-
Verfahren und Vorrichtung zur Intensivierung der Ausbeute beim Wasserfluten
einer Erdöllagerstätte Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung
zur Intensivierung der Ausbeute beim Wasserfluten einer Erdöllagerstätte.
-
Es ist bereits vorgeschlagen worden, durch Einbringung elektrischer
Hochfrequenzerzeuger in ein Bohrloch eine Erwärmung von ölhaltigen Schichten und
eine dadurch bedingte Viskositätsänderung des darin enthaltenen Erdöls vorzunehmen,
um dadurch dieses Erdöl leichter fördern zu können. Es ist auch bereits bekannt,
die Wände von Bohrlöchern mittels flüssigkeitsbetriebener oder druckluftbetriebener
Vibrationskörper zu säubern. Dabei haben die Vibrationskörper jedoch nur eine sehr
begrenzte Wirkung auf ihre engere Umgebung. Es ist auch bereits vorgeschlagen worden,
Ultraschall für die Trennung von Petroleum von Sandkörnern bei der Ausbeute von
ölsandlagern zu verwenden. Dieses Verfahren setzt jedoch einen gleichzeitigen mechanischen
Abbau des Ölsandlagers voraus und läßt sich nicht auf das Wasserfluten zur Ausbeutung
unterirdischer Erdöllagerstätten anwenden. Außerdem wird auch bei diesem bekannten
Verfahren der Ultraschall mittels mechanischer Unwuchten erzeugt, deren Frequenzbereich
naturgemäß nach oben begrenzt ist. Die Trennwirkung der Ultraschallwellen hängt
aber entscheidend von ihrer Frequenz ab und wird mit zunehmender Frequenz besser.
-
Der Erfindung lag die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung
zu entwickeln, mit denen unter Vermeidung der Nachteile der vorstehend genannten
bekannten Verfahren und Vorrichtungen mit relativ geringem technologischem Aufwand
eine Erhöhung der Ausbeute beim Wasserfluten einer nicht im Tagebau abbaubaren Erdöllagerstätte
erzielbar ist.
-
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß mit Hilfe der
Energie des Flutwassers im Bereich der Eintrittsstelle der Flüssigkeit in die Lagerstätte
Ultraschallimpulse erzeugt und über die Flüssigkeit in die Lagerstätte hineingeleitet
werden.
-
Mit Hilfe dieser in die Lagerstätte hineingeleiteten Ultraschallimpulse
wird das an den Gesteinsschichten haftende Erdöl gelöst und mit dem Flutwasser ausgeschwemmt.
Mit dem Verfahren gemäß der Erfindung läßt sich eine beachtliche Erhöhung der Erdölausbeute
der gefluteten Erdöllager erzielen, wobei Versuche Ausbeuten von über 95 0!o des
in Lagerstätten enthaltenen Erdöls ergeben haben. Die an der Oberfläche der Gesteinsschichten
adsorbierten Erdölschichten werden durch die Ultraschallwellen abgerissen. Ihre
molekularen Oberflächenkräfte sind etwa einem Druck von 3,5 bis 5 - 103 ata äquivalent.
Die erfindungsgemäß erzeugten Ultraschallimpulse erreichen dagegen Druckwerte von
8 bis 9,5 - 103 ata. Außerdem wird eine örtliche und kurzzeitige Veränderung der
Ladung der Oberflächenschichten der Erdölträger erreicht, was bis zu einer Neutralisierung
der modukularen Oberflächenkräfte führen kann, wodurch ebenfalls ein Lösen der auf
ihnen festgehaltenen Erdölschichten erreicht wird. Die Ionisationsspannungen in
der Größe von einigen hundert Volt pro Zentimeter verstärken die elektrischen Dipole
an der Oberfläche der Erdölträger beachtlich.
-
Durch die Ultraschallimpulse erfolgt eine mechanische Zerstörung der
einheitlichen Struktur der räumlichen Gitter höherer Beweglichkeit, welche ein zusammenhängendes
Erdölhäutchen auf den Gesteinsschichten bilden. Das abgetrennte Erdöl wird in Form
von Tröpfchen abgeführt. Die mechanische Zerstörung der Erdölhäutchen wird durch
die Wirkung pulsierender Bläschen von im Erdöl eingeschlossenen Gasen unterstützt,
deren Resonanzfrequenz zum großen Teil in dem verwendeten Frequenzbereich der Ultraschallimpulse
liegt. Die gebildeten kleinvolumigen Erdöltröpfchen bewegen sich leicht in den Kanälen
der Lagerstätten, in welche sie durch das Flutwasser eingeschleust werden und wo
keine erneute Ablagerung an den begrenzenden Gesteinsschichten befürchtet werden
muß. Durch die mit dem Flutwasser in die Erdöllagerstätte eingeleiteten Ultraschallimpulse
wird die Entwicklung von unerwünschten Übergangszonen in der Lagerstätte, die sich
negativ
auf die Phasendurchlässigkeit auswirken können, vermieden. Durch eine intensive
Ultraschalleinwirkung gemäß dem Verfahren der vorliegenden Erfindung kann sogar
eine Zerstörung der großen Ketten der Kohlenwasserstoffmoleküle des Erdöls in veit`:ehend
homologe Komponenten erzielt werden, da die großen Ketten eine relativ große Trägheit
besitzen und von den Ultraschallwellen nicht einfach in Schwingung versetzt werden.
