DE2421071A1

DE2421071A1 - Verfahren zur bitumenfoerderung aus teersandlagerstaetten

Info

Publication number: DE2421071A1
Application number: DE2421071A
Authority: DE
Inventors: Joseph Columbus Allen; Jack Franklin Tate
Original assignee: Texaco Development Corp
Current assignee: Texaco Development Corp
Priority date: 1973-05-04
Filing date: 1974-05-02
Publication date: 1974-11-28
Also published as: US3845820A; CA1001066A

Description

Verfahren zur Bitumenförderung aus Teersandlagerstätten

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bitumengewinnung aus Teersandlagerstätten mittels Lösungsbergbau (solution mining).

Erdöl wird in untertägigen Formationen oder Reservoirs, in welchen es sich angesammelt hat, gefunden und die Förderung wird durch Abteufen von Bohrungen in diese Reservoirs und Ausströmen des Fluids an die Erdoberfläche infolge des existierenden natürlichen Drucks oder, falls nur ungenügender natürlicher Druck gegeben ist, durch Pumpen ausgeführt.

—2—

409848/0317

Viele erdölhaltige Reservoirs enthalten Erdöl, welches zu
viskos ist, um es unter normalen Bedingungen durch Strömen
oder Pumpen aus dem Reservoir zu gewinnen. Liegen derartige
Reservoirs vor, ist die Förderung nur mittels Zusatzgewinnungsverfahren möglich, üblicherweise als Sekundär- oder Tertiärgewinnung bezeichnet, bei welchen Energie oder ein Lösungsmittel, um das Erdöl in Bewegung zu bringen, der Lagerstätte zugeführt wird, oder es wird ein Lösungsmittel injiziert, um die Erdölviskosität zu senken.

Das herausragende Beispiel für Erdöllagerstätten, in welchen die Erdölviskosität eine Gewinnung mittels üblicher Mittel verhindert, sind die sogenannten Teer- oder Bitumensande. Diese werden beispielsweise in den v/estlichen Staaten der USA, im
westlichen Canada und Venezuela angetroffen. Es ist bekannt, daß diese Formationen überaus große Reserven an bituminösem
Erdöl aufweisen, jedoch ist das in diesen enthaltene Erdöl
durch übliche Techniken nicht zu gewinnen.

Der gegenwärtige Stand der Technik zur Gewinnung von Bitumen aus Teersandlagerstätten kann allgemein als Abräumbergbau
(strip mining) oder in situ-Abtrennung klassifiziert werden. Das Abräumen erfordert die Entfernung der Deckschicht auf
mechanischem Wege und die Mischung aus Bitumen und Sand wird sodann in ähnlicher Weise auf mechanischem Wege entfernt und an die Oberfläche in eine Verarbeitungsanlage gefördert, um
eine Trennung von Bitumen und Sand durchzuführen. Die in situ-Abtrennverfahren machen von der Technik der Abtrennung des

-3-409848/0317

- _? ... 242¹OTI

Bitumens vom Sand in der Teersandlagerstätte seibot Gebrauch und nur Bitumen wird zur Oberfläche transportiert, während der Sand in der Lagerstätte verbleibt. Die gegenwärtig angewandten Techniken für die in situ-Abtrennung können als thermische oder Emulgierverfahren bezeichnet v/erden. Die thermischen Verfahren sind die in situ-Verbrennung (Hitzefluten) und Dampffluten. Die Emulgierverfahren beinhalten auch die Dampfanwendung und den weiteren Zusatz einer Chemikalie, um die Emulgierung des hochviskosen Bitumens zu fördern, so daß es an die Oberfläche transportiert werden kann.

Es ist dem Fachmann bekannt, daß der Abräumbergbau nur dann wirtschaftlich brauchbar ist, wenn das Verhältnis von Deckschichtstärke zur Stärke der Teersandlagerstätte etwa 1 oder weniger ist. Auch in Formationen, bei denen das Verhältnis von Deckschicht zu Formationsstärke 1 oder weniger ist, ist der Abräumbergbau aus vielerlei Gründen unwirtschaftlich. Enorme Materialmengen müssen verarbeitet werden und viele Teersandlagerstätten liegen in Regionen, wo das Klima feindlich für Maschinen und -bedienung ist. Weiter bedingen die Dichte und Abrasionen der Teersandlagerstätte schwierige Beschränkungen an der üblichen Ausrüstung für den Abräurcbergbati.

