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Verfahren zum Fördern von flüssigen Bitumina aus untertägigen Lagerstätten
Die Erfindung betrifft allgemein ein Primärverfahren zum Fördern von flüssigen Bitumina
aus untertägigen Lagerstätten, deren Lagerstättendruck über dem Gasentlösungsdruck
liegt. Unter Bitumen werden, nach einem aus Fachkreisen gemachten Vorschlag (s.
»Taschenbuch für Chemiker und Phy-
siker«, herausgegeben von D'Aus-Lax, 1943,
S. 1729) im weiteren Sinn alle natürlich vorkommenden oder durch einfache
(nicht destruktive) Destillation aus Naturstoffen hergestellten flüssigen oder festen,
schmelzbaren oder löslichen Kohlenwasserstoffgemische verstanden, die Sauerstoffverbindungen
mehr oder weniger, mineralische Stoffe dagegen nur in untergeordnetem Maße enthalten
können. Im speziellen betrifft sie ein Förderverfahren, bei dem durch eine Kombination
von Verfahrensschritten die Gewinnung des Lagerstätteninhaltes stufenweise, regulierbar
und kontrollierbar den Verhältnissen und Veränderungen in der Lagerstätte, speziell
im kritischen Bereich der Öl-Wasser-Kontaktzone sorgfältig und lückenlos angepaßt,
so die Gefahr der Fingerbildung zwischen öl und Wasser praktisch ausgeschlossen
und eine wesentliche Beschleunigung und Vergrößerung der ölförderung erzielt wird.
Die einzelnen Verfahrensschritte in einem, durch eine Mehrzahl von Bohrungen aufgeschlossenen
Förderfeld betreffen die Förderung von Lagerstätteninhalt aus strukturhohen Bohrungen,
die Einbringung von Flutungsmittel unter Aufrechterhaltung des Lagerstättendruckes
in Randwasser stehenden strukturtiefen Bohrungen und die Behandlung des Lagerstätteninhaltes
in zwischen den Flutbohrungen und den Förderbohrungen angeordneten Bohrungen ohne
Gewinnung aus diesem Ab-
schnitt. Die Behandlung besteht in einer zirkulierenden
Bewegung des Lagerstätteninhaltes zwischen sogenannten Leit- und Behandlungsbohrungen,
bei der der Druck der Lagerstätte aufrechterhalten und das Bitumen ohne Wärineverlust
erwärmt und gegebenenfalls mit Zusätzen versehen wird. Ein spezifisches Merkmal
der Erfindung besteht darin, daß die Bewegung des Lagerstättenmediums in charakteristischer
Weise derart ausgeführt wird, daß die Fließrichtung zwischen den Leit- und Behandlungsbohrungen
unter Tage in einem Winkel von 90 bis 451 zur Förderrichtung des Feldabschnittes
erfolgt. Ein weiteres charakteristisches Merkmal der Behandlung besteht darin, daß
bei der durch Probenahme ermittelten Annäherung der öl-Wasser-Kontaktzone an die
Leitbohrungen auf die Probewerte in bezug auf Zustand und Zusammensetzung abgestimmte
Mengen von an sich bekannten, die Grenzflächenspannung herabsetzenden Zusätzen und
bei Durchtritt der Kontaktzone gleichfalls auf die Probewerte abgestimmte Mengen
an sich bekannter Stoffe zugegeben werden, die die Viskosität des Wassers herauf
und die des öles und des spezifischen Gewichtes der Mischung herabsetzen.
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Nach den bekannten Verfahren erfolgt die Förderung der bituminösen
Inhaltsstoffe nach über Tage, soweit es der flüssige bzw. gasförmige Zustand derselben
zulassen, ohne Hilfsmaßnahmen von außen unter Ausnutzung des Lagerstättendruckes.
Erst wenn dieser nicht mehr ausreicht, werden Maßnahmen ergriffen, die als Sekundärverfahren
in vielerlei Varianten bekannt sind, wie z. B. Druckerhaltungsmaßnahmen, Gas- und
Luft-Treibverfahren, Gas-Kreisläufe mit Kondensatabscheidung oder Wasserfluten.
