DE102007040607B3

DE102007040607B3 - Verfahren und Vorrichtung zur "in situ"-Förderung von Bitumen oder Schwerstöl

Info

Publication number: DE102007040607B3
Application number: DE102007040607A
Authority: DE
Inventors: Norbert Dr. Huber; Hans-Peter Dr. Krämer
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2007-08-27
Filing date: 2007-08-27
Publication date: 2008-10-30
Anticipated expiration: 2027-08-28
Also published as: CA2697810A1; US20110108273A1; RU2465441C2; WO2009027273A1; US8485254B2; RU2010111772A; CA2697810C

Abstract

Beim klassischen SAGD-Verfahren zur in situ-Förderung von kohlenstoffhaltigen Materialien wird Dampf unter hohem Druck in das Reservoir eingebracht. Dafür ist ein vergleichsweise hoher technischer Aufwand notwendig. Gemäß der Erfindung wird kondensiertes Wasser verwendet, das über ein Injektionsrohr (101, 106, 107) in das Reservoir eingebracht wird, dort im Rohr horizontal geführt wird, wobei dadurch "in situ" eine Verdampfung des Wassers und Einwirkung der Wärme auf das Reservoir erfolgen kann. Damit ergeben sich erhebliche Vereinfachungen in der Anlagentechnik. Insbesondere kann auch die beim Stand der Technik aufwändige Wasserentsalzung vermieden werden.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur in situ-Förderung von Bitumen oder Schwerstöl aus oberflächennahen Ölsand-Lagerstätten, bei dem zur Verringerung der Viskosität des Bitumens oder des Schwerstöls Wärmeenergie in die Lagerstätte eingebracht wird, wobei wenigstens ein Förderrohr für das Fördern des verflüssigten Bitumens oder Schwerstöls und wenigstens ein Rohr zum Einbringen von Wärmeenergie verwendet werden, die beide parallel geführt sind. Daneben bezieht sich die Erfindung auf eine zugehörige Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens, mit wenigstens einem Injektionsrohr zum Energieeintrag in die Lagerstätte und wenigstens einem Förderrohr zum Fördern des Öls aus der Lagerstätte, welche beide in der Lagerstätte horizontal verlaufen.
Beim in situ Abbau Verfahren von Bitumen aus Ölsanden mittels Dampf und horizontalen Bohrlöchern mittels des SAGD (Steam Assisted Gravity Drainage)-Verfahrens werden große Mengen Wasserdampf zum Aufheizen des Bitumen benötigt. Typischerweise wird Dampf mit der Temperatur 250°C und einer Qualität 0,95, d. h. nahezu überhitzt, verwendet. Obwohl dieser Dampf einen hohen Energieinhalt aufweist, fallen sehr große Wassermengen an, die zusammen mit dem Öl wieder an die Erdoberfläche gefördert und dort mit erheblichem Aufwand aufbereitet werden müssen.
Bei der Verwendung von Dampf ist die Verwendung von horizontalen Injektionsrohren länger als 1000 m aufgrund des auftretenden Druckverlustes, der bekanntermaßen von der Rohrlänge abhängig ist, nicht mehr praktikabel.
Aus der US 6 257 334 B1 ist ein SAGD-Verfahren zur Förderung von Schwerstöl bekannt, bei dem neben einem so genannten Wellpair mit übereinander liegenden Rohren weiterhin weitere Elemente vorhanden sind, durch die Beheizung des Bereiches verbessert werden soll. Daneben ist aus der WO 03/054351 A1 eine Einrichtung zur elektrischen Beheizung bestimmter Bereiche bekannt, bei der zwischen zwei Elektroden ein Feld erzeugt wird, das den dazwischen liegenden Bereich erwärmt.
Daneben ist aus der US 2006/015166 A1 ein Verfahren für die Schweröllagerstätte bekannt, bei der zur Verringerung der Viskosität des Schweröls ein Werkzeug mit Elektroden für eine dreiphasige resistive Heizung der Lagerstätte vorgesehen ist.
Davon ausgehend ist es Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren vorzuschlagen, das keinen Dampf mit Druckabfall verwendet, und eine zugehörige Vorrichtung zu schaffen.
Die Aufgabe wird bezüglich des Verfahrens durch die Maßnahmen des Patentanspruches 1 und bezüglich der Vorrichtung durch die Merkmale des Patentanspruches 5 gelöst. Weiterbildungen des Verfahrens und der zugehörigen Vorrichtung sind in den jeweils abhängigen Ansprüchen angegeben.
