DE1008861B

DE1008861B - Verfahren zur Gewinnung von kohlenwasserstoffhaltigen Stoffen aus Teersand in seiner natuerlichen Lagerstaette im Erdboden

Info

Publication number: DE1008861B
Application number: DES39298A
Authority: DE
Inventors: Dr-Ing Goesta Joha Salomonsson
Original assignee: Svenska Skifferolje AB
Current assignee: Svenska Skifferolje AB
Priority date: 1953-05-25
Filing date: 1954-05-24
Publication date: 1957-05-23

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Gewinnung von kohlenwasserstoffhaltigen Stoffen aus Teersand an seiner natürlichen Lagerstätte im Erdboden.

Verschiedenartige Abbau- und Gewinnungsmethoden zur Ausbeutung von Teersandvorkommen und Gewinnung des Teers sind bereits vorgeschlagen worden. Die durch ihre Anwendung erzielten Ausbeuten erwiesen sich jedoch als zu klein im Verhältnis zu den Kosten des bergmännischen Abbaus, des Transports, der Behandlung und schließlich der Beseitigung des Sandes. Unter den erwähnenswerten Behandlungsverfahren befinden sich Abscheidung mittels heißen Wassers, kalten Wassers oder Lösungsmitteln und anschließende Pyrolyse (auch Tieftemperaturverkokung genannt) in Retorten. Der bergmännische Abbau und die Behandlung dieses klumpenförmigen Materials hat eine Reihe schwieriger technischer Probleme aufgeworfen. Bei allen diesen bekannten Verfahren gehört der bergmännische Abbau und Abtransport des ao geförderten Materials zu den einleitenden Maßnahmen. Nach der Abscheidung muß der schwere Teer in leichtere Verbindungen übergeführt (gekrackt) werden, bevor er durch weitere Behandlung zur Erzeugung marktgängiger Produkte raffiniert werden kann.

Die Erfindung geht im Gegensatz zu diesen bekannten Verfahren davon aus, daß der Teersand an Ort und Stelle erhitzt wird.

Es ist an sich bereits bekannt, bituminöse Lagerstätten an Ort und Stelle durch untertägige Ver-Schwelung oder Ent- und Vergasung auszubeuten. Die hierfür vorgeschlagenen Verfahren setzen das Niederbringen von Bohrlöchern oder Schächten in die auszubeutende Lagerstätte oder das Vorhandensein von »Durchörterungen« in ihr voraus. Die strukturelle Beschaffenheit der Teersandvorkommen schließt aber das Niederbringen von Schächten oder Bohrlöchern oder die »Durchörterung« aus. Für Teersand ist die unkonsolidierte Beschaffenheit kennzeichnend, d. h., seine Partikel sind nicht zu einem festen Gefüge oder zu stabilem Gestein verbunden. Vielmehr besteht der Teersand aus einzelnen Sandkörnern, von denen gewöhnlich jedes mit einer dünnen Wasserhaut umgeben ist, um welche wiederum eine dickflüssige, bituminöse Substanz teerartiger Beschaffenheit eine das Wasser einschließende Hülle bildet. Infolge dieser zähflüssigen Beschaffenheit würden Ansätze zu Schächten, Bohrlöchern und Durchörterungen nach kurzer Zeit von seitlich heranquellenden Sandmassen zusammengedrückt und völlig zum Verschwinden gebracht werden.

Die Erfindung bezweckt die Überwindung dieser Schwierigkeit, die bisher die nutzbringende Verwertung der mengenmäßig größten Vorkommen der Welt Verfahren zur Gewinnung

von kohlenwasserstoffhaltigen Stoffen

aus Teersand in seiner natürlichen

Lagerstätte im Erdboden

Anmelder:

Svenska Skiff er öl je A. B.,
örebro (Schweden)

Vertreter: Dr.-Ing. H. Negendank, Patentanwalt,
Hamburg 36, Neuer Wall 41

Beanspruchte Priorität:
V. St. v. Amerika vom 25. Mai 1953

Dr.-Ing. Gösta Johan Wilhelm Salomonsson,

Hällabrottet (Schweden),
ist als Erfinder genannt worden

an bituminöser Substanz vereitelt haben, und sie erreicht dieses Ziel auf einem ganz neuen Wege, indem gemäß der Erfindung zunächst durch Erhitzung des Teersandes auf eine Temperatur zwischen etwa 250 und 400° mit Hilfe rohrförmiger Heizelemente eine Anzahl säulenförmiger Heizzonen geschaffen wird, in denen der Teer unter Bildung einer rohrförmigen, die Heizzonen umgebenden Wand von hartem Sandkoks verschwelt, und durch die größere Durchlässigkeit des Sandkokses gegenüber dem unbehandelten Teersand, die bei der Verschwelung erzeugten Dämpfe und Gase zu einigen der durch Entfernen der Heizelemente zu Gasabzugslöchern umgebildeten säulenförmigen Heizzonen gefördert werden.

Vorteilhaft erfolgt die Bildung der Sandkokswand durch bewegliche Heizelemente. Hierbei hat es sich als zweckmäßig erwiesen, daß die Sandkokswand durch bewegliche Einlaßrohre für Sauerstoff enthaltende Gasgemische hervorgebracht wird.

Handelt es sich um größere Teersandlager, verfährt man zweckmäßig in der Weise, daß verschiedene Teile des Teersandlagers nacheinander so erhitzt werden, daß sie einen ununterbrochenen Kokskörper zwischen dem unter Erhitzung befindlichen Teil des Teersandvorkommens und dem nächsten Gasabzugsloch bilden. Hierbei werden besonders gute Ergebnisse dadurch erzielt, daß die säulenförmigen Heizzonen derart über der Oberfläche des Teersand-

709 510/183

Vorkommens verteilt werden, daß sie die Ecken gleichseitiger oder nahezu gleichseitiger geometrischer Figuren, wie Dreiecke, Vierecke oder Sechsecke, bilden. Diese Anordnung ermöglicht es, die die Eckpunkte der geometrischen Figuren bildenden Zonen durch Entfernen der Heizkörper in Gasabzugslöcher umzuwandeln und in ihrer Mitte je eine säulenförmige Heizzone auszubilden. Auf diese Weise wird eine besonders gleichförmige Ausbeutung der Lagerstätte sichergestellt.