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Bei allen diesen Verfahren handelt es sich ausschließlich um Sekundärgewinnungsverfahren,
d. h. ihre Anwendung erfolgt, wenn der Druck der Lagerstätte weitgehend abgesunken
ist und ihr Gasentlösungsdruck unterschritten ist. Als Gasentlösungsdruck des Lagerstätteninhaltes
wird im praktischen Förderbetrieb der Druck angesehen, bei dem in Ab-
hängigkeit
von der Lagerstättentemperatur eine Entgasung beginnt. Im Verfahren nach der Anmeldung
sollte der Schließdruck einer Bohrung diesen Druck nicht unterschreiten.
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Die Wärmezufuhr oder die Zugabe von Fremdstoffen, Gas oder Wasser
werden bei den bekannten Verfahren derart durchgeführt, daß die Bewegung unter Tage
ausschließlich von einer Injektionsbohrung im direkten Fluß zu einer Förderbohrung,
also unter einem Winkel zur Förderrichtung von etwa 0'
erfolgt.
So
sind beispielsweise viele Sekundärfördermaßnahmen durch Wasserfluten bekannt. Bei
diesen wird das Flutwasser in einer Injektionssonde eingeführt und fließt zu einer
benachbarten Sonde, die als Förderbohrung dient. Es sind aber keine Verfahren bekannt,
bei denen zwischen Flutbohrungen und Förderbohrungen ein Behandlungsabschnitt dazwischengeschaltet
ist, in welchem das Lagerstättenmedium zwischen Leit- und Behandlungsbohrungen im
Kreislauf geführt wird.
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Es ist auch bekannt, heißes Wasser oder Dampf zum Fluten anzuwenden,
wobei das nicht aus der Lagerstätte stammende Wärineträgennedium von Injektionsbohrungen
zu Förderbohrungen gepreßt wird. Es wird also Flutung und Erwärinung zusammen im
direkten Fluß von der Flutbohrung zur Förderbohrung durchgeführL Eine getrennte
Erwärmung und Behandlung des Lagerstättenmediums unter Kontrolle in einem zwischen
Flutung und Förderung angeordneten Behandlungsabschnitt ist nicht vorgesehen.
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Man hat auch elektrische Heizvorrichtungen beschrieben, die dazu dienen,
feste oder halbfeste ölanteile in unmittelbarer Umgebung einer Fördersonde durch
Wärineleitung zu erwärmen und fließfähig zu machen. Der Wirkungsbereich und die
Kapazität solcher Heizvorrichtungen in der Art eines Tauchsieders ist begrenzt und
nicht ausreichend, die erforderliche Wärmemenge zur Aufheizung größerer und weitreichender
Lagerstättenabschnitte zu erzeugen. Ein Verfahren und eine Heizvorrichtung zur kontrollierten
Aufheizung und Behandlung von Lagerstättenmedium, das zwischen benachbarten Bohrungen
in charakteristischen Winkeln zur Förderrichtung zirkuliert wird, ist im Zusammenhang
mit diesen bekannten Aufheizungsverfahren und -vorrichtungen für untertätige Lagerstätten
nicht bekannt.
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Weiterhin sind viele Verfahren bekannt, die den Zusatz von Gasen,
beispielsweise C02, oder von Chemikalien zum Lagerstättenmedium oder zum Flutwasser
betreffen. Von diesen unterscheidet sich das vorgeschlagene Verfahren nach der Erfindung
durch die mengenmäßige und zeitliche Abstimmung des Einsatzes der Zusatzstoffe auf
die Probenahme in einer besonderen zwischen Förderung und Flutung angeordneten Behandlungszone.
