Электрохимический способ вторичной добычи нефти путем инициирования в ней окислительно-восстановительных реакций
Изобретение относится к добыче нефти из подземного нефтеносного пласта с применением электрического тока. Обеспечивает повышение эффективности добычи нефти. Сущность изобретения: способ заключается в том, что для принудительной добычи нефти из подземного пласта с первым и вторым нефтеносными районами сооружают первую скважину в первом районе пласта и вторую скважину во втором районе пласта. В первую расположенную в первом районе пласта скважину опускают первый электрод. Во вторую расположенную во втором районе пласта скважину опускают второй электрод и создают между первым и вторым электродами разность периодических напряжений. Согласно изобретению разность периодических напряжений между электродами создают путем подачи на них напряжения смещения постоянного тока и наложенной переменной составляющей переменного тока с амплитудой, обеспечивающей инициирование в нефти окислительно-восстановительных реакций для разложения содержащихся в ней длинноцепных углеводородов и полициклических соединений на соединения с низкой молекулярной массой и гидрирования нефти. 10 з.п. ф-лы, 3 ил.
Настоящее изобретение относится к добыче нефти и, в частности, к новому способу добычи нефти из подземных нефтяных месторождений с помощью электрического тока.
Вначале при разработке нефтеносного пласта сырая нефть вытесняется из пласта и попадает в продуктивную скважину под действием давления газа и другого существующего в пласте давления. Постепенно по мере добычи нефти потенциальная энергия нефтяного пласта уменьшается и в конечном итоге становится недостаточной для вытеснения нефти из пласта в продуктивную скважину. Хорошо известно, что на первом этапе разработки подземных нефтяных месторождений из нефтяного пласта добывают только небольшую часть всех находящихся в нем запасов нефти. В некоторых нефтяных пластах, содержащих, в частности, запасы высоковязкой нефти, после разработки обычно остается 90% или даже большее количество нефти. Добыча нефти часто ограничена капиллярными силами, которые препятствуют прохождению вязкой нефти через внутрипоровые пространства (пустоты) нефтеносного пласта.
В настоящее время известно много способов вторичной добычи нефти, которая остается в нефтеносных пластах. Известные в настоящее время способы вторичной добычи нефти обычно связаны с высоким расходом энергии, необходимой для создания вытесняющих нефть из пласта усилий и/или снижения усилий, удерживающих в нефтеносном пласте оставшуюся в нем нефть. Подробно различные способы вторичной добычи нефти описаны в патенте US 3782465, который в полном объеме включен в настоящее описание в качестве ссылки.
Один из способов вторичной добычи нефти основан на пропускании через оставшуюся в пласте нефть электрического тока, который увеличивает подвижность нефти и способствует ее вытеснению в продуктивную (добывающую) скважину. Обычно при осуществлении такого способа вторичной добычи нефти в нефтеносный подземный пласт опускают одну или несколько пар электродов, расположенных на некотором расстоянии друг от друга. При определенном перепаде напряжений на электродах в нефтеносном пласте создается электрическое поле. В некоторых случаях при вторичной добыче нефти пропускаемый через нефть электрический ток используется для увеличения температуры нефти и снижения ее вязкости, а следовательно, и увеличения подвижности. В других способах вторичной добычи нефти электрический ток используют для повышения электроосмотической подвижности нефти в направлении добывающей скважины. В результате создаваемого электрическим током электроосмотического эффекта растворенные электролиты и взвешенные в нефти заряженные частицы вместе с молекулами нефти мигрируют в направлении катода. Во всех таких способах вторичной добычи нефти для создания в нефтеносном пласте электрического поля обычно используют источники постоянного тока (например, как это предлагается в US 3724543).
При добыче нефти с использованием электрического тока часто возникают проблемы, которые отрицательно влияют на качество и количество добываемой нефти. Системы постоянного тока обычно работают при высоких напряжениях и больших силах тока. Кроме того, системы постоянного тока потребляют большое количество электрической энергии, что, как очевидно, увеличивает стоимость добываемой нефти.
