准方法用油饱和。从通过盐水的注水法采收的油在实验期间将在管533的上部累积，并且在贮液器534中收集的盐水的体积则等于通过泵送装置540从贮液器531传输的体积。在这些实验中应用的更具体程序遵照关于在伯里亚砂岩岩心上的注水实验的标准方法。管线511是柔性的以容纳任何小体积的流体，该小体积流体可能是由于通过泵送装置540连续输送流体导致的在活塞502与物体503之间的碰撞过程期间在管道中累积的。活塞502在支架中置于缸501中，且活塞下方的缸空间用流体填充。在实验中，使用用于约20ml水的液压缸。流过容器532的盐水的总体积看成近似对应于泵送装置的固定流量。因此包括液压缸501、活塞502和物体503的设备在这些实验中仅对盐水的传输无明显贡献。物体与活塞的碰撞发生在非常短的时间间隔期间。因此，流体不能通过导致流动增加且因此代替所述固定流量的位移而响应于该高冲击力。更确切地，流体通过该冲击被压缩并且活塞的动量转化为压力瞬变。因此，认为碰撞过程期间活塞502的任何运动都涉及活塞下方的流体的压缩，并且不是由于液压缸501外的流体的任何净位移导致。在进行实验期间的压力瞬变是通过将重量为5kg的物体503提升至17cm的高度并使其下落到缸上，从而与处于静止的活塞502碰撞而产生。使用的液压缸501的体积为约20ml且内径为25mm,其对应于活塞502的直径。用于实施碰撞过程的设备在图8中不出。在许多小时的时间跨度上，用以约6秒(10次冲击/分钟)的间隔产生的压力瞬变来进行试验。通过碰撞导致的活塞502的移动相比于活塞502的直径和液压缸501的容积是可忽略的，仅导致总流体体积的压缩，这可以从下文推导。液压缸501的体积为约20ml，并且容器中的伯里亚砂岩岩心中的流体体积为约20-40ml (使用不同尺寸的岩心)。因此通过与活塞502碰撞的物体503压缩的总体积可能为约50-100ml (包括一些管线体积)。约0，5%的这样的体积的压缩(需要约110巴的压力，因为水的体积模量为约22000巴)表示体积减少约0，25-0, 5ml，对应于活塞502向下的位移为约Imm以下。因此，活塞502在5毫秒的时间间隔内移动约1mm，在这期间压力瞬变可能已经传播约5-10m。这种运动相比于活塞502的直径和液压缸501的体积而言是可忽略的。 图6A显示了作为对于所进行的实验之一的持续时间的时间函数，在容器532的入口处测得的流体中的压力。通过使重量为5kg的物体503从17cm的高度落到活塞上而产生压力瞬变。碰撞(以及因此压力瞬变)在约6秒的时间间隔内产生。通过上述手段，产生的压力振幅在至少70-180巴或甚至更高的范围内，因为实验中使用的压力计仅能测量至多180巴。相比而言，为了向下推动或压缩(不是锤击)活塞以产生仅约10巴的静压力，将需要约50kg质量(重量约为500N)的物体。在伯里亚砂岩中的流体状态(湍流等)和条件对于所有冲击均从不相同，因为这些条件在实验过程期间发生改变。因此系统在每次冲击后都改变，这可能是所测得的压力瞬变之间有变化的原因。图6B中更详细地显示了单个压力瞬变，也示出了如在伯里亚砂岩岩心上的实验室注水实验中所获得和测得的压力瞬变的典型形状。注意到在这些实验中的每一个压力瞬变的振幅为约170巴(约2500psi)，以及宽度为近似或大约5毫秒，由此产生非常陡峭的压力前沿和非常短的上升和下降时间。相比而言，通过快速打开阀门导致的压力脉冲所获得的压力振幅的宽度为数秒并且通常小于10巴。图7是在之前描述的在伯里亚砂岩岩心上的注水实验中所获得的一部分结果的总结。进行了在没有(标记为“A”)和有(标记为“B”)压力瞬变下的对比试验，并且彼此分别列在图7的表中，且对于不同的注水速度。在没有压力瞬变下进行的实验(标记为“A”)是用静压力驱动流体流来进行的，其中泵送装置540直接耦接于芯缸532。换言之，包括活塞502和物体503的液压缸501被断开或绕过。在两个系列的实验中，使用相同的Decan油类型。平均(在岩心栓的横截面上)注水速度(按μ m/秒计)通过泵送装置的流量给出。在所有实验中，除了 3B，用于产生压力瞬变的设备都对总流量及因此对注水速度的贡献都是可忽略的，这是期望的，因为高注水速度可能导致被注入的水更不均匀渗透，并因此导致早期的水突破。在实验3B中，实验装置还包括置于液压缸501和流体泵送装置540之间的蓄压器，其被认为提供了导致表中报告的30-40 μ m/秒的高注水速度的额外泵送效果。如从实验数据可看到的，对注水法施加压力瞬变导致油采收率的显著提高，范围在约