Aus. dem Vorstehenden ergibt sich, daß eine beträchtliche, unerfüllte Forderung nach einem Bitumengewinnungsverfahren für Teersandlagerstätten besteht, insbesondere für solche, welche r-elativ nahe an der Erdoberfläche liegen.

409848/031?

·■*- 2^21071

Die "beigefügte Zeichnung ist ein Querschnitt durch ein ο untertägige Teersandlagerstätte, welch;» dem erfindungogemüßen Verfahren des Lösungsbergbaus unterworfen wird.

Es wurde gefunden, daß untertägige TeerBandlagerstatten einem Lösungsmittelbergbau unterworfen werden können, indem die Deckschicht abgeräumt, eine oder mehrere Injektionsbohrungen und eine oder mehrere Produktionsbohrungen etwas entfernt von den Injektionsbohrungen abgeteuft, diese unverrohrten Teile der Bohrungen fertiggestellt werden und eine Flüssigkeitsströmung s einrichtung, wie beispielsweise eine Verrohrung in den fertiggestellten, unverrohrten Teilen der Injektionsbohrungen, und eine ähnliche Flüssigkeitsverbindungseinrichtung in den fertiggestellten, unverrohrten Produktionsbohrungen eingerichtet wird. Ein Bitumenlösungsmittel, welches schwerer als Wasser ist, wird in den Kopfteil der Teersandlagerstätte injiziert und der oberhalb der Lagerstätte befindliche und zuvor von der Deckschicht ausgefüllte Raum mit Wasser gefüllt. Das injizierte Lösungsmittel wandert horizontal durch den Kopf der Lagerstätte und löst bei seiner Bewegung Bitumen. Eine Bitumen-Lösungsmittel-Mischung wird aus der Produktionsbohrung gefördert. Das in dem unmittelbar über dem Lagerstättenteil, welcher dem Lösungsmittelbergbau unterworfen wird, befindlichen Raum enthaltene V/asser hält das Lösungsmittel und hilft das Lösungsmittel in die Lagerstätte zu drücken, wo es wirksamer Bitumen lösen kann. Wenn der Bitumen aus den oberen Teilen der Lagerstätte durch das sich in horizontaler Richtung bewegende Lösungsmittel extrahiert wird, sinkt die

in KOrJt-⁰ICt r.it der LpferrtM^te, ver^Viinclert die Yer- -pd^u'r von lösungsmittel

409848/03 17

-5- 242-071

Lösungsmittelschicht in bisher nicht "berührte Zonen der Lagerstätte und Wasser bewegt -sich nach unten, um den zuvor von Lösungsmittel und Bitiimen besetzten Raum zu füllen. Weiteres Wasser kann dem Hohlraum über der Lagerstätte zugesetzt v/erden, falls es notwendig ist, den Hohlraum zu füllen und die dem Hohlraum benachbarten Deckschichtwandungen zu stabilisieren. Das Verfahren findet seinen Fortgang mit der Abwärtsbewegung der lösungsmittelunterworfenen Zone, bis im wesentlichen aller Bitumen aus der Lagerstätte extrahiert und Wasser den zuvor vom Bitumen besetzten Raum ausgefüllt hat. Geeignete Lösungsmittel sind CSp, gewisse halogenierte Kohlenwasserstoffe, CCl., Mischungen derselben, und Mischungen solcher schweren Lösungsmittel mit üblichen Lösungsmitteln, wie z. B. aromatische oder aliphatische Kohlenwasserstoff-Lösungsmittel.