Gegenstand der Erfindung ist ein Verfahren, bei dem statt Dampf Wasser in das Reservoir injiziert wird und erst im Reservoir durch elektrische Aufheizung verdampft wird. Dazu kann eine elektrische, d. h. resistive Heizung, und/oder elektromagnetische, d. h. induktive Heizung, verwendet werden.
Insbesondere das erfindungsgemäße Merkmal der induktiven Heizung bedeutet, dass dort elektromagnetische Dissipation auftritt, wo die elektrische Leitfähigkeit hoch ist. Eine resistive Heizung ist ebenfalls geeignet. Die Heizrate kann vorteilhafterweise durch Messung des Druckes und/oder der Temperatur insbesondere in der Umgebung des Wellpairs oder an anderen Stellen geregelt werden. Es kann so erreicht werden, dass bestimmte Druck und Temperatur-Grenzwerte dabei nicht überschritten werden.
Bei der Erfindung erfolgt also eine Verdampfung von Wasser "in situ" durch elektrische Aufheizung im Reservoir.
Ein besonderer Vorteil der Erfindung ist die Vermeidung von teuren Anlagen zur Wasseraufbereitung, mit denen beim bekannten SAGD-Verfahren eine Befreiung des Wassers von Ölresten erfolgt, zur Wasserentsalzung und zur Verdampfung. Gleichermaßen werden teure Verbrauchsstoffe zur Wasseraufbereitung – wie Filter, Ionentauscher, etc. – überflüssig.
Durch den geringen Druckverlust von Wasser gegenüber Wasserdampf lässt sich der in situ Bitumenabbau mit wesentlich längeren Rohren als bisher durchführen (> 1000 m).
Die Energiekosten zum Aufheizen und Verdampfen des Wassers können natürlich nicht vermieden werden und fallen stattdessen im Kraftwerk an. Aufgrund der guten Übertragbarkeit des Stromes über längere Strecken können aber Kraftwerke großer Einheit genutzt werden. Die höheren Energiekosten des Stromes gegenüber Dampf (Faktor 2) können gegebenenfalls durch die oben genannten Einsparungen wettgemacht werden.
Statt den Prozess ganz von Dampf- auf Wasserinjektion umzustellen kann im Rahmen der Erfindung auch auf geringere Dampfqualität oder geringere Dampfmenge oder vorgewärmtes Wasser umgestellt werden und lediglich die fehlende Energiemenge elektrisch dazu gebracht werden. In diesen Fällen sind die Kapitalkosten des Boilers kleiner.
Ein weiterer Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens liegt schließlich darin, dass dem Wasser Salze zur Erhöhung der Leitfähigkeit zugesetzt werden können, was eine gute Aufheizung sicherstellt.
Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Figurenbeschreibung von Ausführungsbeispielen anhand der Zeichnung in Verbindung mit den Patentansprüchen.
Es zeigen
1 ein Verfahrensschema zur Dampfeinbringung in ein Ölsand-Reservoir entsprechend dem Stand der Technik,
2 eine dreidimensionale Darstellung von Elementareinheiten des Reservoirs als Ölsand-Lagerstätte,
3 das neue Verfahrensschema entsprechend der erfindungsgemäßen Vorgehensweise, sowie die
4 bis 6 jeweils einen Schnitt durch ein Reservoir mit unterschiedlichen Anordnungen von Injektionsbohrungen bzw. Elektroden.
In der 1 ist mit einer dicken Linie E die Erdoberfläche angedeutet, unter der eine Ölsand-Lagerstätte liegt. Üblicherweise ist unter der Erdoberfläche zunächst ein Deckgestein- bzw. -material vorhanden, nach der in vorgegebener Tiefe ein Flöz als Ölsand-Reservoir gefunden wird. Das Reservoir hat eine Höhe bzw. Dicke h, eine Länge von l und die vorgegebene Breite w (width). Damit ist eine Elementarzelle definiert, die sich hinsichtlich der Breite w mehrfach wiederholen kann. Dieser Bereich als Teil der Lagerstätte enthält also das Bitumen bzw. Schwerstöl und wird nachfolgend kurz als Reservoir bezeichnet. Beim bekannten SAGD-Verfahren sind ein Injektionsrohr 101 für Dampf und ein Förderrohr 102, das auch als Produktionsrohr bezeichnet wird, vorhanden und werden horizontal am Boden des Reservoirs geführt.