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Bei der Durchführung der genannten Verfahren ergeben sich ganz allgemein
Schwierigkeiten, wenn der Einfluß der Maßnahmen auf die genannte Lagerstätte und
ihre Inhaltsstoffe, bestehend aus gasfönnigen, flüssigen, eventuell festen Bitumina
und Lagerstättenwasser nicht genügend berücksichtigt wird. Diese Schwierigkeiten
treten ganz besonders auf, wenn der Viskositätsunterschied zwischen den bituminösen
Inhaltsstoffen und dem Lagerstättenwasser überhaupt nicht oder nicht genügend Berücksichtigung
findet und wenn die Einwirkung auf den Lagerstätteninhalt von einzelnen Bohrungen
aus, z. B. durch Einpressen in Injektionssonden oder in Reihen von Injektionssonden,
in linearer Richtung zu Förderbohrungen hin erfolgt. Wenn die sich zu clen Förderbohrungen
hin bewegende öl-Wasser-Kontaktzone nicht genügend vorsichtig und gleichmäßig behandelt
wird, was bei den bekannten Verfahren, da ohne Kontrolle, kaum durchführbar ist,
besteht die Gefahr, daß sich bevorzugte Priele oder Flutkanäle aus dem fließenden
Lagerstättenwasser bilden, was vornehmlich bei sich ändernder Perineabilität eintritt.
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Ein beispielsweises Arbeitsschema zur Durchführung des erfindungsgemäßen
Verfahrens ist in F i g. 1
dargestellt. Das Förderfeld ist durch eine Anzahl
Bohrungen aufgeschlossen, die gegliedert sind in den strukturtiefen Randwasserabschnitt
I, den Förderabschnitt III und den dazwischenliegenden Behandlungsabschnitt II.
Die Bohrungen des Abschnittes I, der sich mit fortschreitender Förderung in Richtung
auf die Förderzone hin ausdehnt, dienen zum Druckaufbau, bzw. zur Druckerhaltung
in der Lagerstätte; der Abschnitt III stellt die Förderzone dar, und im Abschnitt
11 erfolgt die Behandlung des Lagerstätteninhaltes.
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Eine oder mehrere Leitbohrungen 1 sind einer benachbarten Behandlungsbohrung
2 zugeordnet. Aus den Leitbohrungen 1 wird der unter Druck stehende Lagerstätteninhalt
als Trägermedium für Wärine und Zusätze entnommen. In der Behandlungsbohrung 2 wird
der Lagerstätteninhalt durch eine beliebige Wärmequelle zur Erniedrigung der Viskosität
über oder unter Tage erwärmt und wieder in die Lagerstätte zurückgeleitet. Durch
die Zirkulierung des Lagerstätteninhaltes zwischen den Bohrungen entstehen über
Tage Fließrichtungen in Richtung der Linien a und unter Tage in umgekehrter Richtung
der Linien b. Die Leitbohrungen 1 werden den angrenzenden Behandlungsbohrungen
2 so zugeordnet, daß diese Fließrichtung in einem Winkel von 45 bis 901 zur
allgemeinen Förderrichtung c steht, wodurch sich eine gleichmäßig hohe Wärmezone
zwischen der Leit- und Behandlungsbohrung ausbildet, die in Richtung c weiterwandert,
bis sie die nächste Bohrungsreihe erreicht, wo sie erneut aufgebaut wird.
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Während der Zirkulation zwischen den Leitbohrungen 1 und den
Behandlungsbohrungen 2 wird gleichzeitig aus den weiter abliegenden Förderbohrungen
3 Lagerstätteninhalt, z. B. öl, gefördert und gleichzeitig durch die
Flutbohrungen 4 Flutwasser zur Aufrechterhaltung des Lagerstättendruckes zugeführt,
so daß der Druck an allen Punkten der Lagerstätte über dem Gasentlösungsdruck des
Lagerstätteninhaltes liegt.