С учетом всего вышеизложенного в настоящем изобретении предлагается усовершенствованный способ принудительной добычи нефти из подземного нефтеносного пласта с первым и вторым нефтеносными районами с использованием электрического тока, в котором в первую расположенную в первом районе пласта скважину опускают первый электрод, во вторую расположенную во втором районе пласта скважину опускают второй электрод и создают между первым и вторым электродами разность периодических напряжений путем подачи на них напряжения смещения постоянного тока и наложенной переменной составляющей переменного тока с амплитудой, обеспечивающей инициирование в нефти окислительно-восстановительных реакций для разложения содержащихся в ней длинноцепных углеводородов и полициклических соединений на соединения с низкой молекулярной массой и гидрирования нефти.
Электрический ток может пропускаться через электроды, расположенные в нескольких скважинах, пробуренных и соответствующим образом оборудованных в нефтеносном пласте. В системе только с двумя скважинами первую и вторую скважины бурят вблизи подземного нефтеносного пласта. Скважины располагают на некотором расстоянии друг от друга в пласте или рядом с ним. Вторую скважину можно расположить либо непосредственно в районе подземного нефтеносного пласта (чтобы она находилась в контакте с находящейся в подземном пласте нефтью), либо рядом с ним таким образом, чтобы часть нефти или вся находящаяся в разрабатываемом пласте нефть была расположена между второй скважиной и первым электродом. Первая и вторая скважины могут быть расположены непосредственно в районе нахождения нефти (чтобы они вскрывали подземный нефтеносной пласт) или рядом с этим районом.
При добыче нефти предлагаемым в изобретении способом первый и второй электроды должны быть расположены в пласте, обладающем электропроводностью, в частности в пласте, содержание влаги в котором достаточно для прохождения через него тока. При пропускании через электроды смещенного постоянного тока с переменной составляющей в находящейся в разрабатываемом пласте нефти при определенных условиях создается электрическое поле. При соответствующем регулировании тока в находящейся в пласте нефти возникают реакции окисления и восстановления. При возникновении в нефти окислительно-восстановительных реакций содержащиеся в ней длинноцепные соединения, такие как тяжелые углеводороды, превращаются в соединения с меньшей длиной цепи. При разложении длинноцепных соединений вязкость нефти снижается, ее подвижность в пласте увеличивается, и нефть попадает в добывающую скважину. Возникающие в нефтеносном пласте электрохимические реакции, кроме того, повышают качество, а следовательно, и ценность добываемой нефти. Для осуществления предлагаемого в изобретении способа можно использовать большое количество электродов, расположенных вертикально, горизонтально или наклонно и по-разному объединенных в одну общую систему.
В предпочтительных вариантах осуществления изобретения частота наложенной переменной составляющей переменного тока составляет от 50 до 2000 Гц. Для инициирования в нефти окислительных и восстановительных реакций изменяют разницу напряжений на электродах и амплитуду наложенной составляющей переменного тока. Разность напряжений между первым и вторым электродами предпочтительно составляет от 0,4 до 2,0 В на каждый метр расстояния между электродами.
В одном из вариантов вторая скважина содержит размещенный в ней металлический хвостовик обсадных труб.
Часть нефти, находящейся в нефтеносном пласте, может быть минерализована с получением диоксида углерода.
Для создания приложенного к нефтяному месторождению в направлении второй скважины электроосмотического усилия напряжение между первым и вторым электродами может увеличиваться с созданием тем самым приложенного к нефтяному месторождению в направлении второй скважины электроосмотического усилия, и извлекают нефть из второй скважины.
Приведенное выше, а также нижеследующее подробное описание изобретения иллюстрируется прилагаемыми к описанию чертежами, на которых показано:
на фиг.1 - схема принудительной добычи нефти из подземного нефтеносного пласта предлагаемым в изобретении способом,
на фиг.2 - схема поперечного разреза оборудования, пригодного для осуществления предлагаемого в изобретении способа добычи нефти, и
на фиг.3 - вертикальная проекция сборного электрода, предназначенного для осуществления настоящего изобретения.