Die Wirtschaftlichkeit des erfindungsgemäßen Verfahrens läßt sich erheblich dadurch steigern, daß die durch die Verschwelung des Teers gebildeten Koksrückstände unter Zuführung von sauerstoffhaltigen Gasgemischen an Ort und Stelle verbrannt werden, um Wärme und wertvolle Gase zu entwickeln. Eine besonders vorteilhafte Ausnutzung der durch die Verbrennung des Koksrückstandes entwickelten Wärme erhält man, wenn sie dazu benutzt wird, die Viskosität des Teers herabzusetzen und ihn zu einem berohrten Gasabzugsloch zu treiben, von wo er zwecks Verarbeitung über Tage heraufgepumpt wird.

Weitere Aufgaben, Zwecke und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung einiger unter Bezugnahme auf die Zeichnungen veranschaulichter Ausfülirungsbeispiele. In den Zeichnungen stellt dar

Fig. 1 eine Draufsicht einer Anordnung von Heizkörpern zur Durchführung der Erfindung über einem Teersandvorkommen,

Fig. 2 eine Draufsicht einer anders geformten Anordnung,

Fig. 3 eine Draufsicht einer weiteren Anordnung, Fig. 4 einen Vertikalschnitt durch ein der Behandlung gemäß der Erfindung unterworfenes Teersandvorkommen und

Fig. 5 bis 9 Vertikalschnitte durch Teersandvorkommen zur Veranschaulichung weiterer Behandlungsmaßnahmen gemäß der Erfindung.

In Übereinstimmung mit der Erfindung werden kohlenwasserstoffhaltige Produkte aus Teersandvorkommen an ihrer natürlichen Lagerstätte im Erdboden dadurch gewonnen, daß der Teersand in situ erhitzt wird, um den Teer in dem Sand durch Pyrolyse umzuwandeln und pyrolisierte Kohlenwasserstoffe zu bilden, welche gesammelt und gewonnen werden.

Gemäß der Erfindung können ungleiche Arten von Teersandvorkommen, wie sie in verschiedenen Teilen der Welt angetroffen werden, ausgebeutet werden. Das wichtigste Vorkommen wird von den Athabasca-Teersanden in Nord-Alberta, Canada, gebildet. Dieser Teersand von Athabasca ist recht typisch für das Material, das gemäß der vorliegenden Erfindung ausgebeutet werden kann. Da dieses Vorkommen zugänglich gemacht und verhältnismäßig gut untersucht ist, soll es im folgenden zur Veranschaulichung der Erfindung benutzt werden. Der Teersand besteht dort aus einem innigen Gemisch von feinem Ouarzsand, der 80 Gewichtsprozent ausmacht, einem schweren und dickflüssigen schwarzen Teer, der durchweg 12 bis 17 Gewichtsprozent darstellt, und kleineren Mengen Wasser von 2 bis 5 Gewichtsprozent. Der Teer weicht in vieler Beziehung von Öl ab und ist ein seinem Wesen nach ganz anderes Material. Bei Zimmertemperatur ist er halbfest. Die Athabasca-Lager sind ungefähr 30 bis 70 m dick und überlagert von einer 0 bis 70 m dicken Deckschicht, die aus Kies, Schiefer, Kalkstein usw. bestehen kann.

Es wurde gefunden, daß die physikalischen und chemischen Eigenschaften dieser Teersande wesentliehe Veränderungen gegenüber den bisher vorgeschlagenen Behandlungsverfahren für solche Teersande erfordern, um aus ihnen in situ kohlenwasserstoffhaltige Produkte zu gewinnen, d. h. ohne bergmännischen Abbau aus dem Erdboden und Abtransport zwecks Behandlung an einer anderen Stelle.

Gemäß der vorliegenden Erfindung wird statt des Abbaus und der anschließenden Behandlung des Sandes die Abscheidung der kohlenwasserstoffhaltigen Produkte aus dem Teer direkt im Erdboden vorgenommen. Das vorzugsweise benutzte Verfahren umfaßt eine Pyrolyse, d. h. ein Kracken des Teers_zur Umwandlung in leichtere Kohlenwasserstoffe durch Erhitzung der Sandlager auf solche Temperaturen, daß der Teer in dem Teersand zerlegt oder gekrackt wird. Die flüchtigen Krackprodukte werden sogleich abdestilliert und gesammelt, z. B. in das Vorkommen durchdringenden Bohrlöchern, die an ein Rohrnetz angeschlossen sind.