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Diese Maßnahme wird so lange durchgeführt, bis bei Probenahmen an
der Leitbohrung Zirkulationsmedium festgestellt wird, dessen Viskosität unter der
des LagerstättenÖles liegt; dann wird die Zirkulation unterbrochen, und die Leitbohrung
dient von nun an als Flutbohrung. Gleichzeitig wird eine weitere Reihe von Bohrungen
in den Behandlungsabschnitt II eingegliedert, während durch weitere Bohrungen in
Richtung c der Lagerstätte die Förderung aufgenommen wird.
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Das Verfahren gemäß der Erfindung wird in seiner Wirkung wesentlich
verbessert, wenn dem zwischen Leitbohrung und Behandlungsbohrung zirkulierenden
Medium geeignete Zusätze beigefügt werden, die die Grenzflächen- und Oberflächenspannung
herabsetzen. Diese werden zugegeben, wenn die öl-Wasser-Kontaktzone 5 sich
der Linie aus Leit- und Behandlungsbohrungen nähert. Aus Inhaltsberechnungen der
Lagerstätte und Probenahme aus der Leitbohrung kann dieser Zeitpunkt leicht bestimmt
werden. Erste Wasserspuren im öl aus den Leitbohrungen zeigen, ob der aus
der Inhaltsberechnung bestimmte Zeitpunkt eingehalten ist. Die Folge der Zusätze,
die in Menge und Zusammensetzung auf die Probenahme
abgestimmt werden,
ist, daß sich das Öl in der Kontaktzone leichter vom Gebirge ablöst und vom
Haftwasser leichter freigegeben wird.
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Gelangt bei fortschreitender Förderung die Öl-Wasser-Kontaktzone in
den Bereich der Leitbohrungen, weist das zirkulierende Medium einen steigenden Gehalt
an Lagerstättenwasser auf.
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Für die Gewinnung des Öles aus der Lagerstätte ist der wesentlichste
Faktor das Verhältnis der Viskosität des Öles zu der des Wassers. Das bedeutet,
daß sich die Entölung der Lagerstätte leichter und schneller durchführen läßt, wenn
die Viskosität der wäßrigen Phase sich der des Öles weitgehend nähert oder besser
noch diese übertrifft. Die Visoksität der wäßrigen Phase kann in üblicherweise durch
Zusatz geeigneter Chemikalien erhöht werden. Beispielsweise kann man dem Salzwasser
Natriumearboxymethylcellulose zusetzen. Besser sind indessen Zusätze, welche die
Viskosität der wäßrigen Phase erhöhen, ihr spezifisches Gewicht aber gleichzeitig
erniedrigen, z. B. öl-in-Wasser-Emulsionen (5 bis 20% Öl im Wasser), die vorzugsweise
aus dem Randwasser und dem Rohöl der Lagerstätte gebildet werden können.
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Die Ausbeute an Öl läßt sich weiter verbessern, wenn man dem
zirkulierenden, aus Öl und Wasser bestehenden Medium CO, in bekannter
Weise zusetzt. Vorteilhaft sind Konzentrationen bis 30%. Besonders vorteilhaft ist
es, die Kohlensäure dem in Zirkulation befindlichen Öl zuzugeben, kurz bevor
der öl-Wasser-Kontakt sich den Leit- und Behandlungsbohrungen nähert. Hierbei brauchen
nur geringe öhnengen mit C02 angereichert zu werden. Diese geben das C02 an das
Haftwasser der Lagerstätte und diese weiter an das Randwasser ab. Mit der Auffüllung
des Öles mit C02 erfolgt automatisch die Auffüllung des nachdringenden Randwassers.
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Die beschriebenen Maßnahmen ermöglichen eine wesentliche Beschleunigung
der ölförderung, da die Gefahr der Fingerbildung zwischen Öl und Wasser praktisch
ausgeschlossen wird. Durch die erhöhte Fließgeschwindigkeit wird aber gleichzeitig
die Reibung in der Lagerstätte erhöht. Damit treten Druckverluste auf. Um diese
zu kompensieren, wird das Randwasser verstärkt geflutet, und als Flutbohrungen werden
immer diejenigen Bohrungen benutzt, die nach Passieren des öl-Wasser-Kontaktes im
Randwasser stehen. Der erhöhte Druck in der Lagerstätte bewirkt, daß das am Kopf
der Leitbohrungen austretende Öl unter einem Druck oberhalb des Gasentlösungsdruckes
liegt.
