用于使用等离子源激发井、沉积物和钻孔的系统和方法
【专利说明】
[0001]描述
【背景技术】
[0002]本发明旨在用于石油和天然气工业，并且通常涉及用于激发烃井和沉积物的方法和装置。更具体地，本发明涉及这种方法和装置:使用谐振频率下的产生金属等离子体的、定向非线性的、宽频带的和弹性的或者受控的周期性振荡以及当等离子体形成时使用释放的能量以快速改变所述井和沉积物的生产率。
[0003]本发明还涉及改变这种井(包括钻孔和开口)的生产能力，所述井是生产井、注入井、成熟井、废弃井、废物处理井、保存井、陆地井、岸上井或者离岸井。井可以在没有水平完井的情况下相对于地球表面以任何角度定向。本发明利用等离子体能量以提高所述井和它们周围物质的渗透性，优化流体和介质的粘度和/或其它物理性质以及获得烃的强化采收和强化吸收。特别地，本发明涉及二次油采收和三次油采收或者强化油采收(EOR)的方法。
[0004]由于不需要应用对环境有害的化学和/或生物制剂，因此本发明还涉及绿色EOR技术。另外，本发明可以在相关类型的过程中(例如，在提高注入井、二氧化碳注入井、废物处理井和用于保存各种物质的井的生产能力中)找到有用的应用，
[0005]历史上，从典型井油采收的平均水平为大约30%。未采收的残余油可以分成四个类型:弱渗透性层和非水侵层中存储的油-27% ;同质层位的滞留区中的油-19% ;透镜体和不可后面渗透的屏障中的油-24% ;以及毛细管和膜容纳的油-30%。
[0006]油生产商力求以最小成本达到从多产的沉积物中烃的最大的采收。由于已经在世界范围内废弃了许多油储层，因此必须开发强化采收油和天然气的新的高级方法以提取储层中留下的大量未采收的烃。仍然没有找到能够基本上提高该采收水平的二次或者三次采收强化方法。
[0007]除常规机械方法和装置以外，已经公开了用于强化烃采收的许多方法和装置。化学方法、微生物学方法、热气体化学方法以及类似方法通常依赖使用各种媒介物辅助的过程，包括:蒸汽、泡沫表面活性剂和/或气体的注入(后者伴随有低温或者高温氧化)、乳液的就地形成、定向沥青烯沉淀、化学热解吸、轻油储层和重油沉积物中的选择性化学反应、相特性(包括可润湿性和界面张力)的化学制剂辅助的改变以及碱性表面活性剂聚合物驱油，此处仅举几个例子。
[0008]可选地，可以通过激发井/沉积物渗透性和借助于释放媒介物的设备提高油流动性来实现E0R，该释放媒介物的设备通常与下列类型的器材相关:超声波、声音、电动液压、电动液压脉动和电磁发射器装置以及它们的组合装置。
[0009]已经报道由超声波(频率>20KHz)源提供的振荡可以提高井周围的大量多孔介质的渗透性。因此，高功率超声设备用于移除阻止到井中的油流的屏障，减少在井眼附近阻塞的颗粒以及清洗/清除生产地层中的附近井眼区域，该生产地层由于泥浆渗透、沉积以及其它不合需要的过程而呈现下降的生产。然而，通过超声的EOR的主要缺点在于高频波在天然存在的多孔介质中迅速衰减，这对地层和底部孔区域产生相当有限的影响。这导致入流的有限加强和油采收的适度提高。
[0010]用于通过超声的EOR的大多数装置设计成插入井/钻孔中。所有这些装置包括通过测井/电力电缆供电的超声换能器和(一个或者多个)超声发射器。井/钻孔的超声处理集中于生产层段的滤波特性上的提高并且被逐点执行，其中邻近点从一个到另一个的距离通常在0.5-1米之间。基于流入剖面-激发剖面数据来评估通过超声的EOR的效率。超声处理在大约一半的情况下是有效的。由超声EOR施加的提高的渗透性不是永久的(尽管可以持续数月)。