Bei der Pyrolyse des Teers in dem Sand an seinen natürlichen Lagerstätten wird Wärme zugeführt, um den Teer aufzuspalten. Vorzugsweise liegt die Temperatur für die Pyrolyse zwischen etwa 250 und etwa 380°, aber je nach der Art der angestrebten Ausbeute können auch andere Temperaturbereiche in Betracht kommen. Wenn der Teer zwischen den Sandkörnern über 100° erhitzt wird, gibt er seinen Wassergehalt (normal zwischen 2 bis 5 Gewichtsprozent des Sandes) ab. Bei noch höheren Temperaturen wird der Teer flüssiger und beginnt infolge des Einflusses der Schwerkraft, sich zwischen den Sandkörnern abwärtszubewegen. Bei etwa 250° setzt die thermische Aufspaltung ein, und als ein Ergebnis der Pyrolyse werden Dämpfe von Kohlenwasserstoffen (von Methan bis hinauf zu schweren Kohlenwasserstoffen wie öl) und verwandte Verbindungen gebildet sowie Sauerstoff-, Stickstoff- und Schwefelverbindungen. Zu den gewöhnlich erhaltenen Produkten gehören ferner Phenole, Ammoniak und Wasserstoffsulfid. Die Dämpfe werden aus den zur Durchführung des Verfahrensbenutzten Bohrlöchern oder besonderen Gassammellöchern gewonnen. Während ihrer Bewegung zur Sammelzone, wobei sie mit kälteren und dichteren Teilen des Teersandes in Berührung kommen, werden die schwereren Bestandteile der Dämpfe zu flüssigem Zustand kondensiert. In dieser kondensierten Flüssigkeit löst sich der Teer teilweise, er wird dünner und fließt leichter. Nach der Pyrolyse bleibt in dem Sand ein koksähnliches oder Kohlenstoff enthaltendes Gebilde zurück, das später verbrannt werden kann.

Die für die Pyrolyse erforderliche Wärme kann der Heizzone in jeder beliebigen Weise zugeführt werden. Es können z. B. in Röhren in Bohrlöcher eingeführte elektrische Heizkörper angewendet werden, ferner mit Gas beheizte Heizkörper, überhitzter Dampf usw. Die Wärme kann auch durch Verbrennung unbehandelten Teers oder irgendwelcher nach der Krackung in dem Sand zurückgebliebener Rückstände erhalten werden. Von diesen Rückständen nach der Krackung ist vor allem die Kohle für den in Rede stehenden Zweck bequem zugänglich. Bei Verbrennung derartiger kohlehaltiger Rückstände zur Erzeugung der in anderen Teilen des Verfahrens benötigten Wärme wird gewöhnlich nicht die ganze Wärmemenge erhalten, die für die Pyrolyse des Teers in dem Sand notwendig ist. In solchen Fällen kann zusätzliche Wärme durch Verwertung bei der Pyrolyse des Teers erzeugter brennbarer Gase oder auch von anderen Quellen zugeführt werden. Da bei der Pyrolyse des Teers neben den Kohlenwasserstoffdämpfen brennbare Gase, die

außer für Verbrennung kaum verwertbar sind, erzeugt werden, ist es vorteilhaft, diese brennbaren Gase von den flüchtigen Kohlenwasserstoffen zu trennen und, wie oben beschrieben, als zusätzliche Wärmequelle zu benutzen.

Die Heizkörper können in jeder gewünschten Weise in voneinander getrennten Heizzonen angeordnet werden, und zwar zweckmäßig in geometrischen Mustern. Diese Heizzonen stehen durch Durchlässe im Erdboden mit einer Sammelzone für Gas oder Dampf in Verbindung, so daß jede solche Sammelzone von voneinander getrennten Heizzonen umgeben ist. Das Muster kann beispielsweise ein regelmäßiges Dreieck, ein Quadrat oder ein Sechseck sein, wobei das dreieckige, viereckige oder sechseckige Muster Vorzugsweise das ganze der Behandlung unterworfene Feld deckt. In der in Fig. 1 gezeigten Anordnung sind Heizkörper 1 im Sechseck angeordnet, während Gasauslässe 2 in der Mitte jeder geometrischen Figur des Musters vorgesehen sind. In der Fig. 2 ist ein Adereckiges Muster mit Heizkörpern 3 und Gasauslässen 4 veranschaulicht. Ein Heizkörper kann in jeder Ecke jedes Dreiecks, Quadrats oder Sechsecks angeordnet und eine Gasgewinnungszone oder ein Gasloch in der Mitte jedes Dreiecks, Quadrats oder Sechsecks gelegen sein. Die Fig. 3 zeigt ein Dreiecksmuster, bei dem in jeder Ecke des Dreiecks ein kombiniertes Element, das einen Heizkörper 5 und ein Gassammelrohr 6 umfaßt, angeordnet sein kann. Die Dauer der Erwärmungszeit und der Abstand zwischen den Heizkörpern sind abhängig von der spezifischen Belastung des Heizkörpers, d. h. der elektrischen Energie oder den Brennstoffkalorien, die je Stunde einer Einheit bestimmter Länge des Körpers zugeführt werden. Beispielsweise können bei elektrischer Heizung Belastungen von 0,5 bis 2,5 kW/m benutzt werden. Diese Angaben sind jedoch nur beispielsweise gemacht und können unter besonderen Bedingungen und bei besonderen durchzuführenden Maßnahmen erheblich abweichen. Der optimale anzuwendende Belastungswert läßt sich jeweils durch Feldversuche unter den vorliegenden besonderen Behandlungsbedingungen des auszubeutenden Feldes ermitteln.