I. Das Verfahren

Eine Teersandlagerstätte (1) liegt genügend nahe der Erdoberfläche, so daß die Deckschichtentfernung wirtschaftlich ist. Die Deckschicht (2) wird in der Zone (3), welche unmittelbar über dem auszubeutenden Teil der Lagerstätte liegt, abgeräumt. Mindestens eine Injektionsbohrung (4) und mindestens eine Produktionsbohrung (5) werden in der Hauptsache bis auf den Boden der Lagerstätte abgeteuft und das Unverrohrte mittels

geschlitzten Linern fertiggestellt. Die Bohrungen können auch unter Verwendung von Röhrengütern fertiggestellt werden und eine Flüssigkeitsströmungsverbindung wird durch den gesamten Teersandabschnitt mittels beispielsweise Durchbohrungen eingerichtet. Eine Verrohrung (G) wird auf den Kopf des Teer-

-6-

409848/0317 ORIGINAL INSPECTED

s an'Jabschnitt es gesetzt, um einen Verbindungsweg von der Oberfläche in den Kopf der in die Lagerstätte abgeteuften Bohrung herzustellen.

In ähnlicher Weise wird eine Verrohrung oder eine andere flüssigkeit Gleitende Einrichtung (7) auf den Kopf der Lagerstätte gesetzt, um so eine Flüssigkeitsverbindung zwischen der Erdoberfläche und dem Kopfteil der Produktionsbohrung (5) einzurichten. Das Lösungsmittel wird aus dem Container (8) an der Oberfläche bereitgestellt und mittels Pumpe (15) in die Verrohrung (6) und in den oberen Teil der Injektionsbohrung (4) gepumpt. Wasser wird dem durch die Deckschichtentfernung entstandenen Hohlraum in der Zone (3) zugesetzt. Da das Lösungsmittel spezifisch schwerer als Wasser ist, wird es eine horizontale Schicht unter der im Hohlraum (3) enthaltenen Wasserschicht bilden xuid sich horizontal auf die Produktionsbohrung (5) bewegen. Anfänglich wird die Lösungsmitteleinwirkung auf eine sehr dünne Zone in der obersten Schicht der Lagerstätte beschränkt sein, T~. Das injizierte Lösungsmittel mit eingelöstem Bitumen wird aus der Produktionsbohrung gefördert und fließt durch die Leitung (7) zur Oberfläche. Obwohl nicht erfindungswesentlich ,ist es erwünscht, daß das Lösungsmittel einen relativ niedrigen Siedepunkt hat, um die oberirdische Trennung vom Geförderten zu erleichtern und um die Gesamtmenge an notwendigem Lösungsmittel zu senken. Die Mischung aus Lösungsmittel und Bitumen wird in den Tank (9) überführt. Der Ansaugstutzen (10) des Kompressors (11) wird auf den Kopf des Tanks (9) geführt, wobei der Tank mit Mischeinrichtungen und

409848/0317

einein Erhitzer ausgerüstet sein kann. Als Folge hiervon sinkt der Druck im Tank. Das niedrig siedende .Lösungsmittel wird schnell aus der Mischung entfernt und im wesentlichen alles verdampfte Lösungsmittel, das aus der Produktionsbohrung gefördert und in den Tank überführt worden war, strömt durch Leitung (10) zum Kompressor (11). Der vom Lösungsmittel befreite Bitumen wird durch die Leitung (12) in einen Lagertank oder eine Verarbeitungsanlage transportiert. Das komprimierte, verdampfte Lösungsmittel strömt anschließend durch Leitung (13) zum Kondensator (14), wo es wieder verflüssigt wird.

Anfänglich wird im wesentlichen alles benötigte Lösungsmittel aus externen Quellen zugeführt und aus dem Tank (8) in die Bohrung injiziert. Nachdem ausreichend Lösungsmittel gefördert worden ist und wachsende Mengen des gesamten injizierten Lösungsmittels durch Abtrennung und Verflüssigung erhalten worden sind, kann während fast des gesamten laufenden Verfahrens alles zu injizierende Lösungsmittel aus der Kreislaufanlage erhalten werden.

