NO174514B - Fremgangsmaate ved injeksjon av vann i underjordiske formasjoner - Google Patents

Description

Foreliggende oppfinnelse vedrører en forbedret fremgangsmåte for innpresning av vann i fluidumlagrende fjell inneholdende leirernaterialer, spesielt i hydrokarbonformasjon-er dannet i sandsten, sand og mergelholdig sandsten, vannlagrende sten, geotermiske sirkulasjonsplasser, i soner i nærheten av brønner som utstrekker seg til større posi-sjoner, slik som angitt i krav l's ingress.

Det er et velkjent faktum at i formasjoner som inneholder hydrokarboner, vil etter den første eksploatering en vesentlig andel, såsom 60 - 75% av de opprinnelige (geologiske) reserver forbli ueksploatert. For ytterligere eksploatering av de gjenværende hydrokarboner, spesielt mineralol-jer, anvendes fluidum overføring fra vannlagrende områd-er, eller i de fleste tilfeller gjennom passende utform-ede brønner presses fluidumet tilbake. Til tross for at et antall sekundære og tertiære eksploateringsmetoder er utviklet, har opp til nå kun enkelt gjeninnføring av vann (innpresning av vann) vist seg å være den mest anvendte

og billigste løsning. Fra et økonomisk synspunkt er denne løsning fordelaktig, imidlertid med hensyn til tek-

nisk utførelse, kan det i visse tilfeller forventes van-skeligheter, idet innpresning av vann i vesentlig grad er avhengig av både lagringsformasjonens egenskaper og vann-kvaliteten som er tilgjengelig for gjeninnpresning. Alle-rede i den første fase av gjeninnpresning av vann (hvis dette er omhyggelig planlagt før utførelse) blir man kon-frontert med det problem som er lite omtalt i den tekniske litteratur, nemlig forenligheten mellom lagringsformasjonen og injisert vann, henholdsvis vanndige oppløsninger,

ved at den innpressede kjemiske bestanddel går tapt ved sorbsjon og degradering, regnet fra kontakttidspunktet mellom formasjonen og fluidumet, stabiliteten av formasjonen, tilstand og stabilitet avleirematerialer bibeholdes av injiserbarhet, forandringer og forstyrrelse av naturlig likevekt (eller kvasi-likevekt), samt følger derav.

Det er også velkjent at permeabiliteten for lagrende formasjoner, særlig i sandsten som inneholder leireminerål-er, sand, mergelholdig sand,alltid vil være avhengig av porestrukturen. Imidlertid vil tilstedeværelse av mineralleirer komplisere denne enkle situasjon, da leirenes kjemiske og fysiske tilstand hovedsakelig er avhengig av ioneomgivelsene, spesielt for tilfelle av svellende leirematerialer, som ikke bare endrer sin porestruktur,

men også deres kjemiske tilstand som følge av ioneutveks-lingsprosesser som finner sted i den vanndige fase. Mineralleirer med lagstrukturen 2 : 1 er istand til å svelle i C-aksens retning, og forandringene er avhengig av hvilke opptar (binder) de frie negative ladninger i leiremineralenes lagstruktur.

I det tilfellet hvor en betydelig ekspansjon i leiremineralene vil dette føre til deres dispersjon, og det er åpenbart at de hydrodynamiske egenskaper for formasjonen vil også påvirkes, og i dette tilfelle i negativ retning.

Ved å analysere problemene fra dette synspunkt, kan det fastslås, bortsett fra i visse gassinnpresningsprosesser, (eksempelvis etan eller gassanriket etan), så bør i nesten alle tilfeller sorbsjonsfenomenene kontrolleres, slik at ødeleggende hydrodynamiske effekter som følge av leiremineralsvelling og strukturell sammenfalling bli eli-minert. Det er velkjent at man ikke kan påvirke bare ione-veksling, sorbsjon, dispersjon eller elektrostatisk dispersjon, da disse prosesser finner sted samtidig, og følge-lig kan deres fordelaktige modifikasjon resultere i for-skjellige effekter. Som følge, hvis man taler om forandringer og modifikasjoner av leirematerialer, så synes det mere korrekt å snakke generelt om en leire-effekt, mens nedsettelse, kontroll (utelukkes) av dens aktivitet kan kalles inhibering.

