DE2421581A1 - Verfahren zur gewinnung von erdoel aus unterirdischen, viskosen, erdoelhaltigen formationen - Google Patents

Verfahren zur gewinnung von erdoel aus unterirdischen, viskosen, erdoelhaltigen formationen

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Description

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I)R Ι'!.'; Ή Ί ίΝι·. ■-■- .·> :ϊ '■
! 1 Γ ! Ii ν -. - ί -; ■■ ·<ι ■ ' ■ - ■ - .
Texaco Development Corporation - "'"·'-;■ \'Χ%
New York, N.Y., V.St.A., und
Texaco Exploration Canada Ltd.,
Calgary, Kanada
Verfahren zur Gewinnung von Erdöl aus unterirdischen, viskosen, erdölhaltigen Formationen
Die Erfindung betrifft ein Ölgewinnungsverfahren, insbesondere ein Verfahren zur Gewinnung von Öl oder Erdöl aus unterirdischen, viskosen, erdölhaltigen Formationen, wie Teersandlagerstätten.
Es ist bekannt, daß über die ganze Welt verstreut zahlreiche unterirdische, erdölhaltige Formationen existieren, aus denen das Erdöl wegen deren relativ hoher Viskosität nicht auf übliche bekannte Weise gewonnen werden kann. Von solchen viskosen, erdölhaltigen Formationen sind am besten die sogenannten Teersande oder bituminösen Sandlagerstätten bekannt. Die größte und berühmteste derartige Lagerstätte findet sich im Athabasca-Gebiet im nordöstlichen Teil der kanadischen Provinz Albertao Diese Lagerstätte soll über 83 Milliarden Kubikmeter Erdöl enthalten. Andere ausgedehnte Lagerstätten existieren bekanntlich im westlichen Teil der Vereinigten Staaten, in Venezuela und in geringerem Ausmaß in Europa und Asien.
Dr.F/Bl/jo
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Teersande werden häufig als Sande definiert, die mit einem hochviskosen und in seinem natürlichen Zustand nicht auf übliche bekannte Weise durch ein Bohrloch gewinnbaren Erdölrohmaterial gesättigt sind. Die in den Teersandlagerstätten enthaltenen Kohlenwasserstoffe sind in der Regel ihrer Art nach stark bituminös. Die Teersandlagerstätten sind in der Regel in der "Weise aufgebaut, daß feiner Quarzsand mit einer Wasserschicht bedeckt ist und das bituminöse Material den Hauptteil des Porenraums rund um die feuchten Sandkörnchen einnimmt. Der Rest des Porenvolumens kann mit Haftwasser gefüllt sein und gelegentlich ein geringes Volumen Gas, in der Regel Luft oder Methan, enthalten. Die Sandkörnchen sind bis zu einem Porenvolumen von etwa 35%, entsprechend etwa 83 Gew.-% Sand, gepackt. Der Rest des Materials ist Bitumen und Wasser. Die Summe von Bitumen und Wasser entspricht nahezu immer etwa 17 Gew.-%, wobei der Bitumenanteil von etwa 2 bis etwa16% variiert.
Es ist eine ungewöhnliche Eigenschaft von Teersandlagerstätten, daß die Sandkörnchen nicht irgendwie verfestigt sind, d.h. der Sand ist im wesentlichen in dem festen oder nahezu festen Kohlenwasserstoffmaterial suspendiert. Die API-Dichte des Bitumens reicht in der Regel von etwa 6 bis etwa 8, das spezifische Gewicht bei einer Temperatur von 15,6°C von etwa 1,006 bis etwa 1,027. Etwa 50% des Bitumens sind ohne Crackung destillierbar. Der Schwefelgehalt liegt im Durchschnitt zwischen 4 und 5%· Das Bitumen ist ebenfalls sehr viskos. Auch wenn es nach in situ-Trennverfahren gewonnen werden kann, muß das angefallene Erdöl etwas an Ort und Stelle raffiniert werden, um es in einen pump- und fließfähigen Zustand zu überführen.