-
Durch die Ultraschallimpulse wird auch eine verarößerte Reibung zwischen
den Molekülen erzielt, wodurch Krackwirkungen erzielt werden, die unter anderem
eine Verkleinerung des spezifischen Gewichts und der Viskosität des Erdöls bewirken
und damit das Ausfluten des Erdöls begünstigen. Durch da, Ultraschallkracken treten
ungesättigte Valenzen auf, die weitere chemische und das Ablösen des Erdöls begünstigende
Reaktionen hervorrufen, be-Qünstiot durch die auftretende teilweise Dissozation
des Wassers. Durch all diese Nebenwirkungen wird beim Verfahren gemäß der vorliegenden
Erfindung ein erstaunlich hoher Wirkungsgrad der Erdölausbeute erzielt. Zu diesen
zusätzlichen Wirkungen gehört auch eine die Erdölbindung am Trägergestein zerstörende
Hydrogenisierung durch H- Radikale der Qekrackten Erdölkomponenten und die Bildung
oberflächenaktiver Stoffe durch OH' Radikale. Außerdem tritt eine thermische Wirkung
auf, die sich in der Grenzfläche zwischen den Erdölbelägen und dem Trägermaterial
lokalisiert. Es handelt sich um elektrokinetische Erscheinungen, die von der Wechselwirkung
der Ionenschichten an der Grenze zwischen zwei unterschiedlichen Stoffen ausgehen.
Die Ultraschallimpulse wirken auch auf die Mikrofauna im Wasser ein, die häufig
eine Verstopfung freier Kanäle in den Erdöllagerstätten zur Folge hat und dadurch
die Durchlässigkeit dieser Schichten vermindert.
-
Erfindungsgemäß werden die Ultraschallschwingungen im Bohrloch mittels
Schwingkörpern erzeugt, die von der Druckflüssigkeit durchströmt und!oder angeströmt
werden. Dabei kann die Entstehung der Ultraschallwellen durch eine Wirbelbildung
in der die Schwingkörper durchströmenden Druckflüssigkeit unterstützt werden. Die
erzeugten Ultraschallimpulse treten in die Erdöllagerstätte ein, deren kleine Hohlräume
und Poren durch das Flutwasser voll gesättigt sind, wodurch die Ultraschallimpulse
in ihrer vollen Stärke wirksam werden.
-
Die Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens gemäß der Erfindung
besteht aus einem am Ende der Steigleitung angebrachten Ultraschallerzeuger, der
aus mindestens einem von der Druckflüssigkeit durchströmten Körper besteht, der
eine vorzugsweise düsenförmige Flüssigkeitsaustrittsöffnung und eine der öffnung
in einem bestimmten Abstand gegenüberliegende Prallfläche aufweist. Diese Vorrichtung
weist also nicht wie bekannte Vorrichtungen eine mechanisch betriebene Unwucht auf
und erfordert keinen gesonderten Antrieb. Sie arbeitet mit dem in das Bohrloch eingeführten
Druckwasser und erzeugt dabei Ultraschallfrequenzen, die wesentlich höher liegen
und entsprechend wirksamer sind als Ultraschallschwingungen, die mittels mechanischer
Unwuchten erzeugt werden. Das Druckwasser liefert also die Energie für die Ultraschallimpulse
und bildet gleichzeitig den Träger für diese Impulse.
-
Die Prallfläche des Ultraschallerzeugers kann durch ein Zylindersegment
gebildet sein, oder die Prallplatte kann mit einem Zylindersegment verbunden sein.
Der Abstand zwischen der Austrittsöffnung und der gegenüberliegenden Prallfläche
ist vorzugsweise einstellbar. Zur Erzielung einer die Ultraschallimpulsbildung begünstigenden
rotierenden Bewegung der Druckflüssigkeit können in der Steigleitung Leitflächen
oder eine Turbineneinrichtung vorgesehen werden. Außerdem ist im Innern des Schwingkörpers
vor der Flüssigkeitsaustrittsöffnung mindestens eine Wirbelrippe angeordnet. Bei
einem bevorzugten Ausführungsbeispiel einer Vorrichtung nach der Erfindung endet
die Steigleitung in mehreren, parallel zueinander geschalteten Schwingungskörpern
oder Schwingungskammern, zwischen denen Trennwände angeordnet sind.
-
In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel einer Vorrichtung gemäß
der Erfindung mehr oder weniger schematisch und teilweise im Schnitt dargestellt.
