用于注入低盐度水的方法 |
|||||||
| 申请号 | CN201280035657.0 | 申请日 | 2012-05-17 | 公开(公告)号 | CN103890315B | 公开(公告)日 | 2017-10-13 |
| 申请人 | 英国石油勘探运作有限公司; | 发明人 | J.A.布罗迪; G.R.杰劳尔德; | ||||
| 摘要 | 用于确定执行低 盐度 注 水 的功效以及用于执行低盐度注水的方法、设备和计算机可读指令。基于离子在储层的 岩石 内的扩散率和注水在储层内的驻留时间来确定离子扩散距离值。将储层的层的厚度与该离子扩散值进行比较，来确定执行低盐度注水的功效，并且还允许对注水的有效控制并协助确定井的 位置 。 | ||||||
| 权利要求 | 1.一种计算机实施的方法，用于确定对含碳氢化合物的储层执行低盐度注水的功效，其中所述储层包括夹在相对不可渗透层之间的相对可渗透层，并且被注入井和生产井穿透，所述低盐度注水包括从注入井向含碳氢化合物的储层中注入低盐度水，由此来从注入井通过储层的相对可渗透层到生产井，并且其中所述相对不可渗透层与低盐度水存在于其中时的相对可渗透层的离子浓度相比具有相对较高的离子浓度，所述方法包括： |
||||||
| 说明书全文 | 用于注入低盐度水的方法技术领域[0001] 本发明涉及用于对含碳氢化合物的储层确定低盐度注水的功效以及用于执行低盐度注水的系统和方法。特别地，本发明涉及在储层包括夹在相对不可渗透层之间的相对可渗透层时以及在相对不可渗透层与低盐度水存在于其中时的相对可渗透层的离子浓度相比具有相对较高的离子浓度的情况下使用的系统和方法。 背景技术[0002] 含碳氢化合物的储层通常呈夹在页岩层之间的多个沙岩层的形式。沙岩层具有足够的孔隙率和渗透率来存储和传输流体(例如油和水)。通常，油被保持在岩石地层的孔隙中。相比之下，页岩层对这些流体来说是相对不可渗透的。 [0003] 已知的是：只有存在于储层中的总原油的一部分能在一次开采过程期间得到开采，该一次过程导致油在储层的自然能量下得到开采。二次开采技术因此常常被使用来将附加油迫出到储层之外。二次开采技术的一个示例是直接用通常为水或气体的置换流体(也被称为注入流体)来替换油。 [0004] 也可以使用增强油开采(EOR)技术。这种EOR技术的目的不仅在于恢复或维持储层压力(如由典型二次开采技术完成的)，而且还在于提高从储层的油置换率，由此使来自储层的油开采率最大化，并使储层的残留油饱和度(存在于储层中的油的体积)最小化。 [0005] “注水”是最成功的且被广泛地使用的二次开采方法之一。水在压力下经由注入井被注入到储层岩石层中。注入的水起到帮助维持储层压力的作用，并且驱扫被置换出的油在其前方通过岩石趋向生产井，从这里油得到开采。在注水过程中使用的水通常是来自自然源的盐水(比如海水)，或者可以是生产出的水(即在生产设施处从原油分离出的水)。 [0006] 除了使用盐水的注水之外，还有可能使用较低盐度的注入水(例如，比如江口水等半咸水，或者比如河水或湖水等淡水)。与使用高盐度水开采的油量相比，低盐度注水的使用能增加所开采的油量，因为低盐度水能够更好地从储层置换出油。 [0007] 优选地，在低盐度注水中使用的水通常具有在500～12,000ppm范围内的总溶解固体(TDS)含量。还优选的是：低盐度注入水的总多价阳离子含量与存在于储层的沙岩层中的地层水的多价阳离子含量的比值小于1。低盐度注水的使用在以下时候是特别有益的：存在于储层的沙岩层中的油(通常为粘附至沙岩岩石的表面的油)是中等或轻质原油，其具有至少15°、优选为至少20°的美国石油协会(API)重力指标，例如API重力指标在20°～60°的范围内。 [0008] 在低盐度注水期间，低盐度注入水被注入并流动通过储层的沙岩层。相比之下，很少有水流动通过相对较不可渗透的页岩层。因此，油从高渗透率的沙岩层产出，而从低渗透率的页岩层产出可忽略的油量。实际上，页岩常常如此不可渗透而使得储层的层间页岩层在油从源岩向储层的沙岩层中迁移的期间保持不被油饱和。相反，页岩层却饱含通常具有高盐度的原生水。 [0009] 现已发现：对于具有层间沙岩和页岩层的储层来说，使用低盐度注水实现的增量油开采效应可能会被降低。这是由于离子从存在于页岩层的孔隙空间中的较高盐度原生水向流动通过储层的相邻沙岩层的低盐度水中扩散而造成的。当储层的夹有沙岩层的页岩层中存在大量高盐度原生水时，并且当层间沙岩层相对较薄时，开采率的该降低尤其值得关注。 [0010] 从页岩层的原生水向流动通过储层的相邻沙岩层的低盐度水的占主导的质量传递机制是分子扩散，由此盐离子从页岩层中的原生水扩散至沙岩层中的低盐度水。通常，来自页岩层的盐离子的分子扩散发生在基本上与通过相邻沙岩层的低盐度水的流动方向正交的方向上(即在浓度梯度的方向上)。 [0011] 来自存在于页岩层的孔隙空间中的较高盐度原生水的盐离子的扩散可通过增加流动通过沙岩层的水的盐度而降低低盐度注水的功效。因此本发明的一个目的是提高低盐度注水的功效。 发明内容[0012] 依据本发明的至少一个实施例，提供方法、装置、系统和软件来用于支持或实施用以提供储层的有效注水的功能。这通过在每个独立权利要求中列举出的特征的组合来实现。因此，从属权利要求限定本发明的更详细的实施方式。 [0013] 根据本发明的第一方面，提供了一种计算机实施的方法，其用于确定对含碳氢化合物的储层执行低盐度注水的功效，其中所述储层包括夹在相对不可渗透层之间的相对可渗透层，并且被注入井和生产井穿透，所述低盐度注水包括从注入井向含碳氢化合物的储层中注入低盐度水，由此来从注入井通过储层的相对可渗透层到生产井，并且其中所述相对不可渗透层与低盐度水存在于其中时的相对可渗透层的离子浓度相比具有相对较高的离子浓度，所述方法包括：从以下参数导出离子扩散距离值：扩散系数，其指示离子通过低盐度水存在于其中时的相对可渗透层的扩散率；和驻留时间值，其指示低盐度水从注入井传送通过储层到生产井所需的时间；比较相对可渗透层的厚度与导出的离子扩散距离值；以及使用比较的结果来生成指示执行低盐度注水的功效的输出。 [0014] 在众多因素中，执行低盐度注水需要显著量的低盐度水，其通常不是大量存在的。这意味着：重要的是能够确定低盐度注水的有效程度如何的量度。这种确定可以通过执行精密标度的储层模拟来做出，然而这需要大量的计算资源来执行，通常为使用主机或“超级计算机”进行数小时的处理。通过导出离子扩散距离值并将之与储层中的层的厚度进行比较，能使用明显地降低的计算资源来生成指示执行低盐度注水的功效的输出。该输出能确保只有有效的低盐度注水得到执行，因此低盐度水的有限来源被用到最大效应。 [0015] 根据本发明的第二方面，提供了一种计算机实施的方法，其用于控制对含碳氢化合物的储层的低盐度注水，其中所述储层包括夹在相对不可渗透层之间的相对可渗透层，并且被注入井和生产井穿透，所述低盐度注水包括从注入井向含碳氢化合物的储层中注入低盐度水，由此来从注入井通过储层的相对可渗透层到生产井，并且其中所述相对不可渗透层与低盐度水存在于其中时的相对可渗透层的离子浓度相比具有相对较高的离子浓度，所述方法包括：基于以下参数导出目标速率：扩散系数，其指示离子通过低盐度水存在于其中时的相对可渗透层的扩散率；注入井与生产井之间的井间距离；和指示相对可渗透层的厚度的值；以及将导出的目标速率传输至注入井的控制单元。 [0016] 如以上所描述的，重要的是确保低盐度注水将是有效的。虽然低盐度注水的功效随水的速率而增加，但是通常不可能或不希望使该速率最大化。因此，为了使有效的注水得到执行，有必要在注水的速率与在注水中开采的碳氢化合物量之间找到平衡。该平衡能通过以下方式实现：确定目标速率，并使用该目标速率来控制向储层中的注入，从而控制注水的速率。 [0017] 根据本发明的第三方面，提供了一种计算机实施的方法，其用于对含碳氢化合物的储层确定至少一个生产井和至少一个注入井的位置，其中所述储层包括夹在相对不可渗透层之间的相对可渗透层，并且将被所述至少一个注入井和所述至少一个生产井穿透，其中注入井被布置成提供低盐度注水，所述低盐度注水包括从注入井向含碳氢化合物的储层中注入低盐度水，由此来从注入井通过储层的相对可渗透层到生产井，并且其中所述相对不可渗透层与低盐度水存在于其中时的相对可渗透层的离子浓度相比具有相对较高的离子浓度，所述方法包括：基于以上参数计算井间距离值：扩散系数，其指示离子通过低盐度水存在于其中时的相对可渗透层的扩散率；指示相对可渗透层的厚度的值；和低盐度水通过储层的速率；以及使用所述井间距离值来确定所述至少一个注入井和所述至少一个生产井的位置，使得所述至少一个注入井与所述至少一个生产井之间的井间距离小于所述井间距离值。 [0018] 需要大量的时间和资源来在油田中钻井，因此希望的是确保在井之间存在最大距离。然而，具有这种大距离存在缺点，其之一是：如果执行低盐度注水，则功效将随增加的井间距离而降低。为了实现平衡，本发明的该方面基于将影响低盐度注水的参数来计算井间距离值，并使用该值来确定井的定位。 [0019] 根据本发明的再一些方面，提供了用于执行以上描述的方法的系统和设备以及计算机可读存储介质，在其上存储计算机可读指令以在计算系统上执行，从而实施以上描述的方法。 附图说明[0021] 现在将参考附图只通过示例方式来作为本发明的实施例描述系统和方法，附图中： [0022] 图1示出了本发明的实施例可适用的油开采系统和储层的示意图； [0023] 图2示出了可以在其中操作本发明的实施例的处理系统的示意图； [0024] 图3示出了显示离子扩散的曲线图； [0025] 图4示出了根据本发明一实施例的确定执行低盐度注水的功效的计算机实施方法； [0026] 图5示出了根据本发明一实施例的控制低盐度注水的计算机实施方法； [0027] 图6示出了根据本发明一实施例的确定生产注入井的位置的计算机实施方法；并且 [0028] 图7示出了曲线图，其示出了与由精密标度储层模拟获得的结果相比的、由本发明的实施例获得的结果。 具体实施方式[0029] 图1是示意性框图，示出了原油开采系统100的简化表示。在该系统内，存在多层储层。在本示例中，储层包括一系列层间可渗透层和不可渗透层。可渗透层(在该示例中为沙岩)在岩石内的孔隙空间中含油，并且被标记为102、104和106。不可渗透层(在该示例中为页岩)通常不含油，并且被标记为108、110、112和114。在顶部不可渗透层108上方示出了广义化的表面层116，其可以包括多个不含油的层、以及海水层(如果储层在海中的话)。这些层的成分与本示例无关。 [0030] 可渗透层和不可渗透层构成储层。穿透储层的是：包括控制站118和井筒120的注入井；以及包括控制站122和井筒124的生产井。注入井和生产井如图所示分离达距离L。(通常存在比这里示出的两个更多的许多井；然而在该示例性实施例中示出两个是为了简明性)。 [0031] 储层中的每个可渗透层(102、104和106)具有相关联的厚度(分别为w1、w2和w3)。如从图中能够看出的，每个层具有不同的厚度。另外，能够看出：层102具有变化的厚度，在注入井端为厚度w1，而在生产井端为较窄的厚度w1’。厚度的该变化将在后面被谈及。 [0032] 使用时，为了低盐度注水，注入井将低盐度水作为处于压力下的注入流体注入到储层中。低盐度水沿着可渗透层102、104和106中的每个流动，如箭头示出的。低盐度水迫使储层中的油在其前方移动，从而将油从储层迫入到生产井的井筒中(再次由箭头示出)。