用于增加包含在页岩及其他致密气藏中的天然气的最终采收率的设备和方法

相关申请的交叉引用和优先权声明

本申请根据美国法典第35条第119（e）款要求2011年2月23日提交的编号为61/445,848美国临时申请的优先权，该申请通过引用被结合到本文中。

技术领域

本公开一般地涉及控制系统。更具体地，本公开涉及用于增加包含在页岩及其他致密气藏（tight gas reservoir）中的天然气的最终采收率的设备和方法。

背景技术

从地下深处的富气页岩区域进行的页岩气提取是天然气的新兴的“非常规”来源。页岩气区域常常被称为“资源区”，意味着发现天然气的地质机会是高的，但是每个成功井的潜在利润通常是低的。这与“勘探区”相反，在勘探区中发现天然气的地质机会是低的，但是每个成功井的潜在利润通常是高的。页岩沉淀物通常还具有低孔隙度和磁导率，因此，页岩气商业开采量常常要求昂贵的页岩地层的水压致裂（hydro-fracturing）和在现场的大量井的钻探两者。由于这些及其他原因，页岩气的开采在技术上和商业上两者都是具有挑战性的。

发明内容

本公开提供了一种用于增加包含在页岩及其他致密气藏中的天然气的最终采收率的设备和方法。

在第一实施例中，一种方法包括获得与来自井的天然气的开采相关联的模型，其中，该井具有控制包括来自井的天然气的材料的流量的扼流阀。该方法还包括使用该模型来识别增加在指定时间范围内从井获得的天然气量的解。另外，该方法包括基于所识别的解来调整扼流阀的操作。

在第二实施例中，一种设备包括至少一个存储器单元，其被配置成存储与来自井的天然气的开采相关联的模型，该井具有用于控制包括来自井的天然气的材料的流量的扼流阀。该设备还包括至少一个处理单元，其被配置成使用模型来识别增加在指定时间范围内从井获得的天然气量的解，并基于所识别的解来调整扼流阀的操作。

在第三实施例中，一种计算机可读介质体现计算机程序。该计算机程序包括用于获得与来自井的天然气的开采相关联的模型的计算机可读程序代码，该井具有控制包括来自井的天然气的材料的流量的扼流阀。该计算机程序还包括用于使用模型来识别增加在指定时间范围内从井获得的天然气量的解的计算机可读程序代码。另外，该计算机程序包括用于基于所识别的解来调整扼流阀的操作的计算机可读程序代码。

根据以下附图、描述和权利要求，其他技术特征可以很容易地对本领域的技术人员显而易见。

附图说明

为了更完整地理解本公开，现在对结合附图进行的以下描述做出参考，在附图中：

图1A和1B图示出根据本公开的示例石油和气开采系统；

图2图示出根据本公开的用于增加天然气的采收率的示例方法；以及

图3图示出根据本公开的标绘随时间推移的扼流阀位置的示例图表。

具体实施方式

下面讨论的图1至3和本专利文献中的用来描述本发明的原理的各种实施例仅仅是以举例说明的方式，并且不应以任何方式将其理解成限制本发明的范围。本领域的技术人员将理解的是可以在任何类型的适当布置的设备或系统中实现本发明的原理。

图1A和1B图示出根据本公开的示例石油和气开采系统100。图1A和1B中所示的开采系统100的实施例仅仅是用于举例说明。在不脱离本公开的范围的情况下可以使用开采系统100的其他实施例。例如，虽然图1A和1B可以图示出石油和气开采系统的一个示例，但还可以使用用于基本上仅开采天然气的系统。

如图1A中所示，开采系统100包括多个开采井102或与之相关联。开采井102表示由此从地底提取材料（包括天然气）并进行处理的井。可以使用任何适当数目和布置的开采井102。例如，开采井102可以是宽间隔的，并且向中央处理设施中馈送材料。还可以在井场（well pad）上将开采井102一起分组（诸如按照八个或十六个井的组）并向处理设施中馈送材料。

阀104的网络控制从开采井102进行的材料提取和所提取材料到处理设备的输送。阀104的网络包括用于每个开采井102的地面扼流阀106。每个扼流阀106控制包括来自关联开采井102的天然气的材料的流量。

在本示例中，从开采井102提取的材料在开采系统100的分离器部108内被处理。在本特定实施例中，分离器部108包括以多级布置的多个分离器109。分离器109进行操作以将材料分离成其组成部分。例如，分离器109能够被用来将所提取材料粗略地划分成水、石油和天然气。水能够被提供给处理部110，其在经由一个或多个注水井112回注到地里之前对水进行处理。处理部110包括各种分离器111a、泵111b、阀111c以及各种其他设备。从开采井102提取的石油能够被储存在一个或多个储罐114中。该石油然后能够经由泵115被输出和售卖或者以其他方式被使用。

