利用和储层相关的自然形成的力可有助于从石油储层中较大程度 开采原油。这些自然形成的力包括天然气的膨胀力、进水的浮力和重 力。最初的采收技术利用了这些力，以使石油从地层中迁移至井眼中。 然而，自然力一般仅仅能使储层中总油量的一小部分开采出。
通常使用第二种采收技术来开采地层中更多的石油。这些技术利 用了外来能量的力以补充地层中的自然力，从而迫使石油从地层中进 入到井眼内。外来力可从许多力源中形成，这些力源包括气体喷射、 蒸汽喷射和水注射。第二种采收技术一般甚至在储层的自然力用完之 前就开始采用。
注水是第二种采收技术的一个实例，该技术曾成功地在各种地层 中使用过。一般地，根据注水技术，采用一个或多个注射井以及一个 或多个开采井。水溶液经过注射井注射，以驱动石油进入到可开采出 的开采井中。已经对基本注水技术进行了许多改型。这些改型包括在 注射水中使用某种化学制剂和材料，以帮助从地层中置换出石油。例 如，可经常使用增稠剂，以增加水的稠度，于是在把石油驱动到开采 井过程中提高了效率。也采用了表面活化剂以减小地层中石油的表面 张力，于是可方便开采。
例如为苛性碱溶液的强碱溶液已经成功地用于注入某种类型的储 层。例如，如氢氧化钠的强碱金属氢氧化物和存在于石油中的有机酸 反应并抑制在石油乳化中产生的石油和水之间的界面张力。乳化的石 油更容易从地层中置换出来。这种形式的第二种采收技术通常是指苛 性钠注射。
在某些场合已经使用的提高石油开采量的另外第二种技术是利用 声能。例如，在俄国已经利用声波激励来提高在已耗尽注水和水已干 的储层中对石油的开采。声波一般是起到加热和降低石油的粘度、增 加地层的渗透性而增加石油转移到井眼内的作用。
对重质粘度和轻质粘度原油(“重质原油”)的第二种采收技术 特别复杂。为了开采重质原油，石油的粘度必须实质性降低。重质原 油的运输(如管道)也很难以有效的方式实现，除非石油的粘度首先 降低。已经使用了大量技术来降低重油的粘度。例如，Holme的美国 专利3,823,776中公开了一种提高具有低酸值的重油开采的方法， 在该方法中将含氧的气体注入到地层中使石油氧化，并在地层中建立 现场燃烧区。接着把苛性碱水溶液注入到井中结束现场燃烧区，并使 其和石油中的有机酸反应以便于对石油的开采。Sherborne的美国专 利2,670,801中公开了超声波能量(10-3000kHz)通过现场对石油 液滴加热，有助于对重油的采收以及液滴乳化成和气体饱和的水相。
然而，上面采用的用以方便重油从地下油层中采收的技术常常不 是非常成功的。把重油粘度降低到使石油从地层中提升出的程度和为 进一步加工而运输的费用常常超出开采石油获得的潜在收益。由此， 需要一种用于处理从石油储层中开采出的重质原油的改进的设备和相 应方法，由此石油的粘度可实质性降低，石油可以经济和有效的方式 开采和运输，以进一步加工。
已经发现可通过把石油转换成稳定微乳液而显著地降低粘性及通 常是重质的原油的粘度。微乳液通过把强碱制剂和石油化合并接受超 声波能量而形成。石油粘度的降低可使石油有效地从井眼内抽出，并 从油井现场运输以进一步加工，例如，提升的费用和管道运输的费用 均明显地降低了。

本发明的一个方面是提供一种用于提高从通过井眼穿入的地下产 油地层中开采重质原油产量的设备。该设备包括：存储装置、总管道 装置和超声波发生装置。存储装置位于地面上，用于盛放强碱制剂或 强碱制剂的水溶液(如在井眼现场的一个或多个存储罐)；总管道装 置经过井眼从存储装置延伸到地层中，用于把强碱制剂或强碱制剂的 水溶液从存储装置引入到地层中；以及超声波发生装置位于井眼内， 用于把超声波发射给形成在井眼内的重油-水-强碱制剂的混合物中。 超声波发生装置包括位于井眼内的换能器和电源装置。换能器用于把 超声波发射到地层中油-水-强碱制剂的混合物中，由此油和水转变成 为具有较低粘度的乳液；电源装置可操作地和换能器连接，用于为换 能器提供能量。换能器最好包括电驱动磁致伸缩致动器，更好的是该 电驱动磁致伸缩致动器包括由铽镝铁磁致伸缩(terfenol)合金制成的 驱动棒。
本发明的另一个方面是提供一种用于从通过至少一口井眼穿入的 地下产油地层中开采重质原油的方法。根据该方法，把强碱制剂或强 碱制剂的水溶液引入到所述井眼中，在井眼中开采出有重质原油和水 或只有重质原油。把强碱制剂或强碱制剂的水溶液足量引入到井眼中 与井眼内的重质原油和水或只与重质原油混合。在把强碱制剂或强碱 制剂的水溶液引入到井眼中同时，通过发射超声波使石油、水和强碱 制剂的最终混合物接受超声激励，超声激励可使混合物转变成具有较 低粘度的乳液。