1 gibt ein Verfahrensschema entsprechend dem Stand der Technik wieder. Mit 1 ist eine Einheit zur Wasserentsalzung bezeichnet, der ein Dampferzeuger nachgeschaltet ist. Über das Injektionsrohr 101 wird Dampf zunächst vertikal durch die Deckfläche der Ölsand-Lagerstätte und von einer bestimmten Tiefe, d. h. bei Erreichen des Reservoirs horizontal geführt. Durch den Dampf wird die Umgebung des Injektionsrohrs 101 aufgeheizt und das im Ölsand befindliche Bitumen bzw. Schwerstöl in seiner Viskosität verringert. Im Förderrohr 102, das parallel zum Injektionsrohr 101 verläuft, wird das 61 aufgefangen und über den senkrechten Bereich durch das Deckgestein zurückgeführt. Anschließend wird in einer verfahrenstechnischen Anlage 4 eine Ölabtrennung vom Roh-Bitumen und eine weitere Aufbereitung, beispielsweise Flotation o. dgl., vorgenommen. Das vorhandene Wasser wird in einer Einheit 5 zur Wasseraufbereitung gegeben und anschließend in die Einheit 1 zur Wasserentsalzung zurückgegeben.
Beim Stand der Technik liegt also mit den angegebenen Einheiten weitgehend ein Kreislauf im Prozessverlauf vor.
In 2 ist eine Ölsand-Lagerstätte dargestellt, die eine Längenausdehnung 1 und eine Höhe h hat. Es wird eine Breite w (width) definiert, mit der eine Elementareinheit 100 als Reservoir für Ölsand definiert ist. In der Einheit sind beim Stand der Technik das Injektionsrohr 101 und das Förderrohr 102 übereinander parallel in horizontaler Richtung geführt.
In 3 sind die Verhältnisse von 1 mit einer erfindungsgemäßen Vorgehensweise bzw. Vorrichtung wiedergegeben. Unterhalb der Erdoberfläche sind wiederum die zunächst vertikal verlaufenden Injektions- bzw. Förderrohre 101, 102 vorhanden, die bei Erreichen des Reservoirs beide horizontal verlaufen. Weiterhin sind Injektionsrohr 101 und Förderrohr 102 durch eine leitfähige Beschichtung als Elektroden ausgebildet und können so als Leiter für eine elektrische/elektromagnetische Heizung zur Wärmeerzeugung dienen.
Bei der zugehörigen Vorrichtung ist eine Anlage zur Dampferzeugung und die in 1 vorgeschaltete Anlage zur Wasserentsalzung nicht mehr notwendig. Stattdessen sind ein Anschluss an ein externes – gegebenenfalls räumlich weit entferntes Kraftwerk zur Bereitstellung elektrischer Leistung und eine Einheit 12 zur elektrischen Stromversorgung vorhanden. Gegebenenfalls können auch separate Generatoren vorhanden sein. Die Einheit 4 zur Ölabtrennung und die Einheit 5 zur Wasseraufbereitung können hier einfacher als beim Stand der Technik gemäß 1 aufgebaut sein.
Mit der neuen Anlage ergibt sich eine vereinfachte Verfahrensführung. Es wird vorteilhafterweise die elektrische Energie von einem Kraftwerk entnommen und es erfolgt in der Einheit 12 mittels eines Umrichters eine Bereitstellung der elektrischen Leistung in geeigneter Form, insbesondere als Hochfrequenzstrom. Der Hochfrequenzstrom wird auf Stromleiter im Reservoir, beispielsweise die Elektrode 106 oder 107, gegeben und dient dort zur Erzeugung von Wärme. Dabei ist insbesondere eine induktive Heizung des Reservoirs realisiert. Gegebenenfalls kann auch eine resistive Heizung erfolgen.
Der Vorteil bei einer solchen Vorgehensweise ist, dass im Injektionsrohr 101 nur Wasser geführt werden muss. Das Wasser wird „in situ", d. h. im horizontal verlaufenden Bereich um das Injektionsrohres 101, durch die elektromagnetische Einwirkung verdampft, wobei allerdings der Dampf im horizontalen Bereich um das Rohr 101 entsteht. Die Energie des so entstehenden Dampfes wird auf das Reservoir abgegeben, so dass sich im Förderrohr 102 eine Ölsand/Wasser-Mischung anreichert. Über das Förderrohr 102 wird – gegebenenfalls mit einer zusätzlichen Pumpe – zur Erdoberfläche gefördert, wobei dann wiederum eine Anlage zur Ölabtrennung beschickt wird. Es erfolgt die übliche Weiterverarbeitung. Das verbleibende Wasser wird in der Einheit zur Wasseraufbereitung bearbeitet und anschließend in den Kreislauf zurückgeführt.
Gegenüber der Wasserdampfbeschickung hat die in 3 dargestellte Vorgehensweise erhebliche Vorteile. Insbesondere wenn davon ausgegangen wird, dass mit der beschriebenen Anlage große Längen l in der Lagerstätte betrieben werden, würden sich bei der Dampfmethode erhebliche Probleme zur Dampfbereitstellung auch in entfernteren Bereichen ergeben. Durch die in situ-Dampferzeugung ist dieses Problem in überraschend einfacher Weise gelöst.
In den weiteren 4 bis 6 sind verschiedene geometrische Möglichkeiten zur Realisierung letzteren Prinzips dargestellt, wobei jeweils der Schnitt IV-IV aus Figur bzw. die Ansicht von vorne auf 2 dargestellt ist. Beispielsweise zeigt 3 ein Injektionsrohr 101 und ein Produktionsrohr 102, die in geringem Abstand voneinander weitestgehend am Boden des Reservoirs angeordnet sind. Dabei ist das Reservoir durch die Weite w und die Höhe h begrenzt. Die Länge l ist aus der Schnittdarstellung gemäß den 3 bis 5 nicht ersichtlich.
Bei der beschriebenen Anordnung nach 4 sind Injektionsrohr 101 und Produktionsrohr 102 selbst als Elektroden ausgebildet. Die Aufheizung erfolgt dabei resistiv oder induktiv. Im beschriebenen Ausschnitt des Öl-Reservoirs 100 wiederholt sich die dargestellte Anordnung nach beiden Seiten mehrfach und periodisch. Gegenüber dem Stand der Technik wird das be kannte Horizontal-Rohr-Paar (sog. „Wellpair") dadurch verändert, dass deren Nutzung auch als Elektroden möglich ist.
In 5 ist – ausgehend von der Darstellung gemäß 3 – ein Wellpair aus Injektionsrohr 101 und Förderrohr 102 vorhanden. Zusätzlich sind zwei Elektroden 105 und 106 in der Nähe des Wellpairs angeordnet. Zweckmäßig ist es, diese beiden Elektroden mit einem Abstand von d₁ von der Linie des Wellpairs zu beiden Seiten auszurichten und die Höhe zwischen Injektionsrohr 101 und Förderrohr 102 zu wählen.
Durch Ausbildung der Horizontalrohre 105 und 106 als Elektroden ist eine induktive Bestromung durch elektrisches Verbinden an den Enden der zusätzlichen Elektrode und des Injektionsrohrs möglich. Die Reservoirbreite w beträgt dabei beispielsweise 100 m, der Abstand von einem Wellpair zum nächsten Wellpair liegt dabei typischerweise ebenfalls bei 100 m, wobei weite Grenzen gesetzt sind und ein Bereich zwischen 50 und 200 m als geeignet erscheint. Der horizontale Abstand der Rohre 105 und 106 von der Ebene des Wellpairs beträgt dabei zwischen 0,5 m und etwa w/2.
In der Anordnung nach 6 wird ebenfalls von 3 ausgegangen. Hier ist eine Anordnung vorgesehen, bei der pro Wellpair genau eine zusätzliche Elektrode 107 vorhanden ist. Die Elektrode 107 ist dabei auf Lücke gesetzt zwischen zwei benachbarten Wellpairs.
Im Einzelnen kennzeichnet 1 wieder das Öl-Reservoir, das sich nach beiden Seiten der Ausschnittsdarstellung mehrfach wiederholt. Das Horizontal-Rohr-Paar, d. h. das Wellpair, besteht wiederum aus dem Injektionsrohr 101 und dem Produktionsrohr 102. Zusätzlich ist das Horizontalrohr 107 vorhanden, das als Elektrode ausgebildet ist.
In der gewählten Darstellung ergibt sich eine sich wiederholende Anordnung, bei der jeweils wiederum eine weitere Elektrode 107' vorhanden ist. Damit ist eine induktive Bestromung möglich, sofern die Enden der beiden sich entsprechenden Elektrodenrohre elektrisch verbunden sind.