На чертежах и, в частности, на фиг.1 позицией 11 обозначен подземный пласт, в котором содержится сырая нефть. Подземный пласт 11 обладает электрической проводимостью, и содержание влаги в нем предпочтительно превышает 5 мас.%. Показанный на фиг.1 пласт 11 состоит по существу из пористой однородной породы, такой как песчаник или известняк. Обычно такие нефтеносные пласты расположены под верхними слоями земной породы, называемыми покрывающим слоем, на глубине порядка 1000 или более футов ниже поверхности земли. С поверхности 12 земли к пласту 11 пробурены расположенные на некотором расстоянии друг от друга скважины 13 и 14. Скважина 13 работает как нефтедобывающая скважина, а соседняя (технологическая) скважина специально предназначена для пропускания через нефтеносный пласт 11 электрического тока.
Для реализации предлагаемого в изобретении способа принудительной добычи нефти можно использовать большое количество катодов и анодов, расположенных вертикально, горизонтально или наклонно и по-разному объединенных в одну общую систему. На фиг.1 показана система из двух вертикальных электродов, расположенных в горизонтальном направлении на расстоянии друг от друга. Первый электрод 15 опускают в технологическую скважину 14 в точку, которая находится рядом с нефтеносным пластом 11. Опущенный в скважину 14 первый электрод 15 предпочтительно должен находиться в средней по высоте плоскости нефтеносного пласта 11, как это показано на фиг.1. Первый электрод 15 через опущенный в скважину 14 изолированный кабель соединяют с положительным полюсом или анодом источника 2 постоянного тока высокого напряжения. Отрицательный полюс или катод источника тока соединяют со вторым электродом 16, который опущен в добывающую скважину 13 или находится близко от нее. Расположенный между электродами подземный нефтеносный пласт 11, в котором содержится реликтовая вода 4, обладающая сравнительно низким электрическим сопротивлением, пропускает электрический ток между первым и вторым электродами 15, 16. Несмотря на то, что электрическое сопротивление нефти существенно выше электрического сопротивления поверхностного слоя, электрический ток по существу проходит непосредственно через нефтеносный пласт 11, поскольку расстояние между электродами намного меньше расстояния от пласта до поверхностного слоя ("земли").
При подаче на электроды 15, 16 периодического напряжения в нефтеносном пласте создается электрическое поле. Периодическое напряжение предпочтительно представляет собой смещенное напряжение постоянного тока с переменной составляющей, которое получают модулированием напряжения переменного тока. В другом варианте периодическое напряжение постоянного тока можно получить от импульсного источника постоянного тока. В настоящее время существует много различных и хорошо известных специалистам способов получения такого напряжения. Для этого, например, можно использовать диодный выпрямитель, преобразующий переменный ток в постоянный. Для создания переменной составляющей можно использовать обычную резистивно-емкостную цепь. При подаче напряжения на электроды электрический ток проходит через реликтовую и капиллярную воду, которая содержится в нефтеносном пласте. Электроны проходят через пласт благодаря наличию в подземных водах природных электролитов.
Электрический потенциал, необходимый для инициирования в нефтеносном пласте электрохимических реакций, зависит от содержания в нефти различных химических компонентов. Иными словами, амплитуда переменной составляющей напряжения зависит от состава нефти и вида протекающих в ней реакций. Амплитуда переменной составляющей напряжения, подаваемого на электроды, может достигать величины, при которой происходят окисление и восстановление молекулярных связей в компонентах нефти. Кроме того, переменная составляющая напряжения на электродах должна иметь частоту, которая больше 2 Гц, но меньше частоты, при которой в пласте уже не происходит поляризации. Переменная составляющая напряжения может иметь синусоидальную или трапециевидную форму и может быть как симметричной, так и ограниченной по амплитуде. Частота составляющей переменного тока предпочтительно должна составлять от 50 до 2000 Гц. При этом, однако, следует иметь в виду, что при импульсном напряжении и профилированных импульсах можно работать и с частотами более 2000 Гц.