从那里，储层的压力，可选地由位于生产井的井筒中的泵协助，将接收自储层的油和水向上提升到表面，在这里它能被存储、精炼和使用。 [0033] 在低盐度注水期间，可以将低盐度注入水连续地传送到注入井和储层的沙岩层中。然而，优选的是：以受控体积的一个或多个部分(以下称为“段塞(slug)”)来传送低盐度注入水，所述受控体积通常以术语“孔隙体积”或PV来表示。术语“孔隙体积”在本文中被使用来意指注入井与生产井之间的沙岩岩石层中的孔隙空间的体积，并且可以通过本领域技术人员公知的方法来轻松地确定。这类方法可以包括测量示踪器从注入井穿过沙岩层到生产井所花费的时间。波及体积(swept volume)是被注入水驱扫的对注入井与生产井之间的所有流动路径取平均的体积。 [0034] 尽管可以持续向储层中注入低盐度注入水，通常低盐度注入水的段塞的孔隙体积被最小化，因为对于低盐度注入水来说可能由于有必要除掉产生的盐水(其通过向储层中注入而被除掉)而存在有限的注入能力。因此，低盐度注入水的段塞的体积优选小于1并且可以例如小于0.5PV。因此，低盐度注入水的段塞可以具有在0.2-0.9PV范围内、更优选可以在0.3-0.45PV范围内的孔隙体积。 [0035] 在低盐度注入水的段塞的注入之后，具有较高多价阳离子含量和/或较高TDS(即高盐度)的驱动(或后冲洗)水可以被注入到储层中。例如，驱动水可以具有至少30,000ppm例如30,000～50,000ppm的总溶解固体(TDS)和至少350ppm的多价阳离子含量。相比之下，低盐度段塞中的水通常具有在500～12,000ppm范围内的TDS含量。这种低盐度段塞可以具有小于40ppm的多价阳离子含量。 [0036] 低盐度注入水的段塞的体积可能小，但是该段塞仍然能够基本上释放能在储层条件下从沙岩岩石的孔隙的表面被置换的所有油。一般来说，低盐度注入水的段塞的体积为至少0.2PV，因为较低体积的段塞趋于在沙岩岩石中消散，并且可能不会导致可观增量的油产量。还已发现：在低盐度注入水的体积为至少0.3PV(并且优选为至少0.4PV)的情况下，段塞趋于在沙岩岩石内维持其完整性(即，它不在岩石内分散)，因此持续朝向生产井驱扫被置换的油。因此，对于包括沙岩层的储层来说的增量油开采率以至少0.3-0.4PV的段塞接近最大值。对于更高体积的段塞，存在较少的附加增量油开采率。 [0037] 在低盐度注入水的段塞具有小于1PV的体积的情况下(即低盐度段塞将不填充储层，并且将需要在其后被注入的通常为高盐度水的驱动注入流体)，驱动水将确保低盐度水的少量的孔隙体积段塞(从而被释放的油)被驱扫通过储层至生产井。此外，可能需要驱动水的注入以维持储层中的压力。通常，驱动水具有比低盐度注入水的段塞更大的体积。 [0038] 尽管被注入到储层的含油沙岩层中的低盐度水的段塞只是孔隙体积的一部分，但是该段塞在地层内通常保持不变，并朝向生产井持续驱扫被置换的油。不希望受任何理论的约束，可以相信的是：尽管在段塞的尾部(后部)在较高盐度驱动水与低盐度水之间存在分散(扩散)混合，但是在段塞的前部在低盐度水与地层水之间存在很少的分散(扩散)混合。在段塞的前部在低盐度水与地层水之间存在很少的扩散混合的原因是：在低盐度水段塞中的单价阳离子与将残留油结合至岩石表面的多价阳离子(主要为二价阳离子)之间发生了离子交换反应。这意味着段塞获得从以下事实发生的稳定状态：离子浓度的速度在前缘比在尾部低(原因是前缘处的离子交换驱动的吸附)，因此段塞在传播时变尖。以数学术语来说，这发生的原因是：用于低盐度水与存在于沙岩层中的地层水的混合的扩散方程(其具有用于取决于距离和时间的地层水中的个体离子和低盐度水中的个体离子的浓度的扩散术语)通过将低盐度水与岩石之间的离子交换(吸附)纳入考量的额外数学术语的添加而得到平衡。由于这些原因，在段塞被随后注入的较高盐度的驱动水迫使通过沙岩层时，低盐度水的段塞保持不变(基本上不与地层水混合)。 [0039] 在低盐度注水期间，离子从被俘获在不可渗透层中的高盐度水向低盐度水中的扩散的程度从而被注入的低盐度水的盐度的因此发生的增加对增量油开采率的影响取决于以下参数中的一个或多个： [0040] 1. 低盐度水通过油储层的可渗透(沙岩)层的流速(通常表示为空床速率(superficial velocity)ν)； [0041] 2. 被使用来向油储层中注入低盐度水的注入井与被使用来从油储层生产油的生产井之间的井间距离L； [0042] 3. 不可渗透(页岩)层中的盐扩散系数； [0043] 4. 存在于页岩层的原生水中的溶解盐与存在于流动通过相邻沙岩层的低盐度水中的溶解盐之间的浓度梯度； [0044] 5. 油储层的层间页岩层的厚度； [0045] 6. 油储层的层间沙岩层的厚度； [0046] 7. 由储层内的薄的处于层间且液压地连接的沙岩层形成的总沙岩储层的比例。 [0047] 流速(v)和井间距离(L)限定出储层的沙岩层中的低盐度水的“驻留时间”t，从而限定出可供盐离子从页岩层扩散到流动通过储层的相邻沙岩层的低盐度水中的时间。因此，驻留时间t可以被定义为L/v，其中L是注入井与生产井之间的井间距离，而v是储层的沙岩层中的低盐度水的空床速率。如果低盐度水在油储层的沙岩层中的驻留时间短，则可能存在很少的从页岩层扩散到低盐度水中的盐，从而存在低盐度水的总溶解固体(TDS)含量和/或其多价阳离子浓度的不显著的增加。相反地，如果低盐度水在储层中的驻留时间长，则可能存在显著的扩散到低盐度水中的盐，以及低盐度水的TDS含量和/或其多价阳离子浓度的显著增加。 [0048] 如以上论述的，低盐度水通过储层的沙岩层的流速可以被表示为空床速率ν，其被定义为通过储层的沙岩层的低盐度水的体积流量(其可从体积注入率来确定)除以沙岩层的截面面积。作为近似值，空床速率与低盐度水在储层中的前进率相对应。 [0049] 低盐度水在储层的沙岩层中的空床速率通常在0.05～5英尺/天(0.015～1.5米/天)的范围内，并且更常常在1～4英尺每天(0.3～1.2米/天)的范围内。然而，如以下论述的，空床速率可能被沙岩岩石的渗透率或储层的注入能力限制。 [0050] 储层的层间沙岩层可以彼此隔离，使得对于通过从注入井到生产井的每个沙岩层的低盐度水只存在单个流动路径。替代地，储层的沙岩层可以由于页岩层中的裂纹或断层或者由于页岩层沿着注入井与生产井之间的整个井间距离不与沙层相邻接而被液压地相互连接。在该情况下，低盐度注入水找到许多流动路径通过储层的液压地连接的沙岩层，并且确定的是低盐度水通过沙岩层的平均空床速率。 [0051] 通常，储层的沙岩层中的每个具有至少1毫达西(millidarcy)、且更常常为至少500毫达西的渗透率。一般来说，储层的沙岩层中的每个的渗透率在1～1000毫达西范围内。 可以例如从在使用标准技术从储层取得的岩心样本上做出的测量，来确定储层的层间沙岩层的渗透率。低盐度水的空床速率可以随沙岩岩石的变化渗透率而变化。 [0052] 低盐度水通过储层的沙岩层的空床速率还可能取决于储层的注入能力。储层的注入能力是指注入流体能在不液压地压裂储层的情况下从注入井被注入到储层中的比率和压力。因此，注入井中的压力应该高于储层压力，但是低于开始在储层岩石中引起裂纹的压力。裂纹引起压力将是特定于储层的，并且能使用本领域技术人员众所周知的技术来轻松地得到确定。根据储层压力和裂纹引起压力，低盐度水的注入压力可以在以下范围内：6,500～150,000kPa绝对值，且更具体地为10,000～100,000kPa绝对值(100～1000巴绝对值)。因此，可以通过增加注入压力从而增加低盐度水被注入到储层中的比率来增加低盐度水的空床速率。 [0053] 在图1中示出的示例系统中，只存在一个注入井和一个生产井；然而，在另一些实施例中，在储层中可能存在多于一个的注入井和多于一个的生产井。井可以位于陆地上，或者可以位于海上。 [0054] 在陆地上，在储层的注入井与生产井之间可能存在许多不同的空间布置。例如，注入井可以定位成围绕生产井。替代地，注入井可以处于两个或更多个行中，在其中的每个之间设置生产井。然而，不管井的空间布置如何，通常是这样的情况：任何注入井与其相关联的生产井之间的井间距离L小于3000英尺。通常，井间距离在1000～2000英尺的范围内。降低注入井与其相关联的生产井之间的井间距离L会降低低盐度水在储层的沙岩层中的驻留时间。 [0055] 在海上，通常存在较少的生产井和注入井，从而导致更大的井间距离L，例如3000英尺，由此降低了操作者控制低盐度水在储层的沙岩层中的驻留时间t的能力。因此，可能需要根据以上列举的其它参数中的一个或多个来选择用于低盐度注水的储层。 [0056] 本发明的实施例提供计算机系统和计算机实施方法，其可以被使用来协助执行如以上参考图1所描述的低盐度注水。要做到这一点，本发明的实施例可以包括计算机系统，其运行低盐度注水(LSW)软件组件，所述软件组件允许系统： [0057] 确定在储层中执行低盐度注水的功效； [0058] 控制储层内的低盐度注水； [0059] 对于在储层中执行的低盐度注水确定碳氢化合物的开采率的估计值；以及[0060] 确定根据本发明一实施例的生产井和注入井的位置。 [0061] 计算机系统可以位于计划和控制中心(其可以位于距储层相当远的距离，包括在不同国家中)。替代地，计算机系统可以是储层的控制系统的一部分，比如如图1中示出的控制站118和122。LSW软件组件可以包括如本领域已知的一个或多个应用，并且/或者可以包括用于现有软件的一个或多个附加模块。 [0062] 现在将参考图2描述示出这种计算机系统的示意性框图。计算机系统200包括处理单元202，其具有处理器或CPU 204，其连接至易失性存储器(即RAM)206和非易失性存储器(比如硬盘驱动器)208。载有用于实施本发明的实施例的指令的LSW软件组件209可以被存储在非易失性存储器208上。另外，CPU 204连接至用户界面210和网络接口212。网络接口212可以是有线或无线接口，并且连接至由云214表示出的网络。因此，处理单元202可以通过网络214与传感器、数据库以及其它数据的来源和接收器连接。 [0063] 使用中，并且依据标准工序，处理器204读取和执行存储在非易失性存储器208中的LSW软件组件209。在执行LSW软件组件209期间(即在计算机系统执行以上描述的动作时)，处理器可以将数据临时地存储在易失性存储器206中。处理器204还可以通过用户界面210和网络接口212接收数据(如在下面详细描述的)，如实施本发明的实施例所需的。例如，数据可以由用户通过用户界面210输入，和/或通过网络214接收自例如生产井中的远程传感器，和/或可以通过网络214从远程数据库被读取。 [0064] 这些数据可以按本领域的技术人员公知的多种方式来生成和/或存储。例如，可以在实验室中从与储层有关的岩心样本(使用众所周知的过程)来确定扩散系数(在下面描述)。一旦被确定后，该数据可以被主动地发送至处理单元202，或被存储在数据库中以便由处理单元202按需读取。替代方案对本领域的技术人员来说将是显而易见的。 [0065] 在处理了数据后，处理器204可以经由用户界面210或网络接口212中的任一个提供输出。若需要，输出可以通过网络传输至远程站，比如用于注入井的控制站。这类过程对本领域的技术人员将是显而易见的，因此将不进行详细描述。 [0066] 由以上描述的计算机系统实施的计算机实施方法的示例可以进行操作来实施下面将描述的本发明的实施例；然而，为了了解这些方法的来龙去脉，现在我们将描述一些与离子向流动通过储层的低盐度水中的扩散有关的背景信息。 [0067] 与低盐度水在储层的沙岩层中的典型驻留时间t相比，离子(例如盐离子)可能是相对较缓慢地从页岩层向相邻层间沙岩层中扩散的。因此，浓度梯度从而层中的扩散方向可被考虑为是大致垂直于页岩-沙岩边界的，并且如此一来，扩散可被考虑为是一维的。 [0068] 另外，页岩层可被考虑为具有足够的尺寸，并且具有足够高的离子浓度，使得它们能被建模为无限的离子源。换种方式来说，低盐度水的段塞只表示页岩层中的原生水的体积的一小部分。其结果是：在页岩与沙岩之间的边界处的离子浓度可被考虑为是恒定的。 [0069] 最后，沙岩层可被考虑为是半无穷介质，即：所关心的层的部分在一侧被页岩界定，但是从那里延伸至无穷远。这是一种近似，因为沙岩层将在另一侧被界定(多数是被另一页岩层)，然而它对给出的示例来说是有效的。 [0070] 用于离子从恒定成分源向低渗透率的半无穷多孔性介质中(例如从页岩向沙岩岩石)的一维扩散的解析表达式由属于Fick定律的以下一维解决方案来给出： [0071] (公式1) [0072] 其中，z是从沙岩与页岩的边界表面起测量的沙岩内的距离(深度)，C0是离子在z=0处的离子的浓度(即页岩层中的浓度)，Da是离子在沙岩内的表观扩散系数，t是时间，而C(z)是在深度z处在多孔性介质中的扩散离子的浓度。 [0073] 图3示出了C(z)/C0对距离(z)的曲线图。示出了五条线，每条曲线是使用不同的值构造的。从图3可看出：浓度随深度而降低。另外，驻留时间越长(与L/v成比例)，扩散越大。 [0074] 如可看出的，为了使扩散的程度最小化，希望的是具有短的驻留时间t。作为结果，希望的是使用小的井间距离L和高的空床速率v。然而，这可能由于经济和技术这两个原因而难以实现。例如，在海上位置，钻探附加井来实现所需的更小井间距离的成本可能过分地昂贵。为了克服这些问题，希望的是能够辨识在其下低盐度水注入将是有效的条件，并且确定可能在这些条件下被执行的任何低盐度注水的功效。 [0075] 参考公式1，可看出：在z= 的值处，浓度比(C/C0)具有约0.16的值。因此，距离d= 可以被看作“穿透距离”(d)，其表示在其内存在87%的扩散离子的随时间变化的距离。由于驻留时间t花费L/v的值，其中L和v分别是井间距离和注水的空床速率，穿透深度d可被重写为： [0076] (公式2)。 [0077] 为了计算低盐度注水的功效的量度，穿透深度可被使用来计算“边界层”厚度x。该边界层表示每个沙岩层的受到离子从周围页岩层向沙岩层中的扩散强烈地影响的部分。在边界层内，假定的是：不存在油的增量开采率(即，当与高盐度注水相比时，不存在来自边界层的油的附加开采率)。相反地，在边界层外，离子的扩散被假定为对低盐度注水没有影响。 [0078] 应该理解的是：随着距注入井的距离增加，边界层在厚度上增加。该厚度在注入井处将实际上为零(因为那里没有机会供离子向低盐度水中扩散)。相比之下，边界层的厚度在生产井处将为最大。边界层(x)的该平均厚度可由如从公式2导出的穿透深度(d)来计算，即如下： [0079] (公式3)。 [0080] 在公式3中，经验常数A可被改变来调整公式，Da和L可以是已知的并且相对较恒定。速率v可以是通过储层的空床速率的量度，然而这不是必需的，可以使用任意适当的速率量度。正常地，将在夹在页岩层之间的沙岩层的顶部和底部处具有边界层。 [0081] 通常，A将具有为0.5的值(假定边界层从注入到生产井是均匀地增长的)，然而也可以使用其它值。例如，如果发现特定储层强烈地受到离子扩散的影响、或页岩层中的离子浓度异乎寻常地高，则A可以被增加至具有例如1或2的值。A的适当值可以由本领域的技术人员凭经验找到，例如通过比较差分模拟结果与使用本发明的实施例获得的结果。 [0082] 可以通过改变注入压力来改变空床速率v，因此待使用在该公式中的v值可以根据其它因素而被改变。例如，可以被使用的通过储层的最大空床速率可以通过例如可以被使用而不液压地压裂储层的最大注入压力、或可以在经济上是可能的最大空床速率来限制。在本发明的一些实施例中，在公式3中使用的空床速率v可以是最大值的预定比例/百分比(比如最大值的80%)。导出v的各种方法对本领域的技术人员将是显而易见的，并且任一种都可以在本发明的范围内使用。 [0083] 例如，如果L为2000英尺、v为1英尺/天、且Da为1.33×10-9m2/s(对于沙岩中的NaCl的适当值)，则如果A=0.5，则平均边界层厚度为约0.5m(1.5英尺)。 [0084] 低盐度注水的功效可以使用用于储层的扩散降级因子(F)来计算。扩散降级因子可以通常被视为将扩散纳入考量时开采的附加油量与忽略离子扩散时开采的附加油量的比值的量度。这里的“附加”油是比起前述高盐度注水由低盐度注水开采的油量。 [0085] 计算该扩散降级因子的一个方法是比较储层中的非边界层的总厚度与整个沙岩层的总厚度。数学上，这可表示为： [0086] (公式4) [0087] 其中，wn是层(由n标定的每个层)的厚度，而x是在以上计算出的平均边界层厚度(出现系数2是因为每个沙岩层存在两个边界层)。 [0088] 公式4简化为： [0089] (公式5) [0090] 其中，H是沙岩层的厚度的算术平均： [0091] (公式6)。 [0092] 该公式假定：在边界层内，不存在由低盐度注水产生的附加油开采率，而在边界层外，附加油开采率不受盐扩散的影响。公式4和5暗示：当wn<2x时，在扩散存在的情况下对低盐度附加油开采率的负贡献。这可能导致扩散降级因子F的过低估计。因此，公式4可以例如被修改成使得它只在wn≥2x时适用。 [0093] 现在将参考图4来描述根据本发明一实施例的确定执行低盐度注水的功效的计算机实施方法。下面描述的步骤可以由执行如以上参考图2所描述的LSW软件组件209的处理器204来执行。