从开采井102提取的天然气能够使用天然气处理部116中的设备来被处理。该设备可以包括换热器117a、分离器117b、压缩机117c以及阀117d。某些气体能够经由一个或多个注气井118被回注到地里。其余气体能够被输出和售卖或以其他方式被使用。

图1B图示出关于单个开采井102的附加细节。如图1B中所示，开采井102常常与多个不同的过程变量相关联，其在图1B中用圆圈来表示。过程变量表示与开采系统100相关联的不同特性。过程变量常常被分类为被操纵变量（MV）、被控制变量（CV）以及干扰变量（DV）。被操纵变量一般表示能够被调整的过程变量。被控制变量一般表示被测量和控制（通过变成一个或多个被操纵变量）使得被控制变量被保持在指定值或指定极限内的过程变量。此变量的示例是当使用阀打开的量（被操纵变量）来控制流速（被控制变量）时的情况。干扰变量一般表示能够影响被控制变量且能够被考虑但不被控制的变量，诸如环境温度或大气压强。

过程变量常常具有至少一台关联设备。例如，能够使用传感器来测量被控制变量或干扰变量，并且能够使用致动器来调整被操纵变量。在图1B中一般地用包含圆圈的正方形来表示传感器、致动器及其他设备。在本示例中，扼流阀106与过程变量150相关联，其表示扼流阀106被打开或闭合的量。能够使用阀致动器152来控制扼流阀106，该阀致动器152能够调整扼流阀106的打开或闭合。

如上所述，从其他致密气藏进行的页岩气提取或天然气提取在技术上和商业上均可能是有挑战性的。本公开提供了一种用于监视天然气提取设备并及时地对一个或多个扼流阀设置进行调整的技术。特别地，这能够帮助增加页岩气现场或其他致密气藏中的来自一个或多个井的天然气的最终采收率或使其最大化。

根据本公开，使用至少一个控制器120来控制与一个或多个井102相关联的一个或多个扼流阀106的操作。在常规系统中，扼流阀常常在其全开位置中或另外的固定位置中被操作。虽然这可能增加来自致密气藏的天然气的初始开采，但其通常减少来自现场的总最终采收率。一个或多个控制器120能够与开采系统的模型一起使用并动态地调整一个或多个扼流阀106以帮助增加来自一个或多个井102的天然气的开采或使其最大化。

任何适当控制技术能够被一个或多个控制器120用来控制一个或多个扼流阀106的操作。例如，一个或多个控制器120可以实现模型预测控制（MPC）技术并使用非线性模型来预测井102的运转状态并控制其扼流阀106。作为特定示例，可以使用来自HONEYWELL INTERNATIONAL公司的一个或多个RC500 RTU、EXPERION、EXPERION LITE、PROFIT或PROFIT NON-LINEAR CONTROLLER（NLC）控制器来实现一个或多个控制器120。

一个或多个控制器120包括用于控制一个或多个扼流阀的操作的任何适当的一种或多种结构。可以使用硬件或硬件和软件/固件指令的组合来实现控制器120。在本示例中，控制器120包括至少一个处理单元122、至少一个存储器单元124以及至少一个网络接口126。至少一个处理单元122包括任何适当的的一种或多种处理结构，诸如至少一个微处理器、微控制器、数字信号处理器、专用集成电路或现场可编程门阵列。至少一个存储器单元124包括任何适当的一种或多种易失性和/或非易失性存储和检索设备，诸如至少一个硬盘、光学存储磁盘、RAM或ROM。至少一个网络接口126包括用于通过一个或多个网络进行通信的任何适当的一种或多种结构，诸如至少一个有线以太网接口或无线接口。然而，请注意，这代表能够实现控制器120的一个特定方式。

控制器120被耦合到至少一个网络128，其促进系统100的部件之间的通信。网络128表示促进系统100中的部件之间的通信的任何适当网络或网络组合。网络128可以例如表示有线或无线以太网络、电信号网络（诸如HART或FOUNDATION FIELDBUS网络）、气动控制信号网络、光学网络或任何其他或附加的一种或多种网络。作为特定示例，网络128可以被用来支持控制器120与扼流阀致动器152之间的通信。

虽然图1A和1B图示出石油和气开采系统100的一个示例，但可以对图1A和1B进行各种改变。例如，如上所述，由控制器120实现的用于控制一个或多个扼流阀106的技术能够与任何其他适当系统一起使用，诸如用于基本上仅开采天然气的系统。并且，图1A和1B中所示的布置和功能划分仅仅是用于举例说明。根据特定需要，图1A和1B中的各种部件可以被组合、进一步细分、重新布置或省略，并且能够添加附加部件。