-
Die Vorrichtung ist ihrer Wirkung nach ein hydrodynamischer Umformer,
genauer genommen ein wirbelhydrodynamischer Umformer. Am Ende des in ein bis in
eine ölhaltige Gesteinsschicht, beispielsweise Ölsandsteinschicht 1, vorgetriebenen
Bohrloch 2 eingesetzten Druckwasserrohres 3 sind mehrere Schwingkörper 4, von denen
in der Zeichnung nur vier dargestellt sind, hintereinander angeordnet, aber parallel
zueinander an die Druckwasserleitung 3 angeschlossen. Die einzelnen Schwingungserzeuger
4
sind durch Trennwände 5 voneinander getrennt und beeinflussen sich nicht,
da Interferenzen zwischen den einzelnen Schwingungskörpern durch die Zwischenwände
5 verhindert werden. Wie aus dem obersten und teilweise im Schnitt dargestellten
Schwingungserzeuger 4 ersichtlich ist, weist jeder Schwingungserzeuger eine Druckwasserausströmdüse
6 auf, der eine Prallfläche 7 gegenüberliegt. Innerhalb des Schwingungskörpers 4
sind Wirbelrippen 8 vorgesehen.
-
Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel ist der Abstand zwischen
der Ausströmdüse 6 und der gegenüberliegenden Prallfläche 7, der sich durch Versuche
bestimmen läßt, fest eingestellt. Dieser Abstand hat entscheidenden Einfluß auf
die Breite des erzeugten Ultraschallspektrums, das außerdem von der Druckstärke
und von der Geschwindigkeit des Druckwassers abhängig ist. Die Prallplatte oder
Prallplatten 7 sind zweckmäßig mit einer Grundplatte 9 des Schwingungskörpers
4 fest verbunden. An die Prallplatte 7 und den Grundkörper 9 ist außerdem ein Zylindersegment
10 angeschweißt.
-
Die Ultraschallimpulse werden im Wasser beim Austreten aus der Düse
6 und beim Auftreffen auf die Prallfläche 3 erzeugt. Der Wasserstrahl wird vorzugsweise
tangential geführt. Die Zahl der verwendeten Druckerzeuger richtet sich nach der
Mächtigkeit der Erdöllagerstätte und deren Beschaffenheit sowie nach der vorhandenen
Menge an Druckwasser.
-
In der Zeichnung ist auch die oberhalb der Erdöllagerschicht
1 gelegene Gesteinsschicht 11 dargestellt, die einen reflektierenden
Horizont für die Ultraschallwellen bildet. Das Mantelrohr 12 für das Bohrloch
und die Zementmantelschicht 13 des Bohrloches enden oberhalb der Druckerzeuger.
Die Druckerzeuger befinden sich also in einem unbewehrten Endteil des Bohrloches2.
Die Länge des unbewehrten Teiles des Bohrloches kann in einem gewissen Verhältnis
zur Länge des mit den Schwingungskörpern 4
besetzten Teiles des Druckwasserrohres
3 gesetzt
werden. Die hydrodynamischen Umformer, also die Schwingungskörper
4, können unterschiedlichen Aufbau haben. Dies gilt insbesondere für die Form der
Reflexionsflächen und die Druckwasseraustrittsdüsen.
-
Im Vergleich mit dem äußerst hohen Wirkungsgrad ist die für die Ultraschallerzeugung
benötigte Energie, die durch das Druckwasser geliefert wird, relativ klein. Es ist
bislang keine andere Vorrichtung und kein Verfahren bekannt, bei welchem eine auch
nur annähernd gute Wirkung bei gleichem Energieaufwand erzielt werden könnte. Die
Wirksamkeit der Vorrichtung wurde in gründlichen Vorversuchen bei unterschiedlichen
Druckwerten, Temperaturen und Gaskonzentrationen und in der Anwendung auf unterschiedliche
natürliche und künstliche Erdölträger mit unterschiedlicher Porosität, Durchlässigkeit,
Wasser-und Erdölsättigung erprobt. In allen Versuchsfällen verblieb bei einem Wasserfluten
ohne Ultraschallaktivierung ein Erdölrückstand, der bei Ultraschallaktivierung um
43 bis 97,60.%o verkleinert werden konnte. Bei extrem günstigen Bedingungen, z.
B. bei Öllagerstätten mit einer Durchlässigkeit von über 1600 Millidarßi, die mit
einem leichten Erdöl mit einem spezifischen Gewicht von 0,833 gesättigt waren, konnte
nach Anwendung des Verfahrens praktisch überhaupt kein Restöl mehr festgestellt
werden, auch nicht nach einer Extraktion mit Aceton von der vierfachen Menge des
Porenvolumens. Die Versuche haben bewiesen, daß der Gegenstand der Erfindung bei
geringem Aufwand und mit breiter Kombinationsmöglichkeit bei den meisten Erdöllagerstätten
mit Erfolg angewandt werden kann.