[0011]已经注意到通过由各种人类活动引起的波动和源自地震的震波的活动实现了油采收的强化和井吸收的增加两者。另外，可以通过穿过储层发送震波以释放不动油碎片来提升油生产。震波是按照由传播它们的介质的声阻抗控制的速度穿过地球的机械摄动。除能够影响局部区域的超声波外，震波可以激发整个储层，由于它们的低衰减引起大规模效应。
[0012]低强度的低频弹性波可以在微小的外部压力梯度下显著地提高屈服应力流体的流动速度。它们通过降低流体排出需要的阈值梯度来提升多孔介质中非水相液体运输和截留的非水液体气泡流动作用。
[0013]表面声波的传播(频率是20Hz-20KHz)取决于弹性和压电非线性，并且特征在于由于外部静态应力和电场的频率偏移。非线性波传播受非分散系统与分散系统之间的区别影响，其中两个类型的系统能够在电弹性中出现。在分散介质中，由于使热起伏与量子起伏耦合，发生表面波的衰减、自聚焦、自调制和包络孤立子。
[0014]由于多个微缺陷和大缺陷以及包括多相流体的粒间接触表面，异质多孔储层介质是非线性的。在多孔储层材料中，主要由储层流体确定准静态和动态响应。由于油截留取决于渗透性，因此非线性效应可以显著地影响油采收的效率。在低频范围中，毛细管力和非线性流变学是地震/声波激发的主要机制。使用多自由度模型对由液体和固体中的球面空腔散射的非线性声音和具有微塑性的固体/介质的应力形变进行分析，该非线性声音和应力形变受宽频带随机激励影响并且呈现滞后特性。当与常规均匀介质相比时，微型非均匀介质中声波的相互作用更强，用地面物种、海洋沉淀物、多孔材料和金属对其进行了观察。
[0015]当超过特定阈值的地震幅度之后是在(一个或者多个)背景气压梯度下的油输送时可以释放毛细管屏障上截留的油。还通过液滴聚结强化运动。使用多孔弹性理论估算由震波附加至背景流体气压梯度的有效力。流体的孔隙压力波和基质弹性波负责提高油流动性。与均质储层中的流体孔隙压力波相比，岩石应力波是更高效的能量传送媒介物。
[0016]还没有充分研宄通过油的辅助地震振动的流动性的E0R。在实践中，使用放置在地球表面上的强大源阵列产生震波。引入的振动能量的水平影响多孔介质中的残余油饱和度和相对渗透性两者。可以通过井中的流体振荡改变同质储层和裂缝性储层中的油流动性。裂缝性储层的基质区域和由振动引起的交叉流动中的EOR提高水到基质区域中的渗吸以及油从基质区域的排出。
[0017]电动液压方法借助于生产层的过滤特性的恢复允许强化油采收。由于应用非常短暂，因此方法包括在流体中产生冲击波，但是在强大的电脉冲之后发生具有声速和高超声速的冲击波。
[0018]Huffman等人的美国专利6，227，293和Thomas等人的美国专利6，427，774公开了使用脉冲功率电动液压和电磁放电的用于油储层的耦合电磁和声音激发的过程和设备。电动液压发生器和电磁发生器的组合在储层区域上引起声振动和电磁感应的高频振动两者。激发的有效范围限于6000英尺。另外，这些组合发生器的设计是复杂的并且它们具有相当大的尺寸，该设计限制这些组合发生器与常规钻孔一起使用:在某些情况下，需要钻探附加的井用于放置发生器。
[0019]Ellingsen的美国专利6，499，536中图示的另一个方法教导了包括将磁性材料或者磁致伸缩材料通过油井注入到油储层中，在交流电场的帮助下使材料振动并且从井中取出油的方法。方法需要使用附加的材料并且具有与将这些固体材料引入到生产层中相关联的缺点，包括渗透性的可能降低。