Det er åpenbart at for tilfelle av alle fluiduminnførings-prosesser, særlig ved innpresning av vann eller vanndig oppløsning, vil den naturlige ionelikevekt forstyrres i sonen i brønnenes omgivelse. Leirematerialene deltar og-så i denne forstyrrelse av likevektstilstanden, og dette i større grad hvis vannet som presses inn, er mindre kom-patibelt med den originale ionebakgrunn av systemet, henholdsvis med leiremineralene. Av denne grunn er det ytterst viktig at man før hver eneste enkelt gjeninnpres-ningsprosess omhyggelig analyserer både leiremineralene og den naturlige likevektstilstand for formasjon-væske.

Hensikten med den foreliggende oppfinnelse er å eliminere disse ulemper, dvs. å forbedre injeksjon av vann til en fluidumlagrende formasjon inneholdende mineralleirer, dvs. formasjoner som inneholder hydrokarbon, og hvor fremgangsmåten kan særpreges ved en vesentlig bedre effektivitet.

Hensikten med oppfinnelsen er å etablere den best mulige kompatibilitet mellom lagringsformasjonen og det injiserte vann eller den vandige oppløsning. Oppfinnelsen er basert på den erkjennelse at så langt den angitte oppgave kan løses, bør forandringer i leiremineralene som er tilstede i lagringsformasjonen kontrolleres, dvs. den såkalte leire-effektinhibering utføres.

Denne oppgave er løst ved fremgangsmåten som er angitt i innledningen, og er særpreget ved at forbindelser kontinuerlig eller diskontinuerlig innføres i lagringsformasjonen, hvilke forbindelser har en hydratisert kation diameter fortrinnsvis i området 0.13-015 nm, et koordineringstall på 12, og som fortrinnsvis er kalium- og/eller ammonium- og/eller zirkoniumsalter, og avhengig av leireinnholdet i lagringsformasjonen, utføres stabiliseringen av denne ved å anvende de nevnte salter i oppløsning i en konsentrasjon på 0.1 - 500 g/l, fordelaktig 0.1 - 300 g/l og en mengde på 0.5 - 5000 m^, fortrinnsvis 50 - 3000 rn-* i forhold til den vertikale dimensjon av formasjonen, uttrykt i meter, slik som angitt i krav l's karakterise-rende del, ytterligere trekk fremgår av kravene 2-6. Teknisk sett er det antatt fordelaktig hvis den totale mengde av kalium- og/eller ammonium- og/eller zirkonium-saltene som injiseres for stabilisering av lagringsformasjonen, ikke innføres med en konstant konsentrasjon, men som en blanding av de nevnte ioner i forholdsområdet [K<+> : NH4<+> = 0.01 f 500; K<+> : Zr0<2+> = 0.01 - 300;

(K<+> + NH4 + ) : Zr0<2+> = 0.01 -r 300], ved kontinuerlig eller gradvis å forøke eller senke forholdene under anvendelse av kontinuerlige eller diskontinuerlige konsentra-sjons forøkning eller nedsettelsestrinn, med eller uten innførte skillefluidumplugger i form av sykler bestående av to eller flere små plugger.

I den hensikt å forøke produktiviteten blir kalium-, og/ eller ammonium-, og/eller zirkoniumforbindelsene som skal injiseres i lagringsformasjonen for stabilisering av denne, injiseres med vanndamp eller en blanding av vanndamp og damp av en eller flere organiske forbindelser, vanndamp og/eller gasser, kontinuerlig eller diskontinuerlig, i en eller flere plugger, i en konstant og/eller kontinuerlig eller gradvis forøkende og/eller avtagende konsentrasjon.