Система, которую можно использовать для осуществления настоящего изобретения, показана на фиг.2. Имеющаяся в этой системе скважина 13 работает как нефтедобывающая скважина, расположенная в определенном месте 17 нефтеносного пласта 11. Скважина 13 имеет достаточно длинную колонну из металлических обсадных труб 18, которые проходят от поверхности 12 земли до слоя покрывающей в определенном месте 17 нефтеносный слой породы 23. Как показано на фиг.2, обсадные трубы 18 герметично уплотнены по всей высоте покрывающего слоя 19 бетоном 20 и соединены соответствующим образом с расположенным на конце колоны перфорированным металлическим хвостовиком 24, который проходит через нефтеносный слой 11. Внутри обсадных труб 18 расположена труба 21, которая проходит от колонной головки 22 до насоса 25, погруженного в жидкость 26, которая собирается внутри перфорированного хвостовика 24. Предпочтительно добывающая скважина 13 закачивается обычно принятым при бурении нефтяных скважин способом. Насос 25 выбирают таким образом, чтобы он мог работать при высоте подачи, достаточной для возможности прохода находящейся в соседнем нефтеносном пласте 11 нефти через металлический перфорированный хвостовик 24.
Технологическая скважина 14, в которой расположен первый электрод 15, также имеет достаточно длинную колонну металлических обсадных труб 28, соединенных снизу с башмаком 29, расположенным приблизительно на высоте слоя покрывающей породы 23. Уплотнение обсадных труб 28 в покрывающем слое 19 осуществляется с помощью бетона 30. В нижней части скважины 14 расположен выполненный в виде трубы хвостовик 31 из электроизоляционного материала, который проходит на определенное расстояние от нижнего края обсадных труб 28 вглубь нефтеносного пласта 11. Хвостовик 31 телескопически соединен с нижней обсадной трубой 28 соответствующим переходником или муфтой 32. Фактически, хотя это и не показано на фиг.2, хвостовик 31 имеет достаточно большую длину и сравнительно небольшой внутренний диаметр.
Под хвостовиком 31 в нефтеносном пласте 11 расположена полость 34 с первым электродом 15. Первый электрод 15 крепится к кабелю 35, который изолирован от земли. Длина первого электрода 15 меньше толщины нефтеносного пласта 11, и поэтому его можно расположить в любом по высоте месте подземного пласта. На схеме, показанной на фиг.2, первый электрод 15 расположен приблизительно в средней по толщине плоскости нефтеносного пласта 11. Расположенный таким образом первый электрод может испытывать воздействие солей и маслянистых жидкостей, которые содержатся в окружающей породе, а также высокого гидростатического давления. Такие условия могут, как очевидно, послужить причиной электролитической коррозии первого электрода. Для защиты электрода от электролитической коррозии его помещают концентрично внутри специальной вытянутой в длину проницаемой цилиндрической оболочки радиально на некотором от нее расстоянии. Такая оболочка защищает электрод от воздействия масла или других агрессивных жидкостей, которые попадают из нефтеносного пласта в полость, в которой находится электрод.
Предпочтительный вариант конструкции первого электрода 15 с защитной оболочкой показан на фиг.3. Выполненный в виде полой трубы первый электрод 15, электрически соединенный своим верхним концом с кабелем 35, расположен концентрично внутри проницаемой цилиндрической оболочки 16а, изготовленной из электроизоляционного материала. Первый электрод 15 предпочтительно имеет наружное покрытие, например, из диоксида свинца, которое надежно защищает его от электролитического окисления. Во избежание деформации первого электрода 15 и для защиты его от механического повреждения внутри электрода предпочтительно создается давление, равное давлению, которое действует на внешнюю поверхность электрода. Песок и другой посторонний материал, который попадает из окружающего пласта внутрь внешней оболочки 16а, собирается в ее закрытом нижнем конце.
Как показано на фиг.2, первый электрод 15 крепится к нижнему концу изолированного кабеля 35, другой конец которого через набивной сальник 36, расположенный на заглушке 37 верхней обсадной трубы 28, выходит из скважины наружу и соединяется с положительным полюсом источника 38 электроэнергии. Другой полюс источника 38 электроэнергии соединен кабелем 42 с незащищенным проводником, который действует как второй электрод 16, расположенный в добывающей скважине 13. В качестве второго электрода 16 можно использовать и отдельный элемент, расположенный рядом с добывающей скважиной 13, и часть самой добывающей скважины. В показанном на фиг.2 варианте вторым электродом 16 служит перфорированный хвостовик 24, электрически соединенный с кабелем 42 обсадными трубами 18.