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Bitumen läßt sich aus Teersandlagerstätten durch bergbautechnische Maßnahmen oder durch in situ-Verfahren gewinnen. Bisher erfolgte die Bitumengewinnung hauptsächlich auf bergbautechnischem V/ege, obwohl diese Maßnahmen auf solche Gegebenheiten beschränkt sind, bei denen das Verhältnis der Dicke der über der Teersandlagerstätte liegenden Masse (Schichten) zur Dicke der Teersandlagerstätte wirtschaftlich tragbar ist, d.h., gemäß allgemeiner Definition, 1 oder weniger beträgt. Die entwickelten in situ-Verfahren lassen sich in thermische Verfahren (Feuerfluten oder Einblasen von Dampf) und Dampf- plus Emulgierungsabtreibverfahren einteilen. Obwohl bisher noch nicht versucht, wurde bereits ernsthaft in Erwägung gezogen, die zur Mobilisierung des Bitumens erforderliche Wärme durch unterirdische Atomexplosionen zu erzeugen.
Trotz der zur Gewinnung von Bitumen aus Teersandlagerstätten vorgeschlagenen zahlreichen Verfahren gibt es bisher noch keine erfolgreiche Ausnutzung solcher Lagerstätten durch großtechnisch durchführbare in situ-Verfahren. Da sich die bekannten Verfahren weder großtechnisch noch wirtschaftlich durchführen lassen, besteht, insbesondere im Hinblick auf die in dieser Form vorhandenen enormen Reserven, die einen Großteil des heutigen Energiebedarfs decken könnten, ein großer Bedarf nach einem großtechnisch und wirtschaftlich durchführbaren Verfahren zum.Gewinnen von Bitumen aus Teersandlagerstätten.
Anhand der beigefügten Zeichnung, die einen Querschnitt durch eine Teersandlagerstätte darstellt, wird die erfindungsgemäß in situ durchgeführte Gewinnung von Bitumen näher erläutert.
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Es wurde überraschend gefunden, daß sich viskoses Erdöl aus unterirdischen, viskosen, erdölhaltigen Formationen hei Einsatz eines flüchtigen Lösungsmittels, wie Schwefelkohlenstoff oder Toluol, unter solchen Bedingungen, daß das Lösungsmittel während des Hauptteils der Gewinnungszeit in dem Ölgewinnungsreservoir gehalten wird, gewinnen läßt. Bei der Durchführung des Verfahrens gemäß der Erfindung kommt es zu einem Rückfluß (des Lösungsmittels) in das Reservoir, wobei das viskose Erdöl in Lösung gebracht wird. Während dieses Vorgangs verliert das Lösungsmittel Wärme, wobei es kondensiert und schließlich nach unten in einen mit einem sich horizontal durch die Formation bewegenden heißen fließfähigen Medium gefüllten Strömungspfad fließt. Bei diesem Verfahren muß ein Verbindungspfad für den Fluidumstrom z.B. durch hydraulische Rißbildung und anschließende Verstrebung mit einem groben, durchlässigen Material tief in der Formation festgelegt werden, worauf ein erwärmtes Strömungsmittel in den Verbindungspfad eingespritzt oder eingeblasen wird, um den Verbindungspfad zumindest über eine beträchtliche Strecke vom Einblasbohrloch weg auf eine Temperatur über dem Siedepunkt des verwendeten flüchtigen Lösungsmittels zu erwärmen. Anschließend wird das Lösungsmittel über den erwärmten Verbindungspfad in das Reservoir eingespritzt. Das Lösungsmittel verdampft und steigt dabei aufwärts in die Formation, wobei es das Erdöl auflöst und bei seiner Bewegung seine Wärmgverliert. Das verflüssigte Lösungsmittel mit dem darin gelösten Erdöl oder Bitumen fließt dann abwärts in den unteren Teil der Formation zu dem vorher hergestellten, erwärmten Verbindungspfad oder -kanal, wo es das über diesen Pfad in die Formation eingeblasene erwärmte Strömungsmittel kontaktiert. Das Bitumen
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wird auf dieses sich bewegende, erwärmte Strömungsmittel übertragen, wobei das flüchtige Lösungsmittel erneut verdampft und in die Formation aufsteigt, um weiteres Erdöl zu lösen. Das eingeblasene Strömungsmittel kann ein wäßriges, wie Heißwasser oder Dampf, oder ein nicht-wäßriges, wenig flüchtiges Mittel sein, etwa ein aromatischer Kohlenwasserstoff, wie Toluol oder Xylol, oder ein aliphatischer Kohlenwasserstoff mit drei bis sieben Kohlenstoffatomen. Am Produktionsbohrloch können nahe der die Fluidumstromverbindung mit dem Strömungspfad der Formationen herstellenden Perforationen Dampffallen vorgesehen werden, um auf diese Weise zu gewährleisten, daß kein verflüchtigtes Lösungsmittel oder ein anderes gasförmiges Material die Formation verläßt.