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In F i g. 2 ist ein Querschnitt durch die Lagerstätte dargestellt.
Die Linie 6 zeigt den möglichen Temperaturverlauf im gegenwärtigen Behandlungsabschnitt,
die Linie 7 den Verlauf der Temperatur im verlassenen, in den Flutungsteil
eingegliederten Ab-
schnitt. Die Linie 8 macht den Wänneaufbau aus
Wärmezufuhr, aber auch aus Wärinetausch des angeheizten Randwassers mit dem Zirkulationsöl
in dem angrenzenden Abschnitt deutlich.
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Die gesamte Lagerstätte wird in Abschnitte aufgeteilt, die einzeln
für sich nach dem erfindungsgemäßen Verfahren behandelt werden können. Die LängeB
eines Abschnittes ist gleich der Entfernung zweier Leitbohrungen voneinander. Die
Breite A des Abschnittes entspricht dem doppelten Abstand dieser vorgenannten
Leitbohrungen. Die in der Fließrichtung c liegenden Abschnitte können nur nacheinander
in Behandlung genommen werden. Das hat den Vorteil, daß die Ergebnisse bzw. Erfahrungen
aus einem Abschnitt auf den folgenden Abschnitt übertragen werden und Berücksichtigung
finden können. Die nebeneinanderliegenden Abschnitte werden zweckmäßig gleichzeitig
behandelt.
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Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren ist also die Möglichkeit gegeben,
die Maßnahmen zum Hereinbringen des Lagerstätteninhaltes stufenweise, regulierbar
und kontrollierbar den Verhältnissen und Veränderungen in der Lagerstätte, insbesondere
im Bereich der öl-Wasser-Kontaktzone, sorgfältig und lückenlos anzupassen. Die Lagerstätte
wird abschnittsweise angewärmt. Als Wärineträger dient der Lagerstätteninhalt selbst.
Man erzielt durch die Erwärinung eine Viskositätserniedrigung und damit durch besseres
Fließverhalten eine raschere und vollständigere Förderung. Der erwärmte Lagerstätteninhalt
wird zwischen benachbarten Bohrungen des Behandlungsabschnittes 11 zirkuliert.
Er wird, wenn er sich unter Lagerstättendruck stehend, kurzzeitig über Tage befindet,
mit Stoffen versetzt, die seine physikalischen Eigenschaften verändern bzw. den
gegebenen Bedingungen anpassen, falls eine Probenahme dies als notwendig ergibt.
Durch die Kombination dieser Maßnahmen wird ein beschleunigtes und vollständiges
Hereinbringen der Bitumina aus der Lagerstätte erreicht und Verluste durch Verhinderung
der Bildung von Wasserfingern vermindert.
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Für die praktische Durchführung ist es empfehlenswert, zur Vermeidung
von Wärmeverlusten die Steigrohre in den Behandlungs- und Leitbohrungen mit Kunststoffschaum
und darüber liegendem Kunststoffrohr gegen Wärmeverluste zu isolieren. Als weitere
Maßnahme gegen Wärineverluste an das umgebende Gebirge um die Verrohrung ist es
vorteilhaft, zunächst die zwischen dem Steigrohr und der Bohrlochsverrohrung anstehende
Luft durch CO 2 zu verdrängen, wodurch die Wänneisolierung um 40% verbessert
wird, und anschließend diesen Zwischenraum zu evakuieren, um die Feuchtigkeit zu
verdampfen. Um Querströmungen zwischen Isolierung und Bohrlochswandung zu vermeiden,
bringt man zweckmäßig auf den Steigerohren im Ab-
stand der einzelnen Steigrohrlängen
Distanzscheiben an, welche die Steigerohre zentrieren und die Länge der Bohrung
in kleine Abschnitte unterteilen.