Die Bedingung, welche die Dauer der Erwärmung bestimmt, ist dadurch gegeben, daß zweckmäßig jeder Teil des Sandlagers auf die für die vollständige. Pyrolyse des Teers erforderliche Temperatur erhitzt werden soll. Vorzugsweise liegt diese Temperatur bei etwa 300 bis 400°. Die Dauer der Erwärmungszeit schwankt naturgemäß mit der Beschaffenheit des einzelnen Vorkommens und der zu seiner Ausbeutung erforderlichen Maßnahmen, liegt aber durchweg innerhalb ziemlich mäßiger Grenzen, z.B. 1 bis 40 Wochen. Die vorstehenden Angaben gelten insbesondere für indirekte Beheizung, z. B. mittels Heizkörpern, die in Heizzonen oder Bohrlöcher eingebracht werden. Falls die Wärme an Ort und Stelle in der geologischen Formation selbst erzeugt wird, z. B. durch Verbrennung der brennbaren Gase oder des Koks- und Kohlerückstandes von der Pyrolyse des Teers oder durch Kombination mehrerer dieser Wärmezufuhrmöglichkeiten, läßt sich die Wärmeübertragung in verschiedener Weise verbessern. In solchen Fällen kann die höchste Temperatur in der Verbrennungszone höher liegen und braucht keine Rücksicht auf die Haltbarkeit der Röhren genommen zu werden. Die Verbrennungszone bewegt sich langsam und gleichmittig nach außen von den Stellen aus, an denen sie begonnen hat, so daß hierdurch der Wärmeübertragungsabstand verringert wird. Die Verbrennungsgase strömen zu den Gasauslässen und übertragen hierbei Wärme von den heißesten zu den kältesten Teilen des Minerals. Demzufolge verbessern "diese Formen der Wärmebehandlung die Erwärmungsverhältnisse und kürzen die Dauer der Erwärmungszeiten erheblich ab. Bei der Benutzung eines mit der A^erbrennung, vorzungsweise von Gas arbeitenden Heizelementes kann eine spezifische Belastung entsprechend etwa l,0kW/m beispielsweise dadurch erhalten werden, daß man eine Luftmenge von etwa 15 m³ und eine Brenngasmenge von etwa 1 m³ je Minute auf 1 m Länge des Heizelementes einbläst. Die Luft und das Brenngas können in einem am unteren Ende des Heizelementes ausgebildeten Brennerkopf miteinander vermischt und entzündet werden. In dieser Weise wird die Verbrennung der Kokskohle eingeleitet. Wenn der Koks entzündet ist, breitet sich die Verbrennungszone allseitig aus.

Die Verbrennungsgase müssen den Strömungswiderstand des noch unverbrannten Kokses und in größerem Abstand von dem Heizelement den des mit unbehandeltem Teer vermischten Sandes überwinden. Sobald die Gase diese Schranke durchdrungen haben, wird dank der Einwirkung der heißen Gase der Durchlaß sehr schnell erweitert. Der Teer wird verflüssigt und weggepreßt.

Sowohl der Sand als auch der nach der Pyrolyse vorhandene Koks sind durchlässig für öldämpfe, Verbrennungsgase usw. Der Koks ist jedoch durchlässiger als der Sand. Dieser Umstand läßt sich ausnutzen zur Schaffung derart ausgebildeter Durchlässe in den ölhaltigen geologischen Schichten, daß sich die öldämpfe und die Gase vorzugsweise in Richtung zu den Gasauslaßstellen hin bewegen.

Durch die Erhitzung wird der Sand in ein koksartiges Gebilde umgewandelt. Auf diese Weise bildet sich um das Loch, das den Heizkörper aufnimmt, eine Kokswand. Diese Wand fängt an, sich bereits während des Bohrens des Loches zu bilden, sofern zum Bohren das an sich bekannte Verfahren mit einem heißen Gasstrahl benutzt wird. Wenn die Erhitzung durch den Heizkörper erst nach dem Bohren des Loches beginnt, wird die Dicke des Kokslagers um so größer, je länger die Erhitzung andauert. Um das den Heizkörper enthaltende Rohr wird auf diese Weise ein Durchlaß für einen Gasfluß in vertikaler Richtung, und zwar nach oben und nach unten geschaffen. Gleichzeitig mit der Bildung des Kokses findet die Pyrolyse des Teers statt, und hierdurch werden freie öldämpfe und brennbare Gase entwickelt. Dadurch wird in der Zone, wo die Pyrolyse vor sich geht, ein Überdruck erzeugt, der die flüchtigen Erzeugnisse dazu zwingt, in alle Richtungen, wohin Durchlässigkeit vorhanden ist, zu strömen.

Diese Beeinflussung des erhitzten Teers und/oder der erzeugten Teerprodukte kann auch durch das Einlassen von Gas unter Druck erfolgen.

Falls der Gasauslaß oben im Sandlager gelegen ist, ist der vertikale Gasdurchlaß zweckmäßig von der Pyrolysenzone zum Auslaßpunkt hin geöffnet. Dies ist der Fall, wenn sich die Pyrolysenzone, d. h. der Teil des Heizelements, der der Erhitzung unterworfen ist, eine Verschiebung nach unten erfährt. Befindet sich der Auslaßpunkt dagegen unten am Sandlager, soll die Pyrolysenzone nach oben durch den Sand wandern, damit der notwendige Durchlaß für die Gase geschaffen wird. Diese Wanderung der Pyrolysenzone läßt sich dadurch hervorbringen, daß man den Brenner innerhalb des Heizrohres absenkt bzw. hebt. Falls die Wärme durch Verbrennung von Koks oder Gas direkt

7 8

in den Sandlagern erzeugt wird, kann der Brenner, sand, an. Die Gesamtausbeute an Öl (Benzin und

der Luft (und Gas) für die Verbrennung liefert, in schwerere Fraktionen) beträgt zwischen 65 und

derselben Weise und zu demselben Zweck aufwärts 85 Volumprozent.

oder abwärts bewegt werden. Hierfür geeignete Vor- Die entsprechenden Ausbeutezahlen für die Gewinrichtungen werden weiter unten beispielsweise be- 5 nung gemäß der Erfindung an Ort und Stelle sind: schrieben werden. Benzinausbeute = 28 bis 30 Volumprozent und ge-Die bei der Pyrolyse des Teers an Ort und Stelle samte ölausbeute = 80 Volumprozent. Die wesentlich erzeugten Kohlenwasserstoffgase, brennbaren Gase höhere Ausbeute an leichten und wertvollen Kohlenusw. können in jeder beliebigen Weise gesammelt Wasserstoffen wie Benzin, ist bedingt durch solche werden. Es ist möglich, Dämpfe und Gase in solcher io Merkmale der Behandlung an Ort und Stelle, wie Weise zu sammeln, daß eine zum mindesten teilweise lange Dauer und Wärmebehandlung und verhältnis-Abscheidung der Dämpfe von den Gasen in der Heiz- mäßig niedrige Temperatur während der Pyrolyse, zone stattfindet. Dies kann dadurch erzielt werden, Als Beispiel der Eigenschaften eines Öls, das bei der daß bei Verwendung von Luft oder Sauerstoff einer- Behandlung an Ort und Stelle erhalten werden kann, seits und brennbaren Gasen andererseits die Eintritts- 15 seien die folgenden, durch Analyse ermittelten Eigenstellen für diese die Verbrennung unterhaltenden Gase schäften eines bei einem Feldversuch angefallenen Öls und die Abzugsstellen für die entwickelten Dämpfe genannt:
und Gase in bestimmter Weise zueinander angeordnet
werden, wie genauer unten angegeben werden wird. Spez. Gewicht 20° C ... 0,87