Im folgenden sind bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung beschrieben:
1. Das Verfahren
Das erfindungsgemäße Verfahren läßt sich am besten anhand der beigefügten Zeichnung erläutern, welche die Art und Weise veranschaulicht, auf die eine unterirdische Formation erfindungsgemäß ausgebeutet werden kann. Beispielsweise liegt eine Teersandlagerstätte 1 für den Tagebaubetrieb zu tief, und das darin enthaltene Erdöl ist stark bituminös und erheblich zu viskos, als daß es seine Gewinnung durch auf normale Weise in die Formation geführte Bohrlöcher erlauben würde. Aus diesem Grund wird ein Einblasbohrloch 2 zur Formation geführt, und eine Fluidumverbindung wird zwischen dem Bohrloch und der Formation tief in letztere hinein mittels Perforationen 3 hergestellt. Außerdem wird ein Produktionsbohrloch 4 in die Formation geführt, wobei auf ähnliche Weise tief in die
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Formation hineinreichende Fluidumströmungsverbindungen mittels Perforationen 5 hergestellt werden.
Beim ersten Schritt des erfindungsgemäßen Verfahrens muß ein Verbindungspfad 6 möglichst tief in der Formation hergestellt werden. Der ideale Verbindungspfad besteht aus einer im wesentlichen waagerechten, "pfannkuchen"- oder scheibenförmigen Zone hoher Durchlässigkeit am Boden oder an der tiefsten Stelle des Teersand- oder Erdölreservoirs. Ein solcher Verbindungspfad läßt sich jedoch nicht immer herstellen, doch ist diese ideale Verbindungszone für die erfolgreiche Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens nicht unbedingt erforderlich.
In manchen Fällen liegt unter dem Erdölreservoir eine wassergesättigte Zone; diese Zone läßt sich erfolgreich zur Herstellung des Fluidumverbindungspfads für das erfindungsgemäße Verfahren ausnutzen. Die wassergesättigte Zone kann dadurch eröffnet werden, daß ein erhitztes Strömungsmittel, wie Dampf, in die Zone eingeblasen wird, wobei sich das Strömungsmittel bevorzugt durch diese wassergesättigte Zone hindurch zum Produktionsbohrloch 4 ausbreitet. Etwa in der wassergesättigten Zone enthaltene Asphalt- oder Kohlenwasserstoff-Materialien werden dabei gelöst, wodurch eine beträchtliche Permeabilität bzw. Durchlässigkeit gewährleistet wird.
Im allgemeinen ist es erforderlich, eine zu einem erheblichen Grad mit Kohlenwasserstoffen gesättigte Zone am Grunde des Reservoirs auf andere Weise als durch hydraulische Rißbildung in einen stark durchlässigen Verbindungspfad umzuwandeln. Die hydraulische Rißbildung stellt ein bekanntes Verfahren zur Herstellung einer Verbindung zwi-
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sehen einem Einblasbohrloch und einem Produktionsbohrloch dar. Dabei ist es durch tiefes Einblasen eines Rißbildungsfluidums in das Reservoir möglich, den Riß im \tfesentlichen am Grunde der ölführenden Zone vorzusehen. Obgleich bevorzugt, ist es nicht unbedingt erforderlich, daß die Rißebenen waagerecht orientiert sind. Mit einer solchen waagerechten Rißbildung kann jedoch nicht gerechnet werden, da es Anzeichen dafür gibt, daß die hydraulisch erzeugten Risse in tieferen Horizonten vorherrschend lotrecht anstatt waagerecht verlaufen.