然后经过井眼从地层中开采出乳液并通过管道输送到要进一步加 工的地点。实现重质原油的粘度降低的过程中包括使用带添加强碱制 剂的水或盐水，如氢氧化钠、氢氧化钙、硅酸钠和其它强碱。用于构 成强碱溶液的水(或盐水)液可由外部水源提供，或部分或全部由和 石油一起开采的水(或盐水)中提供。当在超声波激励下，最终的水 (或盐水)和强碱制剂与重质原油混合时，可迅速形成半稳定到稳定 的乳液，该乳液和未经处理的粘性石油相比具有显著降低的粘度。
于是，本发明的目的是提供一种设备和方法，利用该设备和方法， 在开采到井眼内的重质原油的粘度可实质性地降低，于是可以经济和 有效的方式从井眼内对石油开采和运输。
在阅读下面的本发明最佳实施例的详细描述后，对于本领域普通 技术人员，本发明的其它目的、特性和优点将变得更明显。
附图描述
附图1大致示出了在井眼内采用的具有创造性的设备和方法。

本发明提供了一种用于从通过井眼穿入的地下产油地层中开采重 质原油的设备和方法。该设备和方法可用在在此处描述的井眼的底部 和/或在表面或海底管道的入口处，或其它需要减少石油粘度的地方。 如在这里及附加权利要求书中使用的，术语“重质原油”是指约小于 20的API比重(美国石油学会API比重指数)的原油。这种重油一 般在温度和压力的环境条件下具有超过1000厘泊(液体粘度单位)的 粘度。
在重质原油、水或盐水及强碱制剂中应用超声能量可产生具有低 粘度的微乳液。实现这种技术的关键是开始使石油的粘度处在一定的 范围，在该范围石油可和水或盐水加入到乳液形成机构中。对于特别 粘稠的重质原油，需要对石油加热，以降低粘度，于是粘度可在能形 成乳液的范围内。超声激发过程可有助于石油的加热。
对于特别粘稠的石油，在对石油、水或盐水及强碱制剂的混合物 进行超声处理之前，开始降低石油的粘度有时会更有效。实验室实验 表明在超声处理之前的开始粘度和形成乳液的粘度之间存在着一个关 系。如果石油的开始粘度特别高，那么最后形成的乳液的粘度和需要 得到具有较好流动特性的液体相比仍然很高。然而，通过在超声处理 之前对特别粘稠的石油加热后，可获得较低粘度的微乳液。对石油的 这种加热可通过不同方法来进行，如把加热装置放置在井眼内、在井 眼内喷射蒸汽等等类似的方法。
下面参照附图，来描述具有创造性的重油开采设备的优选实施例， 该设备用标号10来表示。如图所示，井眼(well bore)12从地面14 延伸，并穿入重油形成地层16。注水泥的套管18沿井眼12的周边延 伸。一组穿孔20通过注水泥的套管18延伸到地层16中，在井眼12 和形成地层16之间建立了液体通道。一根开采管道24经过井眼12从 地面14延伸到在地层16内的井眼并靠近穿孔20。管道24把石油从 形成地层16引导到地面14。具有电机32、进口34和电缆36的沉入 式电动泵30固定到开采管道24上。泵30把石油经过管道24抽到地 面14。套管18、穿孔20、管道24、泵30和相关的设施(如引导装置、 定心器等)的准确结构对于本发明来说并不是关键的，其中它们仅被 描述到必要示出本发明的范围即可。这些设施的特性和操作对于本领 域的普通技术人员来说是公知的。
设备10包括存储装置，该存储装置用标号40来表示，位于地面 14上，用以盛放强碱制剂或强碱制剂的水溶液。管道装置42从容器 40经过井眼12延伸到地层16，用以把强碱制剂或强碱制剂水溶液从 存储装置引到开采地层16中的井眼12的底部附近。超声波发生装置 45位于井眼12内，用以把超声能量提供给重质原油、水和水中强碱 制剂的混合物46中。
存储装置40包括一个或多个传统的混合缸(图中未示出)。管道 装置42包括至少一个细管或其它相对较小直径的管道43，该细管道 43可经过井眼在生产管道24的外部和套管18的内部之间延伸。管道 43包括一组喷嘴48，该喷嘴48可把强碱制剂或强碱制剂的水溶液喷 射到井眼12中，由此强碱制剂或溶液可和重质原油或重质原油和所含 的水接触并混合。
强碱制剂或强碱制剂的水溶液从存储装置40中抽到管道43中。 溶液可分批混合在存储装置中。或者作为选择的是，当把组成成分抽 到管道43中时，该组成成分可单独地从各自缸中被引导或输送并在飞 轮上混合。