Die kohlenwasserstoff haltigen Dämpfe werden gesam- 20 Refraktionsindex 1,490

melt und anschließend weiterer Behandlung unterwor- Viskosität 20° C 7,0 Centistokes

fen, wie Kondensierung, Destillation, Raffinierung, „ 50° C 2,2

Wegbeförderung und Gewinnung von Nebenproduk- Schwefelgehalt 2,8 Gewichtsprozent

ten unter Verwendung zweckmäßig erscheinender Ver- Bromnummer 35

fahren an jedem Punkt der Behandlungskette für der- 25

artige Dämpfe unter Anwendung herkömmlicher Maß- Der unbehandelte Teer enthält etwa 4 Gewichtsnahtnen. prozent Schwefel in der Form von Schwefelverbin-Die kohlenwasserstoffhaltigen, insbesondere Öl- düngen. Durch die langwährende Erwärmung des dämpfe und die Gase verlassen die Zone, wo sie ge- Materials bei der Behandlung an Ort und Stelle gebildet oder frei gemacht worden sind, mit einer ziem- 30 maß der Erfindung werden diese Schwefelverbindunlich hohen Temperatur von beispielsweise 350 bis gen aufgespalten, wodurch wenigstens ein Teil des 400°. Ein Teil ihres Wärmeinhaltes läßt sich zur Vor- Schwefels in den schwer kondensierbaren, brennbaren wärmung von entweder Verbrennungsluft oder/und Gasen in die Form von Schwefelwasserstoff überBrennstoff verwenden, vorzugsweise in beliebig ge- gehen. Der Schwefelwasserstoff läßt sich von den formten Wärmeaustauschern, die entweder mit dem 35 Gasen trennen und mittels bekannter Verfahren (z. B. das Heizelement aufnehmenden Rohr zusammengebaut dem Alkazid - Claus - Verfahren) auf elementaren und mit ihm in das Bohrloch abgesenkt sein oder eine Schwefel behandeln.

getrennte Vorrichtung darstellen können, die oberhalb In dem Verfahren gemäß der Erfindung zur Pyroder Bodenoberfläche an das obere Ende des Rohres lyse von Teersand an seiner natürlichen Lagerstelle ist angeschlossen ist. 40 es notwendig, Bohrlöcher vorzusehen, in welchen Falls Wärme in dem Element oder unmittelbar in Heizelemente untergebracht werden können. Die Herdem Sandlager durch Verbrennung erzeugt wird, kann stellung der Bohrlöcher in Teersand bringt oft auch die Wärme der Verbrennungsgase für den ge- Schwierigkeiten mit sich. \^rorzugsweise werden daher nannten Zweck ausgenutzt werden. hierfür Verfahren gemäß dem Patent 926 961 be-Der Wärmeinhalt der durch die Pyrolyse gebildeten 45 nutzt, wobei die Löcher mit Hilfe eines direkt gegen Dämpfe und Gase kann auch für die Destillation der den Sand gerichteten Strahles eines Sauerstoff enterzeugten kohlenwasserstoffhaltigen Produkte, insbe- haltenden und vorzugsweise erhitzten Gasgemisches sondere des Öls, in Fraktionen mit verschiedenem geschaffen werden. Dieses Gemisch leitet eine VerSiedepunkt, wie sie für Veräußerung oder weiter- brennung des Teers zwischen den Sandkörnern ein gehende Raffinierung geeignet erscheinen, benutzt 50 und befreit diese somit. Die Sandkörner können pneuwerden. Dies kann in solcher Weise geschehen, daß matisch aus dem Loch an die Bodenoberfläche bedie aus dem Erdboden strömenden heißen Gase direkt fördert werden, z. B. mit Hilfe des aufsteigenden einem Fraktionierungsturm herkömmlicher Bauart zu- Rückgasstroms. Falls der Teergehalt nicht hoch genug geführt werden. In dieser Weise wird ermöglicht, daß ist, um die Verbrennung zu unterhalten, kann zusätzüberhaupt keine oder nur ein Bruchteil der sonst er- 55 licher Brennstoff, z. B. brennbares Gas, dem Brenner forderlichen Wärmemenge auf andere Weise dem zugeführt werden. Durch die beim Bohren frei wer-Turm zugeführt zu werden braucht. dende Hitze wird der Teer in den umgebenden Teilen Die durch die Pyrolyse des Teersandes an seiner des Sandes teilweise gekrackt. Dies erzeugt einen natürlichen Lagerstelle gewonnenen Erzeugnisse sind Koksrückstand, der die Wand des Loches hart macht, ihrer Güte nach besser und leichter raffinierbar als 60 Diese Verhärtung kann so weit gehen, daß die Wand die Erzeugnisse durch andere Verfahren zur Öl- keiner Verkleidung bedarf. Da der Bohrbrenner zum gewinnung. Wenn nämlich der Teer nach Abbau mit Herstellen des Loches und das Heizelement zur Her-Hilfe von heißem oder kaltem Wasser oder von vorbringung von Pyrolyse des Teers in dem Teersand Lösungsmitteln aus dem Sand extrahiert worden ist, an seiner natürlichen Lagerstätte oft analoge Aufmuß er noch einer Verkokung oder Krackung oder 65 gaben zu erfüllen haben, und zwar die Zuführung von einer anderen Bearbeitung unterworfen werden, bevor Luft und Gas unter Druck zu den Sandlagern, können raffinierfähige Produkte erhalten werden. Je nach der das Bohren und die Erhitzung zur Pyrolyse in einem Art der Behandlung fällt dann Benzin in einer Menge einzigen Arbeitsgang durchgeführt werden,
zwischen 6 und 18 Volumprozent, gerechnet auf den Als Beispiel für die genannten Verfahrensstufen ursprünglichen Teergehalt in dem unbehandelten Teer- 70 mögen folgende Angaben dienen.