Wenn die sich in horizontaler Richtung bewegende Lösungsmittelzone Bitumen aus den oberen Teilen der Lagerstätte extrahiert, gerät sie nach unten und berührt neue Teile der Lagerstätte. Wenn der Bitumen aus dem Sand entfernt wird, bewegt sich das im Hohlra\im (35) enthaltene Wasser nach unten, urn den zuvor vom Bitumen besetzten Raum zu besetzen. Die Lösungsmitteleinwirkungszone wird immer eine relativ dünne, pfannkuchenartige, horizontale Zone an der Grenzfläche von Vfasser im Hohlraum

-3-409848/0317

• 2 4 21 G 71

(3) und der Lagerstätte sein. Aber diese Zone "bewegt sich stetig abwärts in dem Maße, wie das Lösungsmittel die Lagerstätte an Bitumen ausschöpft. Die relativen Zeiten sind längs der Zeitgrenzflächen Tq, T^, T₂, T,, etc. in der Zeichnung dargestellt und zeigen illustrativ, wie sich die Grenzfläche zwischen dein Wasser im Hohlraum (3) und dem Kopf der Bituinen-Lösungsinittelzone mit der Zeit verändert. Zusatzwasser wird dem Hohlraum (3) periodisch zugeführt, um den Hohlraum flüssigkeitsgefüllt zu halten, und das vom V/asser besetzte Gesamtvolumen wird solange steigen, bis die Lösungsmittelzone möglicherweise am Boden der Lagerstätte angelangt ist.

Nachdem die Lösungsmittelzone bis zum Boden der Lagerstätte gekommen ist, zeigt sich das Betriebsende in diesem Bereich des Reservoirs durch eine Abnahme des Bitumengehalts im aus der Verrohrung (7) geförderten Extrakt. Wenn bestimmt wurde, daß die Lösungszone bis nahe an den Boden der Lagerstätte gekommen und die Bitumenkonzentration im geförderten Extrakt genügend abgefallen ist, wird die in die Verrohrung (6) zu injizierende Flüssigkeit auf Wasser aumgestellt, um das restliche am Boden der Lagerstätte vorhandene Lösungsmittel zur Oberfläche zu verdrängen und es in einem anderen Formationsabschnitt erneut zu verwenden.

Bei der .Ausbeutung eines relativ großen Feldes ist es im allgemeinen vorteilhaft, mit mehreren Injektions- und Produktionsbohrungen gleichzeitig zu arbeiten. Ist ein Abschnitt eines Feldes ausgebeutet, kann der Hohlraum (3) mit Dockschicht aus

-9-409848/0317

2 U ^{? 1} Q 7 Ί

einen benachbarten, anschließend, auszubeutendem Abschnitt aufgefüllt werden. Da in der Schlußphase des Betriebs das Lösungsmittel aus der Lagerstätte wieder-gewonnen wurde, ist eine maximale Kreislaufführung und Wiederverwendung des Lösungsmittels möglich, um die Gesamtmenge an nötigem Lösungsmittel zu erhalten. Die Lagerstätte ist nach Verfahrensende relativ sauber und mit V/asser gesättigt, was keine unerwünschten Umweltprobleme bei einer künftigen Verwendung dieses Bereichs hervorruft.

II. Lösungsmittelzusammensetzung

Das im Verfahren als Lösungmittel geeignete Material kann jedes Material sein, was folgende wesentliche Eigenschaften aufweist:

1.) Das Material muß ein gutes Lösungsmittel für den jeweiligen zu fördernden Bitumen sein. Dies ist eine besonders wichtige Anforderung in Fällen von Teersandlagerstätten, da bituminöse Komponenten der Formationsflüssigkeit in einigen Materialien unlöslich sind, wobei diese Materialien gute Lösungsmittel für übliches Erdöl sind.

2.)'Die Dichte des Materials muß größer als die des V/assers sein, so daß es unterhalb des Wassers im Hohlraum und im oberen Teil der Lagerstätten während des Betriebs verbleibt.

5.) Das Lösungsmittel sollte bei den in der Lagerstätte

-10-4098A8/0317

herrschenden Betriebstemperaturen im wesentlichen unlöslich in Wasser sein und mit demselben nicht reagieren.

Die nachstehend aufgeführten zusätzlichen Anforderungen sind zwar nicht unbedingt wesentlich, aber sehr erwünscht insbesondere aus wirtschaftlichen Gründen:

a) Das Lösungsmittel sollte einen ausreichend niedrigen

es Siedepunkt aufweisen, so daß/von der hergestellten Lösungsmittel-Bitumen-Mischung leicht abgetrennt werden kann.

b) Das Lösungsmittel sollte billig und leicht zugänglich sein.