In jedem Fall wird irgendeine Verbindung hergestellt, die im allgemeinen auf den unteren Bereich des Erdöllagers beschränkt ist. Nach der Rißbildung muß ohne Aufhebung des Rißbildungsdrucks ein Verstrebungsmittel in den Riß eingeblasen werden, um ein Schließen des Risses zu verhindern, da dadurch seine Brauchbarkeit für die Strömungsmittelverbindung zunichte gemacht würde. Als Verstrebungsmittel werden erfolgreich Kies und Sand oder Gemische davon verwendet; im Fall von Teersandlagerstätten ist es wünschenswert, einen weiten Bereich von Teilchengrößen anzuwenden, um ein Zurückfließen des Teersandmaterials in die verstrebte Rißzone zu verhindern.
Beim nächsten Schritt des erfindungsgemäßen Verfahrens muß diese zuvor geschaffene Verbindungszone über eine beträchtliche Strecke vom Einblasbohrloch hinweg, idealerweise durch die gesamte Formation bis zum Produktionsbohrloch, auf eine ausreichend hohe Temperatur erwärmt werden. Normalerweise reicht es aus, die Temperatur der am Produktionsbohrloch gewonnenen Fluide zu überwachen und auf diese Weise festzustellen, wann die Erwärmung die angestrebte Strecke über den vorher geschaffenen Ver-
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bindungspfad erreicht hat. Die Mindesttemperatur, auf welche dieser Pfad erwärmt werden muß, wird durch das spezielle flüchtige, für die Verwendung vorgesehene Lösungsmittel bestimmt, das später noch näher erläutert werden wird. Normalerweise kann der gewünschte Erwärmungseffekt dadurch erreicht werden, daß das erhitzte Fluidum kontinuierlich in das Einblasbohrloch eingeblasen und das Einblasfluidum am Produktionsbohrloch gewonnen, die Temperatur des gewonnenen Fluidums festgestellt und dieser Vorgang fortgesetzt wird, bis durch das gewonnene Fluidum selbst angezeigt wird, daß der Verbindungspfad in seiner gesamten Länge vom Einblas- zum Produktionsbohrloch erwärmt worden ist. Zeitweilig ist es dabei erforderlich, die Strömungsrichtung umzukehren und das Fluidum in das ursprünglich das Produktionsbohrloch darstellende JBohrloch einzublasen und das Fluidum am ursprünglichen Einblasbohrloch zu gewinnen, um auf diese Weise zu gewährleisten, daß der Verbindungspfad in der Nähe des Einblasbohrlochs auf die vorbestimmte Temperatur erwärmt wird.
Das Erwärmungs- oder Heizfluidum selbst wird im folgenden noch näher erläutert werden; an dieser Stelle braucht nur gesagt zu werden, daß sich eine große Vielfalt von Fluiden vorteilhaft für den vorgesehenen Zweck eignet. Beispielsweise kann Dampf oder Heißwasser oder eine nichtwäßrige Flüssigkeit, die eine wesentlich geringere Flüchtigkeit besitzt als das zu verwendende Lösungsmittel, als Heizfluidum verwendet werden.
Nachdem der Verbindungspfad auf die gewünschte Temperatur erwärmt worden ist, wird eine bestimmte Menge des flüchtigen Lösungsmittels in ihn eingespritzt oder eingeblasen.