下面将假定：已经在如下面从步骤402起描述的方法的开始之前执行了用以初始化计算机系统200和用以读取LSW软件组件所需的任何初始步骤。 [0094] 在步骤402中，由处理器接收指示储层中的沙岩层的井间距离(L)、扩散系数(Da)、空床速率(v)和厚度(wn)的值的数据。 [0095] 参考图1，每个层具有厚度wn，其中n是层的序号(在图1中，存在三个层，因此n=1、2或3)。而且，如图1中示出的，层可以具有可变的厚度。因此，可以从例如层的平均厚度、或从层的最小厚度来计算用于具有可变厚度的层的厚度数据(本领域的技术人员可以设想其它可能性)。 [0096] 可以通过如图2中示出的界面210或接口212来接收以上数据。可以从包括储层模型、岩心样本、数据库查询等在内的多个来源提供数据。这种数据的可能来源对本领域的技术人员将是显而易见的。 [0097] 在步骤404中，处理器204从Da、L、v和A计算离子扩散距离值(x)。离子扩散距离值可以为平均边界层厚度，如在该实施例中。因此，该计算可以使用以上示出的公式3来进行，在这里重复公式3： [0098] (公式3)。 [0099] 在步骤406中，处理器204使用公式6来计算沙岩层的厚度的算术平均(表示为H)，在这里复制公式6： [0100] (公式6)。 [0101] 在步骤408中，处理器204使用公式5从H和x计算扩散降级因子(F)，公式5被复制在这里： [0102] (公式5)。 [0103] 可以用多种方式来使用扩散降级因子F。首先，如在步骤410中示出的，可以在对于来自储层的油开采率生成估计值时使用扩散降级因子F。这可以由处理器204执行，或者可以将扩散降级因子F提供至储层建模系统，以在生成油开采率的估计值时使用。该用途的一个示例可以为将由模型提供的来自低盐度注水的增量油开采率的估计值乘以扩散降级因子F，然而替代方法对本领域的技术人员将是显而易见的。 [0104] 在步骤412～418中描述扩散降级因子的第二用途。在步骤412中，将扩散降级因子F与阈值进行比较。阈值可以具有预定值，其可以例如在0.5～0.9的范围内。优选地，阈值具有在0.6～0.8范围内的值。基于比较，可做出是否应该执行低盐度注水的确定。 [0105] 因此，在步骤414中，确定F是否大于阈值。如果F更大，则这被采用来指示应该执行低盐度注水。替代地，如果F小于阈值，不执行低盐度注水。 [0106] 在以上描述的方法中，可以在步骤404中从Da和t计算离子扩散距离值(x)。如果是这种情况，则在步骤402中处理器可以接收t的值而不是L和v的值。同样，虽然处理器204被描述为从个体层厚度来计算用于储层的平均(均值)层厚度(H)，但是将显而易见的是该值可以直接地被提供至处理器。 [0107] 以上方法可以应用于一些储层示例，其中L=2000英尺、v=1英尺/天、Da=1.33×10-9 2 m/s、且A=0.5。从这些值，x可被计算为0.48m。使用公式5，可以对于具有不同层厚度的多种不同储层计算出扩散降级因子F。将对于多种不同储层描述获得的结果与用有限差分模拟器实施的详细模拟进行比较，所述有限差分模拟器模拟低盐度注水和盐扩散对油开采率的影响。结果在图7中示出。在本示例中，这里描述的方法与储层模拟结果之间的最佳匹配是使用A=0.5的默认值获得的。 [0108] 除了确定扩散降级因子F之外，边界层厚度x可被使用来计算用于低盐度注水的目标或阈值空床速率。这可能是有用的，因为：如以上提及的，可以通过改变例如注入压力来改变注水的空床速率，因此提供目标或最小速率阈值，低盐度注水的功效能得到确保。 [0109] 首先，通过组合公式3和5，它们被复制在这里： [0110] (公式3) [0111] (公式5)。 [0112] 可建立空床速率v与降级因子F之间的关系，具体为： [0113] (公式7)。 [0114] 可重新整理公式7而得到公式8： [0115] (公式8)。 [0116] 希望的是确保速率足够高用以将扩散降级因子F维持在所需目标或极限之处、周围或以上。因此，将Ftarget作为用于扩散降级因子F的目标值，目标速率vtarget可被导出为如下： [0117] (公式8a)。 [0118] 目标速率vtarget于是可以被使用在注入井的控制中，用以确保注水的空床速率被保持在目标之处、周围或以上。这样做的各种方法对本领域的技术人员将是显而易见的，例如，空床速率可以被保持在预定范围内处于目标速率vtarget周围或以上，替代地，空床速率可以被控制成总是在目标速率vtarget以上，且以其它因子(若需要)来确定最大速率。 [0119] 如以上提及的，扩散降级因子F表示由将扩散纳入考量的低盐度注水开采的附加油对忽略离子扩散时开采的附加油的比例。如此一来，它表示注水的潜在成功的量度。因此，用于扩散降级因子Ftarget的目标值可以被使用来表示最小的可接受值或理想值，其应该被实现来使注水获得成功(是否实际可行，就例如可获得的低盐度水量而言，或者是否经济)。作为结果，将注水的速率维持在目标速率以上或之处将确保注水的功效同样地在目标以上或之处。 [0120] 现在将参考图5来描述根据本发明一实施例的控制低盐度注水的计算机实施方法。如以上参考图4所描述的，下面的步骤可以由处理器204在执行LSW软件组件209时执行。 [0121] 在步骤502中，处理器接收指示井间距离(L)、扩散系数(Da)、平均层厚度(H)、常数(A)和目标扩散降级因子(Ftarget)的数据。如以上所描述的，平均层厚度(H)可以被直接地接收，或从个体层厚度(wn)计算出。 [0122] 在步骤504中，处理器204从Da、L、H和Ftarget计算目标空床速率(vtarget)。这可以使用公式8来完成。 [0123] 目标空床速率于是可以被使用来控制注入井中的注入压力，由此控制注水在储层内的空床速率。因此，在步骤506中，处理器204可以使用接口212将目标空床速率的指示传输至注入井。 [0124] 随后，在步骤508中，注入井中的控制系统根据目标空床速率来控制注入井，用以将注水的空床速率维持在适当速度。这可以由任意数量的方式来完成，其对本领域的技术人员将是显而易见的，并且可以通过以下方式来完成：将注入流体的平均空床速率维持在目标空床速率之处，或者确保注水的空床速率被保持在目标空床速率以上。 [0125] 最后，将参考图6来描述根据本发明一实施例的确定生产注入井的位置的计算机实施方法。 [0126] 如以上参考公式8和8a所描述的，可以导出目标空床速率。公式8可以被重新整理成使得目标井间长度可被导出。具体地，公式8可被重新整理为： [0127] (公式9) [0128] 其将目标长度提供为： [0129] (公式9a) [0130] 该目标长度Ltarget可以从如以上论述的空床速率(v)的平均值来计算。 [0131] 因此，参考图6，在步骤602中，处理器204接收指示扩散系数(Da)、空床速率(v)、平均层厚度(H)、常数(A)和目标扩散降级因子(Ftarget)的数据。平均层厚度(H)可以被直接地接收，或从个体层厚度(wn)计算出。 [0132] 从这些值，使用公式9，处理器204导出目标井间长度(Ltarget)。作为目标的该长度可以表示用于井间长度的最大值，或者可以表示井间长度的所需范围的中心点(例如，Ltarget±10%)。 [0133] 在步骤606中，处理器204可以输出目标井间长度(Ltarget)。与以上描述的方式相似地，可以使用界面210和接口212来输出值Ltarget。替代地，值L可以被处理器204直接地使用。 [0134] 最后，在步骤608中，在定位穿透储层的井时使用目标井间长度(Ltarget)。井可以被定位成使得井间长度小于目标长度、或者在长度的预定因子内。将被使用的用以定位井的确切机制将取决于多个其它因子，然而目标井间长度可被视为引导，用以确保低盐度注水将在井处于生产中时成为可能(出于以上陈述的原因)。该步骤可以由处理器204执行；然而它同样可以由以确定井位置为任务的分离处理系统来执行。 [0135] 在本发明的前述实施例中，计算被描述为在处理单元202中执行，然而这不是必需的。同样，虽然处理单元已经被描述为单个独立的单元，但是也可以不是这样，例如处理单元的功能可以被合并到任何其它实体中，或被分配横跨多个实体。LSW软件组件被描述为存储在存储器208中，然而LSW软件组件可以替代地经由网络接口212(从例如远程数据库)被接收。输出可以被提供至各种其它实体，比如井控制设备。可以完成这的机制将对本领域的技术人员是众所周知的。 [0136] 附加详情和变型 [0137] 虽然已经相对于限定出有扩散和无扩散的油开采率的比值的扩散降级因子F描述了以上实施例，但是应该理解的是：可以使用替代的“扩散损失因子”(G)，其限定出“损失”油与总油开采率的比值。因此，G可以被定义为G=1-F=2x/H。应该理解的是：G和F具有非常简单关系，因此，本领域的技术人员将没有困难将任一者使用在本发明的实施例中。 [0138] 虽然已经在以上描述了确定和使用边界层厚度的一种方法，但是可以设想其它可能性而不背离本发明的范围。 [0139] 例如，层可以被分类为“边缘相”或“轴向相”。这可以使用边界层厚度来完成。例如，“边缘相”可以表示层间沙岩和页岩层，其中沙岩层强烈地受到盐离子扩散的影响，并鉴于以上情况可以被定义为厚度相当于或薄于两倍边界层厚度x的层(意味着整个沙岩层被定义为边界层)。相比之下，“轴向相”是这样的层间沙岩层，其中沙岩层厚于该边界层厚度x的4倍。被使用来分类这些层(4x以上)的阈值可以采用其它值，比如5x或6x。在分类了层之后，于是可以基于厚(轴向)层的合计厚度对所有层的总厚度，来确定扩散降级因子。 [0140] 应该理解的是：公式5将在存在许多厚度小于两倍边界层厚度的层的情况下趋于过低估计扩散降级因子(因为两个完全的边界层被假定存在于每个层，而不管该层是否太薄而不能包含两个这种层，而对于厚度小于两倍边界层厚度的层，边界层将实际上被假定为重叠)。 [0141] 因此，方法可以适于将此纳入考量。可以实现它的一种方法是为每个层定义将该重叠纳入考量的有效非边界厚度(en)，即： [0142] (公式9) [0143] 从en，可使用如下的公式4的变型版本来计算扩散降级因子F： [0144] (公式10)。 [0145] 在公式10中，扩散降级因子F因此为有效厚度之和除以层厚度之和。 [0146] 在以上示例中，“表观扩散系数”已经被使用来定义离子通过沙岩的扩散率。然而，本领域的技术人员将意识到存在可以被使用的多个不同类型的扩散系数。例如：散装扩散系数涉及散装液体中的离子的扩散；孔隙扩散系数将制约扩散的沙岩中的孔隙的曲折纳入考量；最后表观扩散系数将曲折和离子的吸附两者纳入考量。对于非吸附离子来说，孔隙扩散系数相同于表观扩散系数，然而对于吸附离子来说却并非如此。本领域的技术人员因此将明白的是：任意适当的扩散系数可以被使用在本发明的实施例中，而不背离权利要求书的范围。 [0147] 同样，以上描述的方法涉及在沙岩中是非吸附性的盐离子。然而，对本领域的技术人员将显而易见的是：本发明可以适于在沙岩中是吸附性的离子(适当调整扩散系数)。 [0148] 可用实验方法以足够的精确程度来确定页岩中的盐扩散系数，从而确定盐扩散对能以低盐度注水实现的增量油开采率的影响。由于盐扩散率与包含在页岩层的孔隙空间中的高盐度原生水与流动通过相邻沙岩层的孔隙空间的低盐度水之间的浓度梯度成比例，所以重要的是确定存在于页岩层中的原生水的盐度以及个体离子(盐)种类在该原生水中的浓度，特别是该原生水中的各种多价阳离子的浓度以及多价阳离子的总浓度。 [0149] 因此，可以通过穿过不同储层从储层采集岩心样本，来获得存在于沙岩层的孔隙空间中和存在于层间页岩层的孔隙空间中的原生水的样本。从这些样本，于是可以确定被包含在岩心的不同层内的水的TDS和多价阳离子含量。 [0150] 被注入到油储层的沙岩层中的低盐度水可以具有在200～12,000ppm、优选在500～10,000ppm范围内的总溶解固体(TDS)含量。在地层岩石包含膨胀粘土特别是蒙脱石粘土的情况下，需要用于低盐度水的相对较高TDS，以便稳定粘土，由此避免地层损害的风险。因此，在地层岩石包含足以导致地层损害的膨胀粘土量的情况下，被注入到含油地层中的低盐度水优选具有在8,000～12,000ppm范围内的TDS含量。在地层包含不导致地层损害的膨胀粘土量的情况下，低盐度水的TDS含量通常在200～8,000ppm、优选在500～8,000ppm的范围内，例如可以为1,000～5,000ppm。在此背景中，可以观察到：低盐度水的盐度的整体增加是可以忍受的，前提是低盐度水的盐度对于低盐度注水保持在所需范围内。 [0151] 当页岩层的原生水具有的TDS为至少100,000ppm、尤其为至少200,000ppm、例如在150,000～400,000ppm特别是在150,000～250,000ppm范围内时，存在于页岩层中的原生水与流动通过相邻沙岩层的低盐度注入水之间的浓度梯度特别显著。 [0152] 对于低盐度注水实现的增量油开采率取决于被注入到储层的沙岩层中的低盐度注入水中的总多价阳离子含量与存在于储层的沙岩层的孔隙空间中的原生水中的总多价阳离子含量的比值(以下称为“多价阳离子比值”)。先前已发现：该多价阳离子比值应该小于1，例如，小于0.9。一般来说，多价阳离子比值越低，从储层开采到的油量越多。因此，多价阳离子比值优选小于0.8，更优选小于0.6，再更优选小于0.5，并且尤其小于0.4或小于0.25。多价阳离子比值可以为至少0.001，优选为至少0.01，最优选为至少0.05，特别为至少 0.1。多价阳离子比值的优选范围为0.01～0.9、0.05～0.8，但是尤其为0.05～0.6或0.1～ 0.5。所述低盐度注入水的总二价阳离子含量与存在于储层的沙层中的地层水的总二价阳离子含量的比值(以下称为“二价阳离子比值”)也应该小于1。在多价阳离子比值的优选值和范围加上必要的修改可以适用于二价阳离子比值。 [0153] 通常，低盐度注入水的钙含量在1～100ppm、优选在5～50ppm的范围内。通常，低盐度注入水的镁含量在5～100、优选在5～30ppm的范围内。低盐度注入水的钡含量可以在0.1～20比如在1～10ppm的范围内。通常，低盐度注入水中的多价阳离子的总含量为1～200ppm、优选为3～100、尤其为5～50ppm，其条件是多价阳离子比值小于1。 [0154] 因此，多价阳离子从包含于页岩层的孔隙空间中的原生水向流动通过储层的相邻沙岩层的低盐度水中的扩散在其导致“多价阳离子比值”或“二价阳离子比值”增加至高于1时是值得关注的。 [0155] 通常，包含在页岩层的孔隙空间中的原生水的多价阳离子含量在7,500～50,000ppm特别是10,000～30,000ppm的范围内，其中较高的多价阳离子浓度关联于较高盐度的原生水。 [0156] 可以使用以下操作方法来确定非吸附离子在沙岩岩石中的表观扩散系数。在沙岩中，有效扩散系数为： [0157] [0158] 其中，D0是水溶液中的散装扩散系数，Φ是沙岩岩石的孔隙率，m是阿尔奇(Archie)“胶结因子”，而F是地层电阻因子。对于典型沙岩岩石，胶结因子m处于1.7～2.7的范围内。如果D0被取为3.1×10-9m2/s(这是Na+和Cl-离子在132.8℉的温度处的散装扩散系数的调和平均值的值)，则对于具有0.3的孔隙率的沙岩岩石来说，有效扩散系数De对于m的所陈述范围来说处于1×10-10到4×10-10m2/s的范围内。因此，非吸附性离子(比如Na+或Cl-)m-1 -10 -9 2的表观扩散系数Da=D0Φ 对于m的所陈述范围来说处于4×10 到1.33×10 m /s的范围内。 [0159] 包含在页岩层的孔隙空间中的原生水的化学特性与被注入的低盐度水的化学特性之间的以下关系可能对用低盐度注水实现的增量油开采率有影响： [0160] (a) 被注入到储层的沙岩层中的低盐度水与层间页岩层的原生水之间的TDS的差值； [0161] (b) 被注入到储层的沙岩层中的低盐度水的多价阳离子浓度与层间页岩层的原生水的多价阳离子浓度之间的差值。 [0162] 因此，如以上论述的，页岩层的原生水具有均比注入到储层的沙岩层中的低盐度水高的TDS和多价阳离子含量。本发明的以上描述的实施例允许非吸附离子的扩散，然而这些方法可以与允许页岩层中的TDS的影响的方法组合。 [0163] 层间页岩层的厚度可能具有重要意义，因为它确定可用于从层间页岩层向流动通过相邻沙岩层的低盐度水中扩散的盐离子的总量。在具有相对较薄的层间页岩层的储层中，可用于扩散到层间沙岩层中的盐离子的量可能是低的。因此，可想到的是：只要薄页岩层不再能够被近似为无限的离子源时，就应该在以上计算中将页岩层的厚度纳入考量。 [0164] 应该明白的是：相对于任何一个实施例描述的任何特征可以被单独地使用，或与所描述的其它特征结合使用，并且还可以与任何其它实施例的一个或多个特征、或任何其它实施例的任何组合来结合使用。此外，在不背离在所附权利要求书中限定出的发明的范围的情况下，也可以采用以上未描述的等同方案和变型。权利要求书的特征除了在权利要求书中指出的那些之外还可以成组地组合。 |
||||||
QQ群二维码
意见反馈
意见反馈