Die ölgewinnung gemäß der Erfindung kann beispielsweise folgendermaßen durchgeführt werden. In einem Dreiecksmuster werden Löcher mit einem Durchmesser von 76 mm so niedergebracht, daß sie das ganze Feld über einem Teersandvorkommen mit einem kürzesten Abstand von 4 m zwischen den Löchern decken. Das Decklager, das keinen Teergehalt hat, kann in gebräuchlicher Weise durchbohrt werden. Wenn das Decklager dünn ist, können die Löcher auf diese Weise auch in einen Teil des oberen Teersandlagers hineingebohrt werden. Für das Bohren durch den Teersand im übrigen dienen mit Vorteil Bohrbrenner gemäß dem Patent 926 961. Die Bohrung erstreckt sich auch noch durch einen Teil der Schichten unter dem Teersandvorkommen. Beim Bohren mit dem Bohrbrenner durch den Teersand bildet sich ein säulenförmiges Kokslager um das Loch herum, so daß dieses, wie oben erwähnt, keiner Auskleidung bedarf.

Die Fig. 4 und 5 stellen schematisch ein gasbeheiztes Element in seiner Lage im Verhältnis zu dem ganzen Teersandvorkommen dar. Nach dem Bohren des Loches wird der Bohrbrenner entfernt und ein kombiniertes Heizelement und Gasauslaßrohr in das Loch eingebracht. Wie in der Fig. 4 gezeigt, wird, wenn die Deckschicht 9 dick ist, ein Gasauslaßrohr 7 knapp bis in den oberen Teil des Teersandvorkommens 8 eingebracht. Ist dagegen die Deckschicht dünn oder überhaupt keine vo-rhanden, wird das Gasauslaßrohr 7 vorzugsweise so weit abgesenkt, daß es durch einen Teil der Teersandschicht 8 hindurchgeht, wie in der Fig. 5 gezeigt ist, wo diese obere Schicht des Teersandes im Ausgleich für die allzu dünne Deckschicht 9 zur Abdichtung beiträgt. Andernfalls würden die durch die Pyrolyse erzeugten Dämpfe überall zwischen den Löchern austreten. Das Heizelement 10 liegt zwischen dem Boden des Gasauslaßrohres 7 und den Bodenschichten 55, die ebenfalls keinen Teergehalt haben. Dies ist besonders wichtig, weil es somit möglich ist, einen Teil der Bodenschicht zu erhitzen und dadurch zu vermeiden, daß der Teer zu der Bodenschicht fließt, sich dort abkühlt und dort bleibt. Gasförmiger Brennstoff und Sauerstoff enthaltende Gasgemische werden durch den Gaseinlaß 11 bzw. den Lufteinlaß 12 in solchem Verhältnis zueinander und in solcher Menge in das Heizelement 10 eingeleitet, daß eine Wärmemenge von etwa 700 kcal je Stunde auf je 1 Meter der Länge des Elements entwickelt wird.

Die säulenförmige Heizzone weitet sich gleichmittig von dem Heizelementrohr 10 aus, so daß eine Zone 13 mit Sandkoks unmittelbar an dem Loch vorhanden ist und sich vor ihr eine Zone 14 bildet, wo die Pyrolyse stattfindet. Das Fortschreiten des Erwärmungsvorganges wird durch Messen der Temperatur an der kältesten Stelle des Feldes, d. h. im Mittelpunkt des Dreiecks zwischen drei Heizelementen, überwacht. Wenn die Temperatur an diesem Punkt auf 400° gestiegen ist, was normal nach 5 Monaten eintritt, wird die Beheizung eingestellt, weil jeder Teil des Sandlagers auf die Pyrolysentemperatur gebracht worden ist.

Die durch die Pyrolyse erzeugten Dämpfe und Gase werden durch das Gasauslaßrohr 7 gesammelt, das oben am Teersandlager seine untere Mündung hat. Der während der Pyrolyse in dem Sand erzeugte Überdruck reicht aus, um den Gasstrom durch den Sand und durch die Sammelrohre bei 4 aufrechtzuerhalten. Der Überdruck in dem Sandlager läßt sich mittels (nicht dargestellter) Ventile in jedem Gasrohr auf einen gewünschten Wert einstellen.

Je nach den örtlichen Bedingungen, wie der Erhältlichkeit und dem Preis gasförmigen Brennstoffes, der Beschaffenheit der aus bestimmten Arten von Teersand während der Erhitzung erhältlichen schwer kondensierbaren brennbaren Gase usw. kann es vorteilhaft sein, die Kalorien des Sandkokses für die Erwärmung auszunutzen, z.B. in folgender Weise:

Das dreieckige Muster gemäß der Fig. 3 wird zu einem sechseckigen Muster, indem man sechs Dreiecke mit einem gemeinsamen Eckpunkt miteinander kombiniert. Diese Kombination kann nun bei der Verbrennung des Sandkokses benutzt werden. Zunächst wird ein Teil des Teersandes um jedes kombinierte Heiz- und Gassammeirohr in solchem Ausmaß der Pyrolyse unterworfen, daß die Temperatur zwischen zwei solchen Löchern hoch genug wird, d. h. auf etwa 100 bis 150° steigt, um die Viskosität des Teers hier so weit zu erniedrigen, daß Gas von einem Loch zu einem benachbarten durchgelassen wird. Durch Drosseln der Gasauslaßlöcher ist es möglich, in dem Teersandlager einen höheren Druck zu erzeugen und damit die Schaffung von Durchlässen zwischen dem in der Mitte gelegenen Loch und einem der umgebenden Löcher zu beschleunigen. Hiernach werden die Heizelemente entfernt und in das Mittelloch eines Sechsecks ein mit Löchern versehenes Rohr eingebracht. Wie in der Fig. 6 veranschaulicht, wird durch die Löcher 16 des Rohres 17 ein Sauerstoff enthaltendes Gasgemisch über das ganze Sandlager 15 verteilt. Die Entzündung kann hervorgerufen werden entwder durch Vorerhitzen des Sauerstoff enthaltenden Gasgemisches auf eine ausreichende Temperatur oder durch Hinabwerfen eines selbstentzündlichen Stoffes oder Stoff gemisches in das Loch 18. Je nach der größeren oder geringeren Durchlässigkeit und dem größeren oder kleineren Kohlenstoffgehalt des Sandkokses schreitet die Verbrennung mehr oder weniger schnell vor und erzeugt eine mehr oder weniger regelmäßige Verbrennungszone 19, deren Temperatur bei etwa 800 bis 1000° liegt. Von dieser Zone 19 wird die Wärme kälteren Teilen der Schichten zugeleitet. In der Zone 20, wo die Temperatur zwischen 250 und 400° beträgt, findet Pyrolyse statt. Die hierbei erzeugten Dämpfe und Verbrennungsgase strömen zusammen zu den sechs benachbarten Löchern an den Begrenzungswinkeln des Sechsecks. Diese Löcher dienen jetzt nur als Gasauslaßlöcher 21. Wie aus der Fig. 6 ersichtlich, durchströmen die Verbrennungsgase und Pyrolysedämpfe auf ihrem Wege zu einem Gasauslaßloch 21 zunächst unbehandelten Teersand 22, dann Teersand 23, der teilweise pyrolisiert worden ist, und schließlich die Zone 24 um das Gasauslaßrohr herum, das aus einer Säule aus Teersandkoks besteht. Die Säule 24' um das Loch 18 herum enthält verbrannten Koks. Die Maßnahmen zur Sammlung der Gase und zur Aufrechterhaltung des Überdruckes in die geologischen Formationen sind dieselben wie bei den oben beschriebenen Arbeiten mit den gasbeheizten Elementen.

Die Zufuhr von Sauerstoff enthaltendem Gasgemisch wird abgebrochen, wenn die Temperatur des Sandes 400° in der Zone 23 erreicht, wo der Teersand zunächst um die Gasauslaßlöcher 21 teilweise der Pyrolyse unterworfen worden war.

Die Einlaßrohre 18 können auch in einem Dreiecksmuster mit je einem Rohr an jeder Ecke des Dreiecks angeordnet sein. Die Verbrennungsgase und die erzeugten Dämpfe werden dann in einem besonderen Loch gesammelt, das- in der Mitte jedes Dreiecks zwischen den Elementen, vorgesehen sein kann.