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Für diesen Zweck wird das gleiche Einblasbohrloch nebst zugehöriger Ausrüstung verwendet, wobei zu beachten ist, daß das erfindungsgemäße Verfahren nicht die kontinuierliche Einblasung des flüchtigen Lösungsmittels in das eine Bohrloch und die Gewinnung am Produktionsbohrloch vorsieht. Es wird eine bestimmte Menge Lösungsmittel die 0,01- bis 0,20-fache Menge des Porenvolumens hat sich als ausreichend erwiesen - in die Formation eingeblasen und verbleibt während des gesamten Verlaufs des Gewinnungsverfahrens in ihr. Da das Lösungsmittel stark flüchtig ist, verdampft es unmittelbar beim Eintritt in den vorgewärmten Verbindungspfad, worauf es sich in Gasform aufwärts in die erdölhaltige Zone verlagert. Beim Hochsteigen in diese Zone wird das Lösungsmittel von dem in dieser Zone enthaltenen Erdöl oder Bitumen absorbiert, wobei es außerdem bei asinem Hochsteigen in die kühleren Bereiche der Formation Wärme abgibt. Da der Erwärmungsvorgang auf die vorher gebildete Verbindungszone beschränkt ist, ist ein erhebliches Temperaturgefälle zwischen dem Grund und der Oberseite der Formation vorhanden. Das Lösungsmittel kondensiert schließlich zu seiner flüssigen Form, worauf es sich infolge seiner höheren Dichte wieder zur genannten Zone abwärts zu verlagern beginnt. Das flüssige Lösungsmittel führt das in ihm gelöste Bitumen mit sich. Auf diese Weise wird das Bitumen in den erwärmten Verbindungspfad herabgeführt.
Sobald das Gemisch aus flüssigem Lösungsmittel und Bitumen in den erwärmten Verbindungspfad herabgefördert worden ist, wird das Bitumen vom Lösungsmittel an das diesen Pfad ständig durchströmende Heizfluidum abgegeben. Das flüchtige Lösungsmittel wird sofort wieder verdampft, so daß es wieder in die erdölhaltige Formation hochzusteigen
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beginnt. Infolgedessen wird eine Lösungsmittelaktionszone gebildet, deren obere Grenze in der Figur durch die Linie 7 angedeutet ist und deren Unterseite durch den erwärmten Verbindungspfad gebildet wird. Die durch die Linie 7 bezeichnete Lösungsmittelaktionszone ist anfänglich ziemlich begrenzt, doch erweitert sie sich ständig, bis sie schließlich die gesamte Formation über der Verbindungszone und zwischen Einblas- und Produktionsbohrloch umfaßt. Das flüchtige Lösungsmittel verläßt im Verlauf des Gewinnungsverfahrens niemals die Formation, da die Zone 6 auf der ganzen Strecke zu den Perforationen 5 und zum Produktionsbohrloch 4 auf eine über dem Siedepunkt des Lösungsmittels liegende Temperatur erwärmt ist. Folglich kann selbst in dem unmittelbar an das Produktionsbohrloch angrenzenden Bereich das Lösungsmittel nur in Dampfphase vorliegen. Da das Produktionsbohrloch 4 mit Dampffallen versehen ist, kann kein Dampf über das Bohrloch 4 zur Oberfläche hin entweichen, so daß das Lösungsmittel zwangsläufig in der Formation verbleibt. Dies stellt ein besonders vorteilhaftes Merkmal dar, wenn ein teueres, leicht entflammbares oder sonst gefährliches Lösungsmittel verwendet wird.
Nachdem das gesamte flüchtige Lösungsmittel eingeblasen worden ist, wird das erwärmte Fluidum kontinuierlich in das Einblasbohrloch 2 eingeblasen und fortlaufend durch die Verbindungszone 6 zum Produktionsbohrloch 4 geleitet, von welchem es dann an der Oberfläche gewonnen wird. Die Abtrennung des gewonnenen Erdöls vom Heizfluidum erfolgt an der Oberfläche, wobei es vorteilhaft ist, das Heizfluidum durch die Formation zurückströmen zu lassen, um die erforderliche Gesamtmenge an diesem Fluidum zu verringern. Dies gilt auch für die Verwendung von Dampf oder Heißwasser als Heizfluidum, da durch das Rückflußverfahren die Verbrauchsmenge an Fluidum beträchtlich verringert wird.
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Nachdem der Formation ihr Erdöl- oder Bitumengehalt im wesentlichen entzogen worden ist, ist es im allgemeinen wünschenswert, das flüchtige Lösungsmittel zur Wiederverwendung zurückzugewinnen. Dies kann durch Einspritzen von Wasser in das Produktionsbohrloch geschehen, um auf diese Weise das Lösungsmittel zum Einblas- oder Produktionsbohrloch zu verdrängen. In dieser Phase wird vorteilhaft kaltes Wasser benutzt, um den Verbindungspfad abzukühlen und zur Erleichterung der Rückgewinnung des flüchtigen Lösungsmittels dessen Kondensation zu bewirken. Das in dieser Endphase gewonnene Fluidum besteht aus V/asser oder einem anderen billigen Verdrängungsfluidum sowie dem flüchtigen Lösungsmittel, das an der Oberfläche zur Wiederverwendung an anderer Stelle abgetrennt werden kann.