5.3-13. 6% (分别在试验2和4中)，因此明确地证实了根据本发明所提出的烃采收方法的潜力。图8是略图，显示了用于在伯里亚砂岩岩心上的实验中的碰撞过程中采用的用于移动物体的设备，以及如前描述的在伯里亚砂岩岩心上的岩心注水实验中应用的实验装置。 这里通过在流体填充的液压缸501中的活塞502上的冲击负载产生压力瞬变。在垂直放置的杆802上提供物块(mass)801，其借助于马达803提升至一定高度，从该处允许其下落到并冲击活塞502。因此冲击力通过下落物块的重量和下落高度确定。可以在杆上安置更多物块并调节冲击负载。液压缸501经由管511连接至流体泵540，该泵从804贮液器(未显示) 将盐水泵送通过缸并通过置于容器532中的初始油饱和的伯里亚砂岩岩心。在不同的位置连续测量压力。在泵和缸之间的止回阀521 (未显示)确保单向流动。当已通过伯里亚砂岩岩心时，流体(开始时流体仅是油，而在水突破后，它几乎仅是盐水)被泵送至用于收集所采收的油的管和用于盐水的贮液器，如图5中概述的。
权利要求
1.在包括使用至少一种流体的烃采收作业中的方法，所述方法包括在所述流体中诱导压力瞬变以在所述流体中传播，其中所述压力瞬变通过碰撞过程诱导，所述碰撞过程通过使至少一个运动物体在所述流体外部与至少一个实体碰撞产生，所述实体与在至少一个部分封闭空间内的所述流体接触。
2.根据权利要求I所述的烃采收作业中的方法，其中所述至少一种流体从至少一个与所述部分封闭空间流体联通的贮液器(131)提供。
3.根据权利要求2所述的烃采收作业中的方法，所述方法还包括借助于至少一个流体输送设备(240，340，440)，从所述至少一个贮液器(231，331，431)输送所述至少一种流体的步骤。
4.根据前述权利要求中任一项所述的烃采收作业中的方法，其中所述碰撞过程包括使所述物体借助于重力下落到所述实体上。
5.根据前述权利要求中任一项所述的烃采收作业中的方法，其中所述物体与所述实体在另外的流体中碰撞。
6.根据前述权利要求中任一项所述的烃采收作业中的方法，其中所述物体与所述实体在空气中碰撞。
7.根据前述权利要求中任一项所述的烃采收作业中的方法，所述方法还包括以时间间隔产生多个所述碰撞过程。
8.根据权利要求7所述的烃采收作业中的方法，其中所述碰撞过程以在2-20秒范围内，如在4-10秒范围内的时间间隔产生。
9.根据权利要求7-8中任一项所述的烃采收作业中的方法，所述方法包括以下步骤产生以压力振幅和所述碰撞之间的时间的第一设置产生第一序列碰撞过程，接着以压力振幅和所述碰撞之间的时间的不同设置产生第二序列碰撞过程。
10.根据权利要求9所述的烃采收作业中的方法，其中所述压力振幅的设置通过改变所述运动物体的质量、或相对于所述实体的速度改变所述运动物体的速度而进行改变。
11.根据前述权利要求中任一项所述的烃采收作业中的方法，其中安置所述实体以将所述流体与所述至少部分封闭空间中没有流体的部分分隔开。
12.根据前述权利要求中任一项所述的烃采收作业中的方法，其中所述部分封闭空间包括通过所述实体分隔开的第一和第二部分，并且其中所述方法还包括在所述碰撞过程之前用流体填充所述第一部分。
13.根据前述权利要求中任一项所述的烃采收作业中的方法，其中所述至少一个运动物体(403)连接于至少一个波动捕获系统。
14.根据权利要求13所述的烃采收作业中的方法，其特征在于，所述至少一个波动捕获系统包括至少一个被布置成通过波发生运动的浮标(405)，并且其中所述至少一个浮标(405)的运动诱导所述物体(403)的运动，从而在与所述实体(402)的碰撞之前获得所述物体(403)的非零动量。
全文摘要
本发明涉及在用于烃采收作业的流体中诱导压力瞬变方法。本发明的特征还在于通过碰撞过程在流体中诱导压力瞬变。所述碰撞过程采用运动物体(103，203，303，403)，其在所述流体外部与实体(102，202，302，402)碰撞，所述实体与在部分封闭空间(101，201，301，401)内的流体接触。此外，必须使所述压力瞬变在流体中传播。所述流体可以是以下组中的一种或多种主要是水、固结液、处理液、清洁液、钻井液、压裂液和水泥。
文档编号E21B43/16GK102971483SQ201180029593
公开日2013年3月13日 申请日期2011年6月15日 优先权日2010年6月17日
发明者吉姆-维克多·保尔森 申请人:压力技术系统公司