709 510/183

Claims

Die Zufuhr von Sauerstoff enthaltendem Gasgemisch wird auch in diesem Fall abgebrochen, sobald die Temperatur im Mittelpunkt des Dreiecks ungefähr 400° erreicht hat. Falls die Zufuhr von Sauerstoff in den Gasgemischen auf ungefähr 0,15 bis 0,20 cm3 je Stunde und Meter der Elementlänge eingestellt wird und falls ferner der Abstand zwischen den die Elemente aufnehmenden Löchern ungefähr 4 m beträgt, dauert es ungefähr 5 Monate, bevor die genannte Temperatur erreicht wird. In den vorstehend beschriebenen Beispielen wurde angenommen, daß die Wärme im wesentlichen gleichmäßig über die ganze Länge des Loches in dem Teersandlager verteilt sei. Es wurde auch erwähnt, daß der Teer abwärts zu den unteren Schichten fließen wird. Um dieser Erscheinung wenigstens teilweise entgegenzuwirken, wurde auch ein Teil der Schichten unter dem Boden des Teersandvorkommens durch die Heizelemente erwärmt. Um dieser Erscheinung noch mehr vorzubeugen, kann es vorteilhaft sein, die Erhitzung des Sandes von unten zu beginnen und dann die Heizelemente oder Heizkörper allmählich in dem Loch aufwärts zu verschieben. Hierdurch wird erreicht, daß der herabfließende Teer, der von unten aufsteigender Wärme begegnet, der Pyrolyse unterworfen wird und infolgedessen die hierbei entstehenden Dämpfe durch das Gasauslaß rohr nach oben steigen. Ein Beispiel für eine derartige Einrichtung ist in der Fig. 7 veranschaulicht. Das bewegliche, gasbeheizte Element 25 befindet sich hier am Boden des Loches 26. Der gasförmige Brennstoff und das Sauerstoff enthaltende Gasgemisch treten durch die gleichmittigen Rohre 27 bzw. 28 ein und strömen zu dem gasbeheizten Element 25. Die Verbrennungsgase von dem Element 25 entweichen durch ein weiteres gleichmittiges Rohr 29 zu einem Schornstein, z. B. über einen in der Figur nicht gezeigten Wärmeaustauscher. Die drei gleichmittigen Rohre können aus zusammensetzbaren Teilen, z. B. 10 Meter langen Rohrstücken, bestehen. Das Element mit diesen Rohren hängt an einem Drahtseil 30, das über eine Rolle 31 läuft. Ein Gesperre 32 befindet sich in einem Turm 33, dessen Höhe etwas größer ist als dieLänge der gleichmittigen Rohrteile, im vorliegenden Beispiel daher etwa 11 Meter betragen kann. Die Brennervorrichtung hängt frei in dem Gasauslaßrohr 33 für die durch die Pyrolyse erzeugten Dämpfe und dem mit der Kokswand versehenen Loch 26. Bei der vorbeschriebenen Verbrennung des Sandkokses ist es auch möglich, die Verbrennungsgase und damit die Hitze ungleichförmig zu verteilen. Die Fig. 8 veranschaulicht, wie das Sauerstoff enthaltende Gasgemisch und möglicherweise auch ein gasförmiger Brennstoff durch zwei gleichmittige Rohre 34 bzw. 35 an den Bodenteil eines Loches strömen, in das ein mit Perforierungen 36 versehenes Rohr 37 eingesetzt ist. Das äußere bewegliche, gleichmittige Rohr 35 hat einen solchen Durchmesser, daß es knapp durch die Deckschicht 38 auf und ab bewegt werden kann, das perforierte Rohr 37 einen solchen, daß es eben durch den Teersand 39 verschiebbar ist. Die Hebevorrichtung und die anderen Merkmale sind dieselben wie in der Fig. 7. Die Verbrennungsgase strömen durch den Sand zu dem Gasauslaß rohr 40 in derselben Weise wie im Zusammenhang mit der Fig. 6 be- 6S schrieben. Fig. 9 veranschaulicht, wie die Pyrolyse des Teersandes mittels einer Anzahl Elemente durchgeführt werden kann, um eine ungleichmäßige Verteilung der Wärme zu erzielen. In der Figur sind acht Reihen 41 von Löchern dargestellt und ist veranschaulicht, in welcher Weise die W'ärmefront von ihnen aus auftritt. Der Abstand zwischen der untersten Schicht 42 und der obersten Schicht 43 der Teersandlager 44 ist hier in sieben Teile unterteilt, und die vertikale Länge der Heizelemente ist ungefähr dieselbe wie die Höhe je eines Siebentels der Dicke des Lagers. Wenn ein Element eine sachdienliche Zeitspanne lang eingeschaltet gewesen ist, wird es um ein Siebentel des Abstandes zwischen der untersten und der obersten Schicht des Sandlagers aufwärts bewegt. Das zuerst eingeschaltete Element 41 ist während der Zeitspanne^ sechsmal bewegt und sieben Zeitabschnitte lang eingeschaltet gewesen, und die ganze Zone um dieses Rohr herum ist damit der Pyrolyse unterworfen worden. Das nächstfolgende Element ist während der gleichen Zeitspanne A nur sechs Zeitabschnitte lang eingeschaltet gewesen, und erst während eines Zeitabschnittes später (zum Zeitpunkt B) wird das ganze Sandlager um dieses Rohr herum der Pyrolyse unterworfen gewesen sein. In der gleichen Weise sind die folgenden Elemente immer später eingeschaltet gewesen, und für das achte Element 41" findet eine Einschaltung erst zu dem Zeitpunkt B statt. Auf diese Weise wird eine zickzackförmige Pyrolysenfront erzeugt, die sich über das Feld hinüber bewegt. In ähnlicher Weise können auch die beweglichen Einlaßrohre für Sauerstoff enthaltende Gasgemische angeordnet sein. Paten ta ν s ρ r i" c π κ

1. Verfahren zur Gewinnung von kohlenwasserstoffhaltigen Stoffen aus Teersand in seiner natürlichen Lagerstätte im Erdboden, wobei der Teersand an Ort und Stelle erhitzt wird, dadurch gekennzeichnet, daß zunächst durch Erhitzung des Teersandes auf eine Temperatur zwischen etwa 250 und 400° mit Hilfe rohrförmiger Heizelemente eine Anzahl säulenförmiger Heizzonen geschaffen wird, in denen der Teer unter Bildung einer rohrförmigen, die Heizzonen umgebenden Wand von hartem Sandkoks verschwelt und durch die größere Durchlässigkeit des Sandkokses gegenüber dem unbehandelten Teersand die bei der Verschwelung erzeugten Dämpfe und Gase zu einigen der durch Entfernen der Heizelemente zu Gasabzugslöchern umgebildeten säulenförmigen Heizzonen gefördert werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß dieBildung der Sandkokswand durch bewegliche Heizelemente erfolgt.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Sandkokswand durch bewegliche Einlaßrohre für Sauerstoff- enthaltende Gasgemische hervorgebracht wird.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß verschiedene Teile des Teersandlagers nacheinander zur Bildung eines ununterbrochenen Kokskörpers zwischen dem unter Erhitzung befindlichen Teil des Teersandvorkommens und dem nächsten Gasabzugsloch erhitzt werden.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die säulenförmigen Heizzonen derart über der Oberfläche des Teersandvorkommens verteilt werden, daß sie die Ecken gleichseitiger oder nahezu gleichseitiger geometrischer Figuren, wie Dreiecke, Vierecke oder Sechsecke, bilden.

6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die die Eckpunkte der geometrischen Figuren bildenden Zonen durch Entfernen der Heizkörper in Gasabzugslöcher umgewandelt werden und in ihrer Mitte je eine säulenförmige Heizzone ausgebildet wird.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die durch die Verschwelung des Teers gebildeten Koksrückstände unter Zuführung von Sauerstoff enthaltenden Gas- ίο gemischen an Ort und Stelle verbrannt werden.

8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die durch die Verbrennung des Koksrückstandes entwickelte Wärme dazu benutzt wird, die Viskosität des Teers herabzusetzen und ihn zu einem berohrten Gasabzugsloch zu treiben, von wo er über Tage her auf gepumpt wird.

In Betracht gezogene Druckschriften:
Deutsche Patentschriften Nr. 804 022, 862 042, 596, 812 573.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

709 510/183 5.