Im Betrieb auf Massengewinnungsbasis braucht die Erwärmungsphase nicht aus einem getrennten, der Einblasphase des flüchtigen Lösungsmittels vorangehenden Verfahrensschritt zu bestehen. Vielmehr reicht es hierbei aus, das Lösungsmittel und das Heizfluidum gleichzeitig in den Verbindungspfad einzublasen und nach der Einführung der gewünschten Lösungsmittelmenge nur noch Heizfluidum einzublasen.
2. Heizfluidum
Das Heizfluidum, das während der zweiten und der dritten Phase des Verfahrens in den Verbindungspfad eingeblasen wird, kann entweder wäßriger oder nicht-wäßriger Natur sein. Die Wahl des betreffenden Fluidums hängt zum Teil von den speziellen Eigenschaften der Formation, auf welche das Verfahren angewandt wird, ab und kann zum Teil durch das betreffende, zu verwendende flüchtige Lösungsmittel beeinflußt werden. Im allgemeinen stellen heißes
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Wasser oder Dampf wegen der niedrigen Kosten und der leichten Verfügbarkeit das bevorzugte Heizfluidum dar. Obgleich Dampf in vielen Fällen sehr zweckmäßig ist, gibt es Fälle, in denen Heißwasser als Heizfluidum bevorzugt wird. Wenn beispielsweise Schwefelkohlenstoff als flüchtiges Lösungsmittel verwendet werden soll, bestehtr je nach der Art der Mineralbestandteile der Formation, die als Katalysatoren für die Reaktion wirken können, die Möglichkeit für eine Dampfphasenreaktion zwischen dem Schwefelkohlenstoff und dem Wasserdampf bei höheren Temperaturen, speziell bei Temperaturen von 2000C aufwärts. Die spezielle Reaktion, welcher der Schwefelkohlenstoff in Gegenwart von Wasserdampf bei hohen Temperaturen und speziell in Gegenwart eines Katalysators unterworfen ist, hängt zum Teil von der Art des vorhandenen Katalysators sowie von der Temperatur ab, welcher die Stoffe ausgesetzt sind. In einem Temperaturbereich von etwa 200° bis 5000C reagieren Schwefelkohlenstoff und Wasser unter Bildung von Schwefelwasserstoff und Kohlendioxid miteinander, und die Umsetzung kann in den höheren Teilen des angegebenen Temperaturbereichs ziemlich quantitativ sein. Unter etwa 2000C findet zwischen Schwefelkohlenstoff und Wasserdampf eine Umsetzung unter Bildung von Kohlenoxysulfid (COS) statt. Vorteilhafterweise sollte daher die Temperatur unter etwa 2000C gehalten werden, und die besten Ergebnisse werden bei Verwendung von Heißwasser anstelle von Wasserdampf erzielt. Die Bildung von Kohlenoxysulfid ist weder der Reaktion abträglich noch für das im Bereich der Gewinnungsanlage befindliche Personal gefährlich, da Kohlenoxysulfid bei etwa -5O0C, im Vergleich zum Siedepunkt von +460C von Schwefelkohlenstoff, siedet. Infolgedessen bleibt etwa gebildetes Kohlenoxysulfid sicher in der Formation, ohne an der Erdoberfläche aufzutreten. Dennoch wird Schwefelkohlenstoff durch
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die Umsetzung verbraucht, und da die Reaktion irreversibel ist, führt die Reaktion zu einem Lösungsmittelverlust. Aus diesem Grund sollte die Reaktion vermieden werden. Eine Möglichkeit zur Vermeidung der Reaktion besteht z.B. in einem Arbeiten unter solchen Temperatur- und Druckbedingungen des eingeblasenen Heizmediums, daß sein Verbleiben in der flüssigen Phase sichergestellt wird, da die Umsetzung nur in der Dampfphase auftritt. In bevorzugter Ausführungsform werden daher Schwefelkohlenstoff als flüchtiges Lösungsmittel und Heißwasser als HeizfLuidum verwendet. Im Fall von sehr viskosen Materialien kann es vorteilhaft sein, dem eingeführten Heißwasser eine kleine Menge an Alkali (caustic) zuzusetzen, um in der Grundzone eine Emulsion mit dem sehr viskosen Erdöl zu bilden, das anderenfalls durch die thermischen Wirkungen von Heißwasser allein nicht gewinnbar wäre. Dem Heißwasser können auch oberflächenaktive Stoffe, wie Polyphosphate oder Erdölsulfonate, zugegeben werden.