For ytterligere å forøke produktiviteten av foreliggende prosess, er det antatt å være fordelaktig hvis kalium-, og/eller ammonium- og/eller zirkoniumforbindelsene som stabiliserer lagringsformasjonen, innføres i en vanndig oppløsning og/eller i en dampfase, kontinuerlig eller diskontinuerlig, kombinert, under anvendelse av en eller flere vanndige og/eller gass/dampsykluser til lagringsformasjonen.

I henhold til et trekk ved foreliggende fremgangsmåte, er det antatt å være foretrukket,hvis kalium- og/eller ammonium- og/eller zirkoniumforbindelsene for stabilisering av lagringsformasjonen, innføres kontinuerlig eller diskontinuerlig, i en eller flere injeksjonsplugger, i en kontinuerlig eller gradvis avtagende eller økende konsentrasjon, med eller uten innføring av ytterligere separerende fluidumplugger, i egnet organisk oppløsningsmiddel

(er) eller i blanding av organisk oppløsningsmiddel (er) og/eller i blanding med organisk og uorganisk oppløsnings-middel (er) og/eller i egnede dispersjoner i lagringsformasjonen. Uten å spesifisere den fulle mekanisme av inhibering av leireeffekten i detalj, eller eksaminere alle mulige varianter derav, så er det annerkjent og vist at det er mulig fordelaktig å påvirke leireeffekten, reduk-sjon av leiredispersjoner henholdsvis eliminering derav ved å innføre den vanndige fase av forbindelsene til leirematerialene, hvilke forbindelser som følge av deres hydratiserte ionediameter, høye koordineringstall og hydratiseringsenergi er istand til permanent å innbygges i de strukturelle kanaler i svellende leirematerialer,

og således modifisere dens strukturelle særpreg. For dette formål anvendes kationer med en hydratisert diameter i området 0.13 - 0.15 nm, og med et koordineringstall på 12. Det er også velkjent at ionebytting og sorbsjonsegenskapene for leiremineraler i første rekke er definert av antall og plasser for ladninger, og an-tallet koordineringer av ioner som er tilgjengelige for utbytning. Eksempelvis viser (SiC>4) tetrahedronet all-tid 4 negative ladninger utad. Hvis under en utbytning disse ladninger nøytraliseres med passende kationer, vil penetrering av fremmede ioner bli umulig. I dette tilfellet vil naturligvis ikke noen forandring i konstruk-sjonen i retning av C-aksen finne sted, og følgelig vil ingen svelling oppstå. De fikserte ioner forårsaker i-stedet en sterk"sammentrekkende" effekt i lagstrukturen ( koordineringstallet for Na<+> og Ca<2+> utgjør 6, mens

K<+> og NH<+> ioner har et koordineringstall på 12, følgelig vil de sistnevnte bli fiksert), og således stabilisere leirestrukturen.

Ved utførelse av foreliggende fremgangsmåte for inhibering av leireeffekten, kan et hvilket som helst vannopp-løselig organisk eller uorganisk salt anvendes, som sik-rer kationer av riktig kvalitet og konsentrasjon for inhibering under dissosiasjon. Fortrinnsvis inhiberes leireeffekten på en slik måte at oppløsninger av det inhiberende salt, som er utvalgt på basis av preliminære labo-ratorieforsøk, fremstilles og injiseres deretter inn i laget i en mengde på 0.05 - 0.7, fortrinnsvis 0.05 - 5 porevolumer (Vp), umiddelbart etterfulgt av vanninnpres-ning. Konsentrasjonen av det inhiberende salt som skal tilføres, er avhengig av graden av ionefiksering som skal oppnåes under inhiberingen, fortrinnsvis anvendes en nor-maloppløsning (maksimalt 5.0 - minimalt 0.01, fortrinnsvis maksimalt 3.0 - minimalt 0.01).

Under innvirkning av behandlingen med inhibitoren, vil enhetscellen trekke seg sammen i C-aksens retning og struk-turbindingen vil bli mere stabil, det indre hydratvann av-ta og stabiliteten av hele formasjonsstrukturen tilta, permeabiliteten bli mere stabil og følgelig kan fordelaktige betingelser oppnåes for gjeninnføring av vann.

