通过选择性能量吸收的重原油井下物理改良.pdf

本发明利用适当频率的电磁能量可选择性地对重油施加热能的能力来在整个给定体积的材料中精确控制裂解温度。重原油中的选择性电磁能量吸收提供分子水平的热能有效传递，从而确保在整个处理体积上精确地控制温度。这使得可以利用电磁能量优化减粘裂化工艺。

1.  一种用于在地下处理重原油的系统，该系统包括：
位于土地中存在原油的区域中的井眼；
设置在要处理的重原油附近的井眼中的电磁能量施加器；
附接至所述电磁能量施加器以将电磁能量提供给所述施加器的电缆；
附接至所述电缆、用于产生要提供给所述施加器的电磁能量的电磁能量发生器；和
穿过所述井眼的产品返回管线；该产品返回管线包括：
位于所述电磁能量施加器附近的远端，油或其他产品可通过该远端被采出；和
位于或靠近地面的近端。

2.  如权利要求1所述的系统，其中，所述施加器为天线阵列。

3.  如权利要求1所述的系统，其中，所述施加器为螺线管天线。

4.  如权利要求1所述的系统，其中，所述施加器为螺旋形天线。

5.  如权利要求1所述的系统，其中，所述电缆和施加器中至少一个附接至所述产品返回管线。

6.  如权利要求1所述的系统，其中，所述产品返回管线连接至存储或加工设施。

7.  如权利要求1所述的系统，其中，还包括：位于所述井眼的地面处的井口，所述井口包括：
波纹管，其连接至所述施加器结构，使得该波纹管支承施加器的重量。

8.  如权利要求7所述的系统，其中，还包括用于将气体导入所述井口和井眼的可密封的开口。

9.  一种在地下处理重原油的方法，所述方法包括下列步骤：
将电磁能量施加器设置在重原油附近的井眼中；
产生电磁能量；
利用所述施加器将电磁能量施加在重原油上，实现热裂解；以及
通过产品返回管线采出重原油。

10.  如权利要求9所述的方法，其中，还包括以下步骤：
控制施加在重原油上的电磁能量，以就地改良重原油。

11.  如权利要求9所述的方法，其中，电磁能量被施加在油页岩中的重原油上。

通过选择性能量吸收的重原油井下物理改良
技术领域
本发明一般地涉及使用电磁能量使重原油处在温和的热裂解条件下，从而降低油的粘性、倾点和比重，使其更容易开采和操纵。更具体地说，本发明涉及将电磁能量加在储层中的重油上，以便就地进行改良(upgrade)并有助于开采的方法。本发明还涉及将电磁能量就地加在重油上的系统。
背景技术
重原油在开采和生产方面存在一些问题。API重度低的原油和具有高倾点的原油在储层中和储层外都有生产问题。提取和精炼这种油比较困难和昂贵。特别是，泵送重原油或使它通过管路运送都很困难。
今天，使用各种方法去改善重原油的缺点。例如，石油工业通过使重原油与轻油和液体丙烷(proprane)气体混合，减少地面操纵的问题，使它们在管路和存储设施中容易操纵。但是，这个方法存在缺点，因为它对油的最初开采没有帮助，并且昂贵。
还可以使用称为“减粘裂化(visbreaking)”或温和热裂解的工艺来降低重原油的粘性。“减粘裂化”是提高重原油可泵送性能的一种石油精炼工艺。一般，它是通过在炉内加热重原油而完成的。该工艺的特征为温和的分解，形成焦炭量最少并且裂解的产物留在初始的原料中。结果得到的混合物的粘性，倾点和比重值比原来的油低。然而，就当前的应用来说，该减粘裂化工艺不能就地作用在油上。
本发明赋予了减粘裂化新的内容和新的目的，并提出了应用减粘裂化的改进方法。在本发明中，减粘裂化的实现是通过利用电磁能量加热重原油，而不是在炉内加热重原油。另外，本发明适用于就地处理石油。这种处理可以改良在储层中的油，有助于石油开采。
发明内容
本发明利用适当频率的电磁能量可选择性地对重油施加热能的能力来在整个给定体积的材料中精确控制裂解温度。重原油中的选择性电磁能量吸收提供分子水平的热能有效传递，从而确保在整个处理体积上精确地控制温度。这使得可以利用电磁能量优化减粘裂化工艺。
正确地选择频率和功率持续时间(power duration)可通过电磁能量吸收使重碳氢化合物快速裂解至所希望的任何程度。当达到所希望的裂解程度时，热油基质形成明显不同的一组电学特性，该电学特性可在“电磁减粘裂化工艺”(EVP)过程中在地面上测量，以保证在井下精确的温度和功率控制。
所提出的该EVP可提供有效的能量吸收和对重油热裂解的控制，以便就地进行改良。将低功率(几十千瓦)电磁能量施加在地层上以进行减粘裂化可以使重油温和地分解，使焦炭的形成最小化并且使裂解的产物留在初始的原料中。所得到的混合物的粘性、倾点和比重值比原来的油的低。
本发明具有若干有前景的应用。可以利用本发明改良重原油。本发明还可帮助从储层中开采重原油。另外，本发明可以用于更有效地从例如在美国西部存在的油页岩中开采碳氢化合物。
在本发明的一个实施例中，提供了一种用于在地下处理重原油的系统。该系统可以包括：土地中存在原油的区域中的井眼；设置在要处理的重原油附近的井眼内的电磁能量施加器；附接至该电磁能量施加器以将电磁能量提供给施加器的电缆；附接至该电缆、用于产生要供给所述施加器的电磁能量的电磁能量发生器；和穿过所述井眼的产品返回管线。该产品返回管线由位于电磁能量施加器附近的远端和位于或靠近地面的近端构成。油或其他产品可通过所述远端采出。
在本发明的另一个实施例中，提供了一种在地下处理重原油的方法。该方法包括下列步骤：将电磁能量施加器设置在重原油附近的井眼中；产生电磁能量；利用施加器将电磁能量施加在重原油上，以实现热裂解；以及，通过产品返回管线采出重原油。
虽然说明了多个实施例，但本领域技术人员仍可从下面的表示和说明本发明的实施例的详细说明中，了解本发明的其他实施例。在不背离本发明的精神和范围的条件下，可以对本发明在各个显而易见的方面做出改进。因此，附图和详细说明只是说明性的，不是限制性的。
附图说明
图1为单井眼辐射式施加器的透视图；
图2为施加器系统的一部分的近距离观察图(close up view)；
图3为单井眼施加器的另一构造的一部分的透视图；
图4为与施加器系统一起使用的井口的透视图；
图5表示从将电磁能量施加在油页岩的大油分子上的实验中得出的吸收数据的示例。
具体实施方式
可以使用各种不同形式的井下电磁结构将电磁能量就地施加在重原油上。任何具体应用中所适用的结构取决于各种因素，包括深度、热的均匀性以及不饱和碳氢化合物的产生和焦化程度的最小化。
图1为单井眼辐射式施加器的透视图。施加器系统10放置在井眼12内。井眼12由套管14支承。然后，利用施加器系统10，将电磁能量加在井眼12附近的重原油上。
施加器结构20为一个传输线路罐(retort)。作为参考，典型的施加器20的长度约为70英尺。在典型构造中，施加器20可以放置在井眼12中地下100～600英尺处。利用RF发生器(没有示出)，将射频(“RF”)能量提供给施加器20。RF发生器通过挠性同轴电缆30的部分与施加器20连接。挠性同轴电缆30又与刚性同轴电缆32的部分连接。同轴电缆可以用或不用陶瓷垫圈(bead)支承，温度较高情况下这种陶瓷垫圈是需要的。这样，RF发生器将RF能量供给施加器20，施加器20再将RF能量加在目标体积上，以实现减粘裂化。这可以就地改良重原油和帮助开采。
利用生产管道40进行油和有关产品的开采。这种非金属管道从井眼12的生产区穿过井眼延伸至地面16。在地面上，生产管道40通过产品返回管线，与存储或加工设施(没有示出)连接。
生产管道40为施加器系统10的RF硬件提供坚固的安装基础。同轴电缆30和32可以利用连接器42直接附接至生产管道40。施加器20也附接至生产管道40。
图2为施加器系统的一部分的近距离观察图。施加器结构20，刚性同轴电缆32和生产管道40全部设置在井眼12内。图2中示出这种系统的典型尺寸。陶瓷支承垫圈34支承刚性同轴电缆32。另外，在施加器20的顶部放置陶瓷压力窗36。
图3为单井眼施加器的另一构造的一部分的透视图。在这种构造中使用偶极子馈电(dipole feed)。同轴馈电结构38围绕生产管道40。陶瓷窗36设置在同轴馈电结构38的底部。
虽然给出了施加器结构的具体例子，但应理解，可以使用技术上已知的其他结构。利用如在美国专利5065819号中公开的天线阵列技术，可达到均匀的加热。可以利用这样的技术最小化设置施加器的井眼中的焦化条件，并可避免高功率下的过大的电极电压梯度。阵列利用互相耦合减小井眼中的过大的电压梯度。单独地测量从包含辐射器的每一个施加器井眼反射的功率以及任何一对施加器井眼之间的相互阻抗耦合的能力确保了对被加热的体积的精确温度控制。
其他的变型，包括如在J.Bridges等人在IIT研究院的最终报告中发表的“犹他沥青砂的RF加热”(J.Bridges，et al.，“RF Heating of Utah Tar Sands”，Final Report，IIT Research Institute)中提出的非辐射结构都是可能的。然而，这种结构易受高电压击穿(high voltage breakdown)破坏并需要进行繁重的钻孔工作，而这是不经济的。
特殊的井口需要与施加器系统10结合适用。通过适当的设计，井口可以将RF能量安全和有效地输送至施加器。
图4为与施加器系统一起使用的井口的透视图。井下施加器(没有示出)的重量落在井口内的特殊的波纹管46上。这保证在能量传输过程中由于热而引起的任何井下装置的机械运动都不会中断电能流。输入孔44允许氮气被导入井口和井眼的内部，进而保证安全地施加RF能量。在波纹管46上方设置绝缘器45，并将一个中心导体膨胀接头(central conductor expansionjoint)设置在绝缘器的顶部上。在同轴电缆30伸出并通至RF发生器28的井口顶部，同轴线密封和垂直对准夹板26将电缆固定在井口上。产品返回管线41将所开采的产品通过该系统运送至存储或加工设施(没有示出)，并且抽水管线43可从井眼12除出水。
本发明也可应用在油页岩油田中，如美国西部的一些油田。在一系列实验中，对这种油页岩中存在的大的油分子进行加热，以评估随着温度变化的介电频率响应特性(dielectric frequency response)。低温下的响应特性总是由原生水控制，直至这种水作为蒸气被除去为止。在水成为蒸汽状态之后，矿物质控制能量吸收的程度，直至温度达到大约300～350℃为止。在这个温度范围内，电磁能量开始优先被重油所吸收。这种有选择的吸收开始是迅速的，并需要功率控制，以保证不出现伴随焦化的过高温度。图5示出从这种实验中得出的吸收数据的示例。
由于重油的高温选择性能量吸收能力，所以可以非常小心地控制由电磁能量加热的井下原油的体积温度。一旦利用蒸发将原生水除去后，能量需求被最小化。与任何其它提供减粘裂化的加热手段相比，利用电磁能量达到温和的裂解温度所需的能量少得多。
Kasevich公布了与重油分子特殊加热有关的分子理论。他发现，通过将电缆油(cable insulating oil)与来自油页岩的干酪根(油)比较，干酪根介电质中的弛豫时间的统计分布给出了电磁能量如何在油中通过介电质性质被吸收的最好的理论说明。当温度较高并且在分子配合物内势能壁垒降低时，选择性能量吸收快速增加。
在使用中，本发明的实施例的使用者应将施加器系统设置在存在重原油的区域的井眼中。使用者将施加器结构本身定位在施加RF能量的目标区域的井眼中。使用者将该施加器结构通过同轴电缆与RF发生器连接。生产管道从生产区域延伸至地面，并从那里通往存储或加工设施。然后，使用者利用RF发生器，将RF能量加在施加器上，从而将RF能量就地施加在重原油上。应控制RF能量，以最小化焦化情况以及实现所希望的对重原油的裂解和改良。然后，通过生产管到采集得到的产品并输送至存储或加工设施。
虽然已经参照优选实施例说明了本发明，但技术人员知道，在不背离本发明的精神和范围的条件下，可对形式和细节作一些改变。