Eine andere Möglichkeit zur Verwendung von Schwefelkohlenstoff unter Vermeidung des Auftretens der vorgenannten Reaktion besteht in der Verwendung eines nicht-wäßrigen Strömungsmittels, vorzugsweise einer Flüssigkeit, die ein geeignetes Lösungsmittel für EnBl oder Bitumen darstellt und die einen wesentlich höheren Siedepunkt als Schwefelkohlenstoff besitzt. Beispielsweise besitzt Toluol einen Siedepunkt von 110,80C, während Benzol einen solchen von 80°C besitzt. Jeder dieser Stoffe oder ein Gemisch davon könnte ein geeignetes Heizfluidum darstellen, wobei es zudem möglich wäre, die Temperatur des eingeführten Fluidums um einige Grade unter seinem Siedepunkt zu halten und dadurch zu gewährleisten, daß das eingeblasene Fluidum in einem flüssigen Zustand verbleibt und die Formation stär-
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ker erwärmt als das flüchtige Lösungsmittel, so daß die vorher in Verbindung mit dem Verfahren beschriebene Lösungs- und Rückflußwirkung eintritt.
Gemäß einer anderen bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird daher ein aromatisches Lösungsmittel, wie Benzol, Toluol oder ein Gemisch davon, als Heizfluidum benutzt, das zur Erwärmung des vorher hergestellten Ver-Mndungspfads auf eine dicht am Siedepunkt (des Heizfluidums) liegende Temperatur verwendet werden kann. Nach Abschluß der Erwärmungsphase wird Schwefelkohlenstoff als flüchtiges Lösungsmittel verwendet, das dann verdampft, Teer auflöst, kondensiert und sich in den Verbindungspfad zurückverlagert, aus dem der Teer durch das eingeführte Heizfluidum zum Produktionsbohrloch gefördert werden kann« Dies'stellt eine sehr vorteilhafte Maßnahme für ein sehr viskoses Erdöl, wie aus Teersand gewonnenem Bitumen,, dar, weil die erwärmte aromatische Flüssigkeit ein ausgezeichnetes Lösungsmittel für Bitumen darstellt.
Als Heizfluidum können auch aliphatische Kohlenwasserstoffe verwendet werden, solange ihr Siedepunkt ausreichend höher liegt als der des verwendeten flüchtigen Lösungsmittels, um dadurch zu gewährleisten, daß das Lösungsmittel auch in der Nähe des Produktionsbohrlochs verdampft bleibt. Im Fall der Verwendung von Schwefelkohlenstoff als flüchtiges Lösungsmittel sind aliphatische Kohlenwasserstoffe mit sieben oder mehr Kohlenstoffatomen zweckmäßig. Beispielsweise variieren die Siedepunkte der verschiedenen Heptanisomere zwischen 79° und 98°C, und dieser Wert liegt um soviel höher als der Siedepunkt von Schwefelkohlenstoff (46,3°C), daß die Verwendung von flüssigem Heptan oder höher molekularen aliphatischen Kohlen-
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Wasserstoffen, die auf eine geringfügig unter ihrem Siedepunkt liegende Temperatur erwärmt sind, als Heizfluidum ermöglicht wird, welches die Temperatur des Verbindungspfads auf einem Wert über dem Siedepunkt von: Schwefelkohlenstoff hält.