При подаче напряжения на расположенные в пласте электроды 15, 16 ток между электродами проходит через содержащуюся в пласте и обладающую электропроводностью воду и природные электролиты. В пласты, в которых не содержится необходимого для прохождения тока количества капиллярной воды и электролитов, через одну или обе скважины можно закачать обладающую электропроводностью жидкость, образующую в пласте путь для прохождения тока между электродами 15, 16. На фиг.2 показана расположенная в скважине 14 труба 40, по которой с поверхности земли в нефтеносный пласт 11 закачивают раствор электролита. Труба через управляемый клапан 45 соединена с насосом 44, который закачивает в скважину 14 раствор электролита из емкости 44. Скважину 14 целесообразно оборудовать устройствами контроля расхода и уровня, позволяющими регулировать количество электролита, закачиваемого в скважину. Подробно система закачки в пласт раствора электролита описана в упомянутом выше патенте US 3782465. Аналогичная система описана также в патенте US 5074986, который также в полном объеме включен в настоящее описание в качестве ссылки.
Ниже со ссылкой на фиг.1 и 2 более подробно рассмотрены отдельные этапы предлагаемого в изобретении усовершенствованного способа принудительной добычи нефти. При подаче напряжения на первый электрод 15 между ним, вторым электродом 16 и расположенным рядом с добывающей скважиной 13 участком 17 нефтеносного пласта создается определенная разность потенциалов. Перепад напряжений между электродами 15, 16 предпочтительно не должен быть меньше 0,4 В на каждый метр расстояния между электродами. При таком перепаде напряжений между первым и вторым электродами 15, 16 через пласт 11 начинает протекать ток. Пропускаемый через пласт электрический ток проходит через воду 4, которая заполняет имеющиеся в нефтеносном пласте пустоты. Вода, которая собирается в скважинах над электродами, не вызывает короткого замыкания цепи между электродами и обсадными трубами. Обусловлено это сравнительно небольшим поперечным сечением водяных колонн скважин, а следовательно, и их большим по сравнению с нефтеносным пластом электрическим сопротивлением.
При протекании через пласт 11 электрического тока в находящейся в нем капиллярной и реликтовой воде начинается электролиз. При электролизе в грунтовой воде высвобождаются активаторы, которые ускоряют протекающие в нефти реакции окисления и восстановления. При этом на отрицательно заряженных поверхностях раздела содержащихся в нефти соединений происходит катодное восстановление, а на положительно заряженных поверхностях раздела происходит анодное окисление. В результате таких окислительно-восстановительных реакций происходят расщепление длинноцепных углеводородов и полициклических соединений на соединения с низкой молекулярной массой и снижение вязкости нефти. Окислительно-восстановительные реакции можно инициировать и в алифатической, и в ароматической нефти. При снижении вязкости нефти в результате окислительно-восстановительных реакций ее подвижность или текучесть увеличивается, и нефть из пласта перетекает в добывающую скважину. При минерализации нефти, которая происходит при пропускании через нефтеносный пласт электрического тока, образуется диоксид углерода. Растворяющийся в нефти диоксид углерода также уменьшает ее вязкость и увеличивает добычу нефти.
Помимо повышения текучести нефти предлагаемый в изобретении способ ускоряет протекающие в нефти электрохимические реакции, в результате которых повышается качество добываемой нефти. При подаче в нефтеносный пласт электрической энергии происходит высвобождение из пласта водорода и других газов. Водород, который при достаточно большом гидростатическом давлении взаимодействует с нефтью и частично ее гидрирует, повышает сортность и качество добываемой нефти. Протекающие в нефти окислительные реакции сопровождаются ее окислением и также повышают качество добываемой нефти.
В большинстве случаев электрохимические реакции в достаточной степени снижают вязкость нефти и обеспечивают возможность ее добычи. В некоторых случаях, однако, для адекватного уменьшения усилий, удерживающих нефть в нефтеносном пласте, и увеличения добычи нефти из подземных пластов необходимо принимать дополнительные меры. Описанный выше способ вторичной добычи нефти можно использовать вместе с другими способами, в частности электротепловыми или электроосмотическими. Так, например, при переключении выпрямленного постоянного напряжения и увеличении перепада напряжений между электродами 15 и 16 можно создать электроосмотическое давление, действующее на разрабатываемый нефтеносный пласт. Для одновременного электрохимического и электроосмотического воздействия на нефть и ее добычи двумя способами можно использовать одно и то же оборудование. Электроосмотический способ добычи нефти описан, в частности, в упомянутом выше патенте US 3782465.