图2图示出根据本公开的用于增加天然气的采收率的示例方法200。一般地，能够使用一个或多个控制器120来实现方法200以帮助增加来自一个或多个开采井的天然气的开采或者甚至使其最大化。为了易于解释，相对于图1的开采系统100来描述方法200。然而，可以将方法200与任何其他适当的开采系统一起使用，诸如基本上仅开采天然气的系统。

如图2中所示，在步骤202处生成输出天然气的开采系统的至少一个模型并对其进行校准。这例如能够使用与开采系统100相关联的当前和/或历史测量结果来完成。在步骤204处使用模型来识别最佳解。这可以包括例如确定用于一个或多个开采井102中的每一个的最佳开采速率或扼流阀设置。在步骤206处实现最佳解，诸如通过调整用于每个井102的扼流阀106以实现期望的最佳开采速率或扼流阀设置。能够以任何适当方式来调整扼流阀106，诸如通过向阀致动器152输出控制信号。

在步骤202中，能够使用任何适当数据来生成开采网络中的一个或多个井102的数学模型并对其进行校准。在某些实施例中，能够使用地质数据来生成模型。示例地质数据可以包括井深、破裂程度、支撑剂的量和物理特性以及初始测量的历史（诸如压强、温度、页岩气以及水产量）。在其他实施例中，能够使用依赖于正常操作数据（诸如历史或当前开采数据）的较简单模型而不是地质数据或参数来构造模型。然而，请注意，能够使用任何适当的数据或数据组合（诸如地质数据和正常操作数据）来生成模型。在特定实施例中，此信息被用来对数学最优化模型进行配置和校准。数学模型可以是多周期、非线性的动态最优化模型，诸如可在HONEYWELL PROFIT NLC控制器中配置的模型。

在步骤204中，如上所述，可以按照各种方式来定义最佳解，诸如按照用于井的最佳开采速率或最佳扼流设置。在步骤204期间，能够执行数学算法以使用先前生成的模型来找到指定最优化时间范围内的用于每个井102的接近或最有利润的一个或多个开采速率或一个或多个扼流阀设置。最优化时间范围可以在一至三年范围内，但是其可以更多或更少。在特定实施例中，数学算法可以是微分/代数最优化算法，诸如在HONEYWELL PROFIT NLC控制器中被体现。并且，在特定实施例中，将微分/代数最优化解算器用于对数学最优化模型进行求解并确定用于该模型的最优解。

在步骤206中，诸如通过使用类似于HONEYWELL PROFIT控制器的多变量模型预测控制（MPC）控制器来实现解。多变量MPC控制器能够服务于各种功能，诸如在监视和控制各种过程变量的同时实现最佳开采速率或最佳扼流设置。在特定实施例中，步骤206可以包括检查所有在线测量结果并选择一组被操纵变量、被控制变量以及干扰变量；设计多变量MPC控制器；以及配置多变量MPC控制器。

这些步骤202—206可以按照各种方式来实现。首先，可以按照除开启一个或多个控制器并定义用于过程变量的任何极限之外将不要求操作员干预的全自动方式（在线闭环模式）来执行步骤202—206。其次，可以按照半自动方式（在线开环模式）来执行步骤202—206，其中，自动地执行步骤202—204，并且将最佳解呈现给操作员以便在操作员或管理员已经批准该解之后进行实现。第三，可以按照将自动地执行步骤202—204并向操作工作人员提供最佳解作为咨询通告、但是将不会自动地实现该解的半自动方式（在线咨询模式）来执行步骤202—206。第四，可以按照离线方式（离线咨询模式）来执行步骤202—204，并且能够向操作工作人员提供最佳解作为咨询通告。在此第四方案中，可以在与控制开采系统100的计算机系统分离或远离的设备或系统上执行步骤202—204。

在特定实施例中，可以使用计算机系统来实现此功能，诸如形成开采系统范围计算机网络的一部分的控制系统。在部件的安装之后，可以测试已安装控制系统并使得其在前述模式之一（在线闭环、在线开环、在线咨询或离线咨询模式）中可操作。

如上所述，可以使用一个或多个模型来控制一个或多个开采井102的一个或多个扼流阀106。在特定实施例中，使用质量平衡或标准体积单位平衡，可以如下导出模型。下面假设正在对页岩气藏进行建模，虽然可以利用其他致密气藏来进行相同或类似的计算。

具有体积                                               的气藏被建模为具有岩石或页岩空隙度的连续搅动床层。页岩包含气体（吸附相），并且最初在给定压强下与气藏空隙空间中的气体平衡。当存在浓度梯度时，页岩相中的气体解除吸附并通过质量传递机制传递至空隙空间中。质量传递系数可以是压强相关的，以反映用于低压强的低渗透性条件。该模型还可以考虑气流中的水，以便能够在开采最优化问题中处理关于水加载的约束。