Bei der anhand 5 beschriebenen Anordnung ergibt sich eine Reservoirbreite w von beispielsweise 100 m. Entsprechend ist der Abstand von einem Wellpair bis zum nächsten, wobei vernünftigerweise ein Bereich von 50 bis 200 m abgedeckt werden kann. Die Reservoirhöhe h, d. h. die Dicke der geologischen Ölschicht, beträgt typischerweise 20 bis 60 m. Der horizontale Abstand des zusätzlichen Rohres zum Wellpair ist durch w/h gekennzeichnet. Der vertikale Abstand der beiden zusätzlichen Elektroden liegt zwischen 0,1 m und 0,9·h. Dabei sind Entfernungen zwischen 0,1 m und 60 m beispielhaft.
Die Elektroden müssen sich am unteren Ende der sich einzustellenden Dampfkammer befinden also am unteren Ende des Reservoirs. Bevorzugt können da die bestehenden Well Rohre als Elektroden dienen. Die Bestromung des Reservoirs und damit die Aufheizung sollen bevorzugt induktiv erfolgen. Eine resistive Heizung des Reservoirs ist ebenfalls denkbar allerdings muss dabei eine Überhitzung der Elektroden bedacht werden.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

- US 6257334 B1 [0004]
- WO 03/054351 A1 [0004]
- US 2006/015166 A1 [0005]

Claims

Verfahren zur in situ-Förderung von Bitumen oder Schwerstöl aus oberflächennahen Ölsand-Lagerstätten, bei dem zur Verringerung der Viskosität des Bitumens oder des Schwerstöls Wärmeenergie in die Lagerstätte eingebracht wird, wobei wenigstens ein Förderrohr für das Fördern des verflüssigten Bitumens oder Schwerstöls und ein Rohr zum Einbringen von Wärmeenergie verwendet werden, die beide parallel geführt sind, mit folgenden Maßnahmen: – als Wärmeträger wird statt Dampf Wasser verwendet und in das Reservoir eingebracht, – im Reservoir wird das Wasser erhitzt und verdampft, – das Verdampfen des Wassers erfolgt durch eine elektrische Beheizung, wobei zum Verdampfen des in die Lagerstätte eingebrachten Wassers wenigstens eine Leiterschleife zur induktiven Bestromung verwendet wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass Förderrohr und Injektionsrohr gleichermaßen als Leiter genutzt werden.
Verfahren nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass dem eingeleiteten Wasser Salze zur Leitfähigkeitserhöhung zugegeben werden.
Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1 oder einem der Ansprüche 2 bis 3, mit wenigstens einem Injektionsrohr zum Energieeintrag in die Lagerstätte und wenigstens einem Förderrohr zum Fördern des Öls aus der Lagerstätte, welche beide in der Lagerstätte horizontal übereinander verlaufen und ein Rohrpaar (sog. Wellpair) bilden, dadurch gekennzeichnet, dass ein Umrichter (12), der an eine elektrische Versorgungsleitung angeschlossen ist, zur Bereitstellung elektrischer Leistung vorhanden ist und dass elektrische Leiter (106, 107) vorhanden sind, die vom Umrichter (12) bestromt werden, wobei die Leiter (106, 107) im Reservoir (100) eine Leiterschleife bilden.
Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Umrichter (12) an das elektrische Netz eines Kraftwerkes angeschlossen ist.
Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Umrichter an einen elektrischen Generator angeschlossen ist.
Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Leiter auf dem Injektionsrohr (101)/Förderpaar (102) (sog. Wellpair) angebracht sind.
Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass separate Elektroden zur Bestromung vorhanden sind, wobei die Elektroden (106, 107) in vorgegebenem Abstand vom Wellpair (101, 102) angeordnet sind.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 4 bis 8, wobei die Einheit der Lagerstätte einen Querschnitt von w × h hat, dadurch gekennzeichnet, dass der horizontale Abstand (d1) der Elektroden vom Wellpair (101, 102) zwischen 0,5 m und w/2 liegt. (4, 5)
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 4 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass zur induktiven Beheizung das Ende der Elektrode (106) mit dem Ende des Injektionsrohres (101) elektrisch verbunden ist.
Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Abstand von einem Wellpair zum nächsten Wellpair zwischen 50 und 200 m liegt.
Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass der vertikale Abstand der Elektrode zum Injektionsrohr zwischen 0,1 und 0,9 H liegt. (3)