Различные аспекты настоящего изобретения более подробно описаны в родственных патентах US 3724543, US 3782465, US 3915819, US 4382469, US 4473114, US 4495990, US 5595644 и US 5738778, которые в полном объеме включены в настоящее описание в качестве ссылок. В качестве не ограничивающих объема изобретения примеров нефтеносных пластов, для разработки которых можно использовать предлагаемые в изобретении способы, можно назвать пласты, содержащие тяжелую нефть, кероген, асфальтовую нефть, лигроин и другие виды природных углеводородов. Кроме того, предлагаемые в изобретении способы можно использовать для разработки как однородных, так и неоднородных нефтеносных пластов.
Использованные выше термины и выражения лишь помогают проще раскрыть основные особенности изобретения, ни в коей мере не ограничивая его объем. Приведенное выше описание, в котором были подробно рассмотрены только предпочтительные варианты возможной реализации изобретения, не ограничено использованными в нем для характеристики отдельных отличительных особенностей изобретения терминами и выражениями, которые, не нарушая основной идеи изобретения, можно заменить другими, эквивалентными им терминами и выражениями. Следует отметить также, что в объеме изобретения в рассмотренные выше варианты можно вносить различные изменения и усовершенствования. Возможность таких изменений и усовершенствований полностью предусмотрена формулой изобретения.
1. Способ принудительной добычи нефти из подземного пласта с первым и вторым нефтеносными районами, заключающийся в том, что
а) сооружают первую скважину в первом районе пласта и вторую скважину во втором районе пласта,
б) в первую расположенную в первом районе пласта скважину опускают первый электрод,
в) во вторую расположенную во втором районе пласта скважину опускают второй электрод и
г) создают между первым и вторым электродами разность периодических напряжений,
отличающийся тем, что разность периодических напряжений между электродами создают путем подачи на них напряжения смещения постоянного тока и наложенной переменной составляющей переменного тока с амплитудой, обеспечивающей инициирование в нефти окислительно-восстановительных реакций для разложения содержащихся в ней длинноцепных углеводородов и полициклических соединений на соединения с низкой молекулярной массой и гидрирования нефти.
2. Способ по п.1, отличающийся тем, что частота наложенной переменной составляющей переменного тока составляет от 50 до 2000 Гц.
3. Способ по п.1, отличающийся тем, что для инициирования в нефти окислительно-восстановительных реакций разницу напряжений на электродах изменяют.
4. Способ по п.1, отличающийся тем, что вторая скважина содержит размещенный в ней металлический хвостовик обсадных труб.
5. Способ по п.1, отличающийся тем, что разность напряжений между первым и вторым электродами составляет от 0,4 до 2,0 В на каждый метр расстояния между электродами.
6. Способ по п.1, отличающийся тем, что часть нефти, находящейся в нефтеносном пласте, минерализуют с получением диоксида углерода.
7. Способ по п.1, отличающийся тем, что вторую скважину сооружают таким образом, чтобы она находилась в контакте с находящейся в подземном пласте нефтью.
8. Способ по п.1, отличающийся тем, что первую и вторую скважины сооружают таким образом, чтобы они вскрывали подземный нефтеносный пласт.
9. Способ по п.1, отличающийся тем, что для инициирования окислительно-восстановительных реакций в различных соединениях нефти при создании на электродах разности напряжений изменяют амплитуду наложенной составляющей переменного тока.
10. Способ по п.1, отличающийся тем, что для создания приложенного к нефтяному месторождению в направлении второй скважины электроосмотического усилия увеличивают постоянное напряжение между первым и вторым электродами.
11. Способ по п.1, отличающийся тем, что дополнительно
д) увеличивают напряжение между первым и вторым электродами с созданием тем самым приложенного к нефтяному месторождению в направлении второй скважины электроосмотического усилия и
е) извлекают нефть из второй скважины.