[0020]在Ounadjela的美国专利7，562, 740中公开了用于产生通过地球地层的弹性波的钻孔声源以及使用它的方法，并且该方法可以用于测量钻孔周围的地下介质的地质特征。方法依靠使用高达至少IKHz的频率并且是地球物理学研宄方法并且不旨在用于E0R。
[0021]Khan的美国专利6，597, 632公开了用于通过分析另一个井眼中记录的两个高频率与低频率地震信号的相互作用确定地球地层中张开的天然裂缝的位置和定向的方法。在该方法中，低频信号从地球表面传输以及高频信号从井眼传输。较低频率信号的压缩和稀疏循环用于调制张开裂缝的宽度，其改变它们的传输特征。因此，高频信号的幅度随着其传播通过张开裂缝而被调制。该方法适用于使用高频信号的非线性调制进行地表下裂缝制图并且不旨在用于EOR目的。
[0022]在Wilkinson等人的美国专利5，573，307中公开了用于使用由适度高能量电子放电点燃的材料爆破硬岩石以用于岩石的破裂和崩裂的方法和设备。可再用的爆破探针的两个电极与易燃材料(诸如金属粉末和氧化剂混合物)电接触。电容器组上存储的电能量点燃金属粉末和氧化剂混合物，引起产生使周围岩石断裂的高压气体的增强的热消散。Wilkinson教导利用氧化化学物质用于岩石断裂，而不是用于激发油生产。
[0023]在Ayers等人的美国专利5，397，961中描述了在流体中产生脉冲等离子体的又一个设备。向间隔的电极提供高能脉冲用于创建火花通道和发起等离子体。脉冲形成网络产生持续时间5-20微秒和千兆瓦功率的脉冲。
[0024]Wilkinson的美国专利5，425, 570公开了用于利用等离子体爆破岩石的方法和设备。电容器组用于存储电荷，该电容器组与电感器耦合，该电感器将电荷作为电流通过开关传送至爆炸的成螺旋形缠绕(wounded)的带状导体。带的尺寸与电感与电容的比率相对应以确保存储电能的最优量的高效消散。
[0025]应当注意，目前在实践中利用的许多EOR方法基于线性相关性/现象。然而，由于导致非常多样并且独特复杂的效应的各种相关性的许多可能组合，因此线性相关性本质上可以被看作例外，而不是规则。
[0026]例如，在二十世纪五十年代，对与现象学上得出的本构达西定律(用于描述通过石油储层的油、水和天然气流动)的偏差进行了观察并且发现了非线性过滤定律。油和含油流体的过滤速度根据粘度、气压梯度以及其它状态变化很大。
[0027]多相系统和它们的非线性波动动态对现有工业应用的状况具有逐渐增长的重要性，包括:同质气体-液体和蒸汽-液体混合物中的声波和冲击波、气体气泡和蒸汽气泡的动力学、气体-液体系统中和两个介质的界面上的波动过程、具有蒸汽气泡的液体介质中的波传播、液体膜的波流动以及气体-液体和蒸汽-液体介质中的波动态的计算。由于生产沉积物是具有在宽频率范围内的非线性振荡的组合的耗散介质，因此不能使用物理学一般定律解释出现强制周期性宽频带振荡的过程的起因。非线性现象违反叠加原理。非线性系统对具有特定长度的脉冲的响应不等于其对持续时间为几十微秒的较短脉冲的响应的总和。例如，系统对持续时间为Λ t的两个连续脉冲的响应各自不同于其对持续时间为2 Δt的单个脉冲的响应。
[0028]由具有非线性的、耗散的和非平衡的介质的理想非线性等离子体源产生的宽频带的、周期性的、定向的和弹性的振荡的相互作用导致基频下的非线性波自作用。在这种情况下，波幅和频