Ein besonders bevorzugtes Lösungsmittel für das erfindungsgemäße Verfahren, welches im wesentlichen alle oben zitierten Anforderungen befriedigt, ist CSp. CSp ist ein gutes Lösungsmittel für fast alle Kohlenwasserstoffe und ein sehr wirkungsvolles Lösungsmittel für asphaltische oder bituminöse Materialien in viskosem Erdöl und Teersandlagerstätten, welche in einer Reihe üblicher Kohlenwasserstoff-Lösutigssiittel nicjjf erfolgreich gelöst werden können, CSp erfüllt auch die Dichteanforderung. Seine Dichte von 1,263 ist beträchtlich größer als die des Wassers. Es siedet bei 46,J⁰C, was eine Abtrennung von der hergestellten Mischung zum Zwecke der Kreislaufführung und Wiederverwendung erlaubt. In einer insbesondere bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens in einer

-11-409848/0317

_ M _ 2^071

Formation, wie sie in der beigefügten Zeichnung ausgerüstet wurde, wird CS₂ durch die Injektionsvorrichtung in den Oberteil der Formation injiziert, v/andert horizontal zu der nahen Förderbohrung und löst bei seiner Wanderung Bitumen aus dem Teersand. CS₂ kann ohne Zusatz von wesentlichen Energiemengen zum Abtrennkessel aus dieser Mischung abgetrennt werden und steht nach Verflüssigung z\ir erneuten Injektion zur Verfügung.

Obwohl CS₂ ohne weitere Materialzumischung ein ausgezeichnetes Lösungsmittel für das Verfahren ist, kann aus wirtschaftlichen Gründen eine Vermischung mit einem billigeren Lösungsmittel erfolgen, um die Lösungsmittelkosten zu senken. Mischungen von CS₂ und aliphatischen oder aromatischen Kohlenwasserstoffen können verwendet werden, solange die Mischung ausreichende CSp-Konzentrationen aufweist, damit die Dichte der Mischung größer als 1 ist. Ein Beispiel für eine geeignete Lösungsmittelmischung besteht aus 25 % aliphatischen! Co-Kohlenwasser- , stoff oder einem aliphatischen Kohlenwasserstoff, der eine einem Co-Kohlenwasserstoff äquivalente Dichte aufweist, und 75 % CSp. Die Dichte der Mischung ist größer als 1, was sicherstellt, daß sie unter dem in den leeren Raum, welcher sich unmittelbar oberhalb des dem erfindungsgemäßen Verfahrens unterworfenen Lagerstättenteils befindet, injizierten Viassers verbleibt. Ein anderes Beispiel für eine geeignete Lösungsmittelmischung besteht aus mindestens 50 % CS₂ und Toluol. Gemischte, aromatische Materialien, wie sie beispielsweise häufig aus Raffinerien erhältlich sind, können in Kombination mit CS₂

-12-4 0 9 8 4 8/0317

- 12 - 2*2¹071

verwendet werden, solange die resultierende Dichte größer als 1 ist.

Halogenierte Kohlenwasserstoffe oder CCl. können gleichfalls als Lösungsmittel zur Herstellung einer Lösungsmittelmischung mit einer 1 übersteigenden Dichte verwendet werden« CCl. weist eine Dichte von 1,595 auf, was es zur Formulierung einer Lösungsmittelmischung geeignet macht. Eine Mischung aus CCl. und einem aliphatischen Co-Kohlenwasserstoff-Lösungsmittel kann eine befriedigende Mischung sein, wenn die Mischung mindestens 50 % CGI. enthält. Eine Mischung aus CCl. und Toluol ist ähnlich wirksam und es kann ein geringfügig niedrigerer CCl.-Gehalt toleriert werden, solange die Mischung oberhalb der verfahrensmäßig notwendigen Grenze liegt.

Eine Mischung aus CCl. und CS^ ist eine weitere bevorzugte Mischung.