Ikke bare stabiliseringsrollen av leireeffekt-inhiberingen er av betydning, men fornyet mobilitet av oljen som har blitt innesluttet som følge av ugunstige svellings-betingelser av leirematerialer vil fremmes når tilstanden for leirematerialene blir invertert. Det samme utsagn er gyldig også for laminære formasjoner som er forbundet med sideveisstrømning.

Følgelig vil foreliggende fremgangsmåte representere en leireinhiberende effekt ved hjelp av hvilken forbedres i vesentlig grad injisering av fluidum til fluidumlagrende formasjoner, spesielt hydrokarbonavsetninger som inneholdes i mineralleirer dannet av sandsten, sand, mergelholdig sand, og særlig ved injisering av vann, vandig oppløsninger av kjemikalier, eller injisering i pressbrønner, ved at før injeksjon eller samtidig med injisering av vann eller en vandig oppløsning som inneholder enverdige eller flerverdige kationer eller bland-inger av kationer med en hydratisert diameter i området 0.13 - 0.15 nm og med et høyt koordineringstall innføres i lagrende formasjon, hvorved inhiberende ioner bygges inn i eller fikseres til strukturen av 2 : 1 under ionebytting, og således nedsetter leiremineralenes celledimen-sjoner i C-aksens retning, hvorved nedsettes den interne sorbsjonskapasitet, stopper ionebytting og stabiliserer leiremineralene,samtidig bindes frie negative overflate-ladningér, og som et resultat av de nevnte prosesser, vil dispersjon av leirematerialene, som følge av svelling av elektrostatisk påvirkning, avta.

Permeabiliteten for den lagrende formasjon og det porøse system blir også stabilisert, hvorved innpresning av vann eller vanndige oppløsninger blir mulig, henholdsvis mu-ligheten for innpresning forbedret, lagringssoneeffekten av den vanndige oppløsning blir forstørret, effektivi-teten av flømming forbedres,"furtheron, under the effekt of treatment heterogenity of the area to be flooded di-minishes."

Fordelen ved foreliggende fremgangsmåte er som følger:

- kationer med en hydratisert ionediameter på 0.13 - 0.15 nm og et koordineringstall på 12 bygget inn i de strukturelle kanaler, stabiliserer leiremineralene som er istand til å svelle med en lagstruktur 2 : 1, - leiremineraler som er istand til å svelle, trekker seg sammen i C-aksens retning som følge av de innbyggede, inhiberende kationer, men forbedrer permeabiliteten av formasjonen, og stabiliserer stenstrukturen, stopper leire-dispersjon og forårsaker ikke nye ødeleggende hetrogeni-teter, - behandlingen av leirematerialene kan utføres med lave omkostninger under anvendelse av kommersielt tilgjengelige materialer ved å injisere fortynnede vanndige opp-løsninger og samtidig, hvis det blir nødvendig med myk-gjøring (liquidation) av overflatevann som er forurenset med fikserte ioner, kan den frie utbyttekapasitet av leirematerialene anvendes for dette formål, og sikre en fordelaktig leirebehandling som ovenfor beskrevet, - behandlingsgraden av leirematerialene, fra fullstendig fiksering til liten ioneutveksling, kan vel kontrolleres

med den kjemiske kvalitet og den anvendte konsentrasjon av de inhiberende kationer, eventuelt anvendte ioneblanding-er, - inhibering av leireeffekt behøver ikke å utføres før re-innpressing av vann, idet den kan utføres under denne ope-rasjon, det er ikke nødvendig å arbeide med oppløsninger med konstant konsentrasjon, og - det er ikke nødvendig å holde konstante ioneforhold i blandingen, men plugger av graderte konsentrasjoner kan man tilpasse graden av behandling, avhengig av stenforma-sjoner på en friere måte.