超声波发生装置45包括一个或多个位于井眼中的换能器50和可 与换能器50可操作地连接的电源52，该换能器用于把超声波能发射 到井眼以及重质原油、水和强碱制剂的混合物中。在本申请文件中， “位于井眼内”是指处于井眼的一个位置，以使由换能器50发出的超 声波在石油进入井眼处的附近和重质原油、水和强碱制剂的混合物接 触。例如，换能器50可位于井眼12稍微偏上或稍微偏下的位置或在 实际进入重质原油开采地层16的井眼部分。换能器50最好浸没在井 眼12的底部中的液体混合物46中。
换能器50可直接安装在泵30或工作管道的其它部分上。或者， 如图所示，换能器50可通过绳缆56悬挂在泵30的下面。在某些情况 下，较好的是，使用一组沿套管18的穿孔部分均匀分开的换能器50。 除了确保在井眼12内重质原油和混合在一起的其它成分通过超声波 接触外，可以使用布置在石油流路中的多个换能器以确保石油在被泵 30抽出前的粘度降低并保持在足够低的水平上。由每个换能器50发 出的能量强度和使用的换能器的确切数量可根据几个因素而不同，这 些因素包括需要把石油的粘度降低到足够低水平超声波需要照射的时 间以及油井总的开采率。
采用的每个换能器50最好包括由电驱动的磁致伸缩致动器，最好 包括由铽镝铁磁致伸缩(terfenol)合金制成的驱动棒组成的致动器。 铽镝铁磁致伸缩(terfenol)合金由金属铽、镝和铁组成。每个换能 器50均可把电能直接转换成机械动作。在一个实施例中，铽镝铁磁 致伸缩(terfenol)棒固定到发射杆或其它元件上。围绕铽镝铁磁致 伸缩(terfenol)棒的线圈在棒上产生交流的磁场，使该棒产生导致 固定杆或其它元件相应位移的延伸或收缩。固定杆或其它元件的激励 可把超声波发射给在井眼12内的重质原油、水和强碱的混合物。特 别是根据本发明使用的最好换能器致动器包括铽镝铁磁致伸缩 (Terfenol-D)驱动棒，可从Iowa，Ames的Extrema Products公司 购买到。
超声波发生装置45的电源52包括位于地面14上的电源控制单元 60、位于地面14上或位于控制单元和换能器50之间的井眼12中的信 号调节单元62、以及可延伸并把电能从控制单元60传输到信号调节 单元62接着到换能器50的线缆36。
磁致伸缩致动器包括可把声能提供到重质原油上的铽镝铁磁致伸 缩(terfenol)合金驱动棒，于是使用具有磁致伸缩致动器的换能器有 很大的优越性。铽镝铁磁致伸缩(terfenol)合金驱动棒和包括吸棒或 压电晶体的现有技术致动器相比有几个方面的很大改进。第一，包括 铽镝铁磁致伸缩(terfenol)驱动棒的致动器比其它形式的致动器更耐 久而不容易疲劳。带铽镝铁磁致伸缩(terfenol)棒的致动器与压电晶 体致动器相比更有足够的能量。大量的电能通过带铽镝铁磁致伸缩 (terfenol)驱动棒的致动器转换成声波。而且，带铽镝铁磁致伸缩 (terfenol)驱动棒的致动器还具有产生需要建立谐振频率水平的高度 谐调性。
在实现具有创造性的方法中，首先有必要通过对石油加热降低井 眼中重质原油的粘度。也就是说，当在井眼中产生的重质原油具有非 常高的初始粘度时，例如大于10000厘泊的粘度，产生的乳液粘度不 会在足够低的水平。当发送给石油的超声波使石油发热到一定程度时， 就有必要在井眼内安装如电热器的加热器(在图中虚线示出)以对石 油加热而把其粘度降低到低于10000厘泊的水平，较好的是在大约 1000到大约8000厘泊的范围，最好是在大约2500厘泊到大约4000 厘泊的范围。对石油加热的其它技术也可采用，例如把蒸汽喷射到地 层中等类似技术。
如上所述，在井眼12中需要和重质原油形成微乳液的水或盐水可 以是随石油一起开采的水，于是仅仅强碱制剂必须从地面14上的存储 装置40中抽出来。如果和重质原油一起开采的仅有一点或根本没有 水，那么在地面14上需要的水和强碱制剂混合并以强碱溶液的形式抽 到井眼12中。
使用的强碱制剂或强碱制剂的水溶液从存储装置40中抽到管道43 中并且经过喷嘴48进入到靠近地层16的井眼12中。在进入到井眼 12后，强碱制剂或强碱制剂水溶液和重质原油及水或与重质原油单独 混合。强碱制剂与原油中存在的环烷和其它酸反应，以形成较大的具 有较低表面张力的“肥皂状”分子。当强碱制剂和重质原油接触并与 之反应时，原油被从超声换能器50发出的超声波轰击。在水和石油面 前对强碱制剂和超声能量的结合使用可导致半稳定到稳定乳液逐渐到 微乳液的快速形成。如上所述，在该乳化状态的原油和单独的原油或 混有水的原油相比具有显著的降低的粘度。