III. Feldversuch

Von einer TeersaiflLagerstätte mit 7,62 m starker Deckschicht und 9,14 m starker Lagerstätte wurde die Deckschicht auf mechanischem Wege abgetragen und der Lagerstättenkopf freigelegt. Eine Injektionsbohrung wurde zum Boden der Lagerstätte abgeteuft und das offene Bohrloch fertiggestellt mit einer Verrohrung auf dem Kopf der Lagerstätte, um einen im wesentlichen flüssigkeitsdichten Strömungsweg mit der offenen Injektionsbohrung einzurichten. Eine Förderbohrung, 15,2 m von der Injektionstohrung entfernt, wurde in ähnlicher Weise fertigge-

-13-409848/0317

2 ι-, ? 1 Q 7 1

stellt mit einer Verrohrung zur Oberfläche. Eine Mischung aus 60 % OS₂ und 40 ?o Toluol wurde durch die Injektionsbohrung injiziert. Der durch das Abtragen der Deckschicht entstandene Hohlraum wurde mit Wasser gefüllt. Eine aus Lösungsmittel und den Extrakten der Lagerstätte bestehende Mischung wurde durch die Produktionsbohrung gefördert. Die Mischung wurde zur Vakuumabtrennung des Lösungsmittels behandelt und der Bitumenteil des geförderten Extraktes in Verarbeitungsanlagen überführt. Das verdampfte Lösungsmittel wurde zur erneuten Injektion komprimiert und kondensiert. Als die Lösungsmittelschicht

Via s s er tiefer in die Lagerstätte v/anderte, wurde fortlauf end/in den Hohlraum gegeben, um sein Niveau einige Meter unter der Oberfläche zu halten. Das Verfahren wurde fortgesetzt, bis die Konzentration an Bitumen im geförderten Lösungsmittel merklich abnahm. Die- Lösungsmittelinjektion wurde beendet und Wasser durch die Injektionsbohrung injiziert, um das Lösungsmittel zur Wiederverwendung desselben in einem benachbarten Lagerstättenteil zur Förderbohrung zu verdrängen. Im wesentlichen alles im behandelten Lagerstättenbereich vorhandene Bitumen wurde mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens gewonnen. Auch die Lösungsmittelwiedergewinnung ist im wesentlichen vollständig.

409848/0 317 ORIGINAL INSPECTED

Claims

^ T 74 011 P aΜ t e η t a η s ρ r ü c h e

1.) Verfahren zur Gewinnung von Bitumen aus Teersandlagerstätten durch Lösungsbergbau, wobei das Verhältnis von Deckschichtstärke zu Stärke der Lagerstätte O bis 1 beträgt und Ingektions- und Fördereinrichtungen in die Lagerstätte abgeteuft v/erden und die aus Lösungsmittel und Bitumen bestehende Mischung aus der Lagerstätte durch "die Fördereinrichtungen gewonnen wird, dadurch gekennzeichnet,' daß

die Deckschicht über mindestens einem Teil der Lagerstätte entfernt, in den Kopf der Lagerstätte ein sich hauptsächlich in horizontaler Richtung durch die Lagerstätte bewegendes Bitumenlösungsmittel mit einer Dichte y 1 injiziert und der durch die Deckschichtentfernung entstandene Raum über dem Lagerstättenkopf mit V/asser gefüllt wird.

2.) Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Bitumenlösungsmittel mit CSp oder einem halogenierten Kohlenwasserstoff, wie CCl., sowie mit Mischungen derselben mit aliphatischen oder aromatischen Kohlenwasserstoffen, wie beispielsweise aliphatischen C.-Cg-Kohlenwasserstoffen, vorzugsweise Butan, Pentan, oder Benzol und Toluol, gearbeitet wird.

3.) Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß als Bitumenlösungsmittel mit einer CS₂-CCl.-Mischung gearbeitet wird.

4.) Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß-die geförderte Mischung einer Vakuumabtrennung unterworfen, das abgetrennte Lösungsmittel kondensiert und erneut in die Lagerstätte injiziert wird.

-15-409848/0317

-15- ' 2^21071

5.) Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine Flüssigkeit, wie z. B. Wasser, durch, die Injektionseinrichtungen zur Wiedergewinnung von Lösungsmitteln aus der Lagerstätte injiziert wird.

409848/0317

Leerse ite