Claims (6)

1. Fremgangsmåte ved innpresning av vann i fluidumlagrende formasjoner inneholdende leirematerialer, spesielt i hydrokarbonavsetninger dannet i sandsten, sand og; mer-gelholdige sandstener, vannlagrende formasjoner, geotermiske sirkulasjonskilder, i soner i nærheten av brønner, karakterisert ved at det i den lagrende formasjon innføres, kontinuerlig eller diskontinuerlig, forbindelser som har en hydratisert kationediameter, fortrinnsvis i området 0.13 - 0.15 nm, et koordineringstall på 12, og som fortrinnsvis er kalium-, og/eller ammonium-og/eller zirkoniumsalter, og avhengig av leireinnholdet i den lagrende formasjon stabiliserer denne ved å anvende en oppløsning av de nevnte salter i en konsentrasjon på 0.1 - 500 g/l, fordelaktig 0.1 - 300 g/l og i en mengde på 0.5 - 5000 m<3>, fortrinnsvis 50 - 3000 m3, i forhold til den vertikale dimensjon av formasjonen, uttrykt i meter.

2. Fremgangsmåte ifølge krav 1,karakterisert v e d at den totale mengde av kalium-, og/eller ammonium-og/eller zirkoniumsalter som injiseres for stabilisering av lagringsformasjonen, ikke innføres i en konstant konsentrasjon, men som en blanding av de nevnte ioner innen forholdsområdet K<+> : NH4<+> = 0.01 - 500, K<+> : Zr0<2+> = 0.01 - 300, (K<+> + NH4<+>) : ZrO<2*> = 0.01 - 300, ved å ju-stere kontinuerlig eller gradvis forøke eller nedsette forholdene under anvendelse av økende eller avtagende trinn av konsentrasjoner, kontinuerlig eller diskontinuerlig med eller uten innførte separerende fluidumplugger i sykler bestående av to eller flere mindre plugger.

3. Fremgangsmåte ifølge krav 1 eller 2, karakterisert ved at kalium-, og/eller ammonium- og/ eller zirkoniumforbindelser som skal injiseres i lagrings-formas jonen for stabilisering injiseres med vanndamp, eller blanding av vanndamp inneholdende en eller flere organiske forbindelser, vanndamp og/eller gasser, kontinuerlig eller diskontinuerlig, i en eller flere plugger, i en konstant og/eller kontinuerlig eller gradvis stigende og/eller avtagende konsentrasjon.

4. Fremgangsmåte ifølge et hvilket som helst av kravene 1-3,karakterisert ved at kalium-, og/ eller ammonium- og/eller zirkoniumforbindelsene som stabiliserer lagringsformasjonen, innføres i en vanndig oppløs-ning og/eller i en dampfase, kontinuerlig eller diskontinuerlig, kombinert, under anvendelse av en eller flere vanndige og/eller gass/damp-sykluser inn i lagringsformasjonen.

5. Fremgangsmåte ifølge krav 1 og 2, karakterisert ved at kalium-, og/eller ammonium og/eller zirkoniumforbindelsene for stabilisering av lagringsformasjonen innføres kontinuerlig eller diskontinuerlig, i en eller flere injeksjonsplugger, i kontinuerlig eller gradvis økende eller avtagende konsentrasjon med eller uten innføring av ytterligere separasjonsfluidumplugger i et eller flere egnede organiske oppløsningsmidler, eller i en blanding av et eller flere organiske oppløsningsmidler og/eller i blanding av organisk og inorganisk oppløsnings-middel (er) og/eller i egnet dispersjon til lagringsformasjonen.

6. Fremgangsmåte ifølge kravene 1-5,karakterisert ved at kalium-, og/eller ammonium- og/eller zirkoniumforbindelsene som stabiliserer lagringsformasjonen innføres i det vann som under de tekniske trinn i en pre-liminær rensebehandling av vannet som skal gjeninnføres som en del av vannpreparatet ved å utbytte ionene Na<+>, 2+ 2+ Ca og Mg inneholdt i dette vann, hvoretter under anvendelse av den eller de oppløsninger som således fremstilles, med eller uten ytterlig tilsetning av kalium-, og/eller ammonium- eller zirkoniumforbindelser, for behandling av lagringsformasjonen.