抽到井眼12或形成在其中的含水强碱制剂具有至少约为8的pH 值，制剂或溶液以足够低的速率被引入到形成地层中，以形成具有流 入到井眼的重质原油速率的微乳液。较好的是强碱水溶液具有在从大 约10到大约13更好的是在从大约12到大约13范围内的pH值。含 有强碱制剂的溶液浓度为从大约0.001到大约10摩尔，更好的是在从 大约0.01到大约8摩尔范围内。
使用的强碱制剂较好的是好从氢氧化钠、氢氧化钙、硅酸钠复合 物、碳酸氢钠、氢氧化镁及其混合物中选择。更好的是从氢氧化钠和 氢氧化钙中选择。最好碱金属氢氧化物为氢氧化钠。加入到或在井眼 12中形成的强碱水溶液的具体比率将根据几个因素而不同，这几个因 素包括在井眼12中的重质原油的开采率、重质原油的初始粘度以及如 果有的话还包括水的开采率。一般地，强碱制剂的水溶液加入到井眼 中或溶液在井眼中形成，由此强碱制剂的水溶液和重质原油的体积比 在大约1∶10到大约10∶1的范围，更好是在大约1∶3到大约3∶1的范围， 最好是大约1∶2。
换能器50产生的超声波可在井眼12中以足够频率发出，从而加 强了其中的水与强碱制剂和重质原油反应物之间形成稳定乳液。发出 的超声波的确切频率和能量密度取决于石油的各种参数，这些参数例 如为：初始粘度、开采率等其它参数。一般地，由换能器50发给井眼 的超声波至少在15千赫的频率，更好在大约15千赫到大约25千赫的 范围，最好为20千赫的频率。在大约20千赫的频率，相应的能量强 度水平在达到本发明的目的中特别有效。具有带驱动棒的磁致伸缩致 动器的超声换能器可用于实现在每平方厘米大约0.1瓦到大约100瓦 的换能器能量强度。
原油接受超声能量以实现需要的微乳液和粘度降低的时间间隔可 从几秒到几分钟而不等。在优选实施例中，当在开采时，原油连续地 经受声波激励。
下面提供的实例将进一步描述本发明。
实例1
测试在委内瑞拉的Hamaca储油罐中的API重力指数大约为8的 重质原油中进行。石油的测试样品和氢氧化钠水溶液在下面表I中给出 的温度和量来混合。一组混合物用超声波照射(轰击)给定的时间， 产生下面表I中示出的结果。
表I     照射1时间     分钟     温度     ℃   强碱水溶液量2   体积百分比   强碱溶液浓度   摩尔     粘度3     厘泊     无照射     23   无添加剂   无添加剂     785,600     无照射     50   无添加剂   无添加剂     29,200     1     23   33   0.1     不乳化4     5     23   33   0.1     很少乳化4     1     50   33   0.1     一些乳化4     5     50   33   0.1     一些乳化4
1所有照射在大约20k Hz下进行。
2NaOH溶液的体积百分比为NaOH溶液的体积除以原油和NaOH溶液的整个体积。
3样品的粘度由布氏粘度计测量。
4样品没有充分混合而不能给出精确粘度读数。
在第二个系列测试中，使用的温度升高某些程度。这些测试结果 如下：
表II   照射1时间   分钟   温度   ℃ 强碱水溶液量2 体积百分比 强碱溶液浓度 摩尔     粘度3     厘泊   无照射   60 无添加剂 无添加剂     9880   无照射   70 无添加剂 无添加剂     4448   无照射   75 无添加剂 无添加剂     2823   1   75 33 0.1     9.904   3   50 33 0.1     6.604
1所有照射在大约20k Hz下进行。
2NaOH溶液的体积百分比为NaOH溶液的体积除以原油和NaOH溶液的整个体积。
3样品的粘度由布氏粘度计测量。
4甚至在冷却至室温后，样品形成稳定乳液并具有很低的粘度。
从表II给出的结果可以看出，本发明的方法非常明显地降低了重质 原油粘度。
于是，本发明较好地达到目的并获得结果以及具有上述和固有的 优点。虽然对于本领域的普通技术人员来说可进行各种变化，但是这 些变化均包括在如附加权利要求书中限定的本发明的范围内。