用于气藏空隙空间中的气体的质量平衡能够被表达为：

。

空隙空间中的质量（具有密度）的藏量能够被表达为：

。

能够使用以下流量公式来确定来自井的气体质量流速：

。

C_V与扼流阀位置有关，取决于为阀选择的特性公式：

。

针对线性扼流阀106，函数能够被表达为：

。

能够将有效ΔP（）确定为实际压降和临界压降的最小值：

。

变量θ是气体热容比的函数，并且能够被定义为：

。

能够如下导出用于处于吸附相的气体的动态质量平衡。首先，能够将页岩/岩石中的气体的藏量表达为：

。

在此公式中，是页岩/岩石的按照每单位质量的标准体积单位的处于吸附相的气体的浓度，并且是标准条件下的气体密度。能够通过对以上公式求微分来找到吸附在页岩中的气体的变化率：

。

破裂页岩气体积密度能够如下与破裂页岩孔隙度、吸附气体密度以及页岩材料密度相关：

。

能够用以下质量传递模型来定义页岩的每单位质量的气体体积藏量的变化率：

。

质量传递系数可以是压强相关的，以反映来自吸附相的质量传递上的减少和由于压强相关渗透率效应而引起的空隙相。质量传递系数公式能够被表达为：

。

能够使用朗缪尔等温线（Langmuir isotherm）来确定平衡比容积，并且能够将单部位形式表达为：

。

通过对用于气井的气体含量对比压强进行标绘，能够看到气体从页岩的解除吸附，并且从该标绘能够导出朗缪尔吸附参数V_L和P_L。值V_L可以表示随着压强增加至无穷大的气体含量的渐近值。值P_L可以表示获得V_L值的50%时的压强值。

一般可以按照非线性、隐式微分/代数公式形式来表达最终创建的模型。例如，该模型一般可以被表达为：

其中，表示诸如开采速率的整合变量，表示的时间导数，表示诸如扼流设置和气藏压强的被操纵变量或其他代数变量，并且表示时间。

通过如上所述地使用一个或多个控制器120来实现用于模型的最佳解，能够随时间推移而动态地调整扼流阀106的位置。其示例在图3中被示出，图3图示出根据本公开的随时间（范围）推移对扼流阀位置（竖直）进行标绘的示例图表300。如这里所示，阀位置保持在其初始位置达30天，后面是以30天间隔的定期调整。当然，可以频繁地或多或少地做出调整。

虽然图2图示出用于增加天然气的采收率的方法200的一个示例，但可以对图2做出各种改变。例如，可以使用用于任何适当开采系统的任何适当控制器或控制器的组合来实现方法200。并且，虽然被示为一系列步骤，但图2中的各种步骤可以重叠、并行地发生或者发生多次。虽然图3图示出随时间推移对扼流阀位置进行标绘的图表300的一个示例，但可以对图3做出各种改变。例如，图3中所示的性能仅仅是用于举例说明。

在某些实施例中，上述各种功能是被由计算机可读程序代码所形成且在计算机可读介质中所体现的计算机程序所实现或支持。短语“计算机可读程序代码”包括任何类型的计算机代码，包括源代码、目标代码以及可执行代码。短语“计算机可读介质”包括能够被计算机访问的任何类型的介质，诸如只读存储器（ROM）、随机存取存储器（RAM）、硬盘驱动器、致密磁盘（CD）、数字视频磁盘（DVD）或任何其他类型的存储器。

阐述遍及本专利文献所使用的某些词语和短语的定义可能是有利的。术语“耦合”及其派生词指的是两个或更多元件之间的任何直接或间接通信，无论那些元件是否与彼此物理接触。术语“包括”和“包含”以及其派生词意指在没有限制的情况下的包括。术语“或”是包括性的，意指和/或。短语“与...相关联”和“与之相关联”以及其派生词可以意指包括、被包括在内、与...互连、包含、被包含在内、连接到或与...相连、耦合到或与...耦合、与...通信、与...协作、交错、并列、接近于、绑定于或与...绑定、具有、具有...的性质、具有对于...的关系或与...具有关系等。术语“控制器”意指控制至少一个操作的任何设备、系统或其部分。控制器可以按照硬件、固件、软件或其中至少两者的某个组合来实现。与任何特定控制器相关联的功能可以是集中式或分布式的，无论是在本地还是在远程。

虽然本公开已描述了某些实施例和一般关联的方法，但这些实施例和方法的变更和置换对于本领域的技术人员而言将是显而易见的。相应地，示例实施例的以上描述并未限定或约束本公开。在不脱离由以下权利要求所限定的本公开的精神和范围的情况下，其他改变、替换以及变更也是可能的。