Als Heizfluidum können auch Gemische aus aliphatischen und aromatischen Kohlenwasserstoffen verwendet werden, solange der Siedepunkt des Gemisches wesentlich höher liegt als derjenige des beim erfindungsgemäßen Verfahren verwendeten flüchtigen Lösungsmittels.
3. Flüchtiges Lösungsmittel :
Wie erwähnt, wird als flüchtiges Lösungsmittel zur Verwendung beim erfindungsgemäßen Verfahren Schwefelkohlenstoff besonders bevorzugt. Schwefelkohlenstoff besitzt einen Siedepunkt von 46,3°C, und er stellt ein ausgezeichnetes Lösungsmittel für die in zahlreichen viskosen Rohölen und speziell in bituminösen Stoffen, wie Teersand, enthaltenen asphaltischen Materialien dar. Zur Gewährleistung eines optimalen Wirkungsgrads des erfindungsgemäßen Verfahrens sollte das flüchtige Lösungsmittel vorzugsweise einen solchen Flüchtigkeitsgrad besitzen, daß es in der erwärmten Verbindungszone verdampft, aber im oberen Bereich des Reservoirs bei den Umgebungstemperaturen der Formation kondensiert. Wenn man z.B. versucht, beim erfindungsgemäßen Verfahren Methan als flüchtiges Lösungsmittel zu verwenden, so würde dieser Stoff zwar verdampfen, aber nicht im oberen Bereich des Reservoirs kondensieren, so daß er mithin nicht in der Lage wäre, Bitumen aufzulösen und es in den Verbindungspfad nach unten zu fördern· Das für die Verwendung beim erfindungsgemäßen Verfahren am besten geeignete Lösungsmittel sollte daher
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einen wesentlich unterhalb der Temperatur des erwärmten Verbindungspfads liegenden Siedepunkt "besitzen, der jedoch höher ist als die Eigentemperatur der Formation.
Aromatische Lösungsmittel, wie Toluol und Benzol, können ebenfalls als flüchtiges Lösungsmittel verwendet werden, obgleich sie, wie vorstehend unter 2. beschrieben, offensichtlich nicht als flüchtiges Lösungsmittel und als Heizfluidum zugleich dienen können. Wenn als flüchtiges Lösungsmittel z.B. Benzol, das einen Siedepunkt von 80,10C besitzt, verwendet werden soll, dann muß dieser Stoff in Verbindung mit einem Heizfluidum verwendet werden, dessen Siedepunkt um mindestens 10 bis 150C höher liegt. Hierbei kann beispielsweise Heißwasser oder Dampf als Heizfluidum benutzt werden. Gemäß einer anderen bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird daher Dampf oder Heißwasser als Heizfluidum und Benzol als flüchtiges Lösungsmittel verwendet.
Gewisse aliphatische Kohlenwasserstoffe können ebenfalls verwendet werden, obgleich diese Stoffe sorgfältig ausgewählt werden müssen, damit ein Stoff zur Verfügung steht, der im Verbindungspfad verdampfen kann und in den oberen Bereichen der Formation zu einer Flüssigkeit kondensiert, wenn das Lösungsmittel auf die Eigentemperatur der Formation abkühlt, so daß es das Erdöl in sich löst und dann zum erwärmten Verbindungspfad herabfließt. Beispielsweise können aliphatische Kohlenwasserstoffe mit etwa 4 bis 9 Kohlenstoffatomen verwendet werden, sofern sie in Verbindung mit zweckmäßigen Heizfluiden angewandt werden, deren Siedepunkt um mindestens 15°C über dem des verwendeten flüchtigen Lösungsmittels liegt. Bei einer anderen bevorzugten Ausführungsform der Erfindung werden daher Dampf
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oder Heißwasser als Heizfluidum und aliphatische Kohlenwasserstoffe mit 4 bis 6 Kohlenstoffatomen als flüchtiges Lösungsmittel verwendet. Etwas höhermolekulare aliphatische Kohlenwasserstoffe können als flüchtiges Lösungsmittel verwendet werden, wenn als Heizfluidum Dampf benutzt wird, dessen Temperatur um mindestens 10°C über dem Siedepunkt des verwendeten flüchtigen Lösungsmittels liegt.
Ersichtlicherweise sind in dem sich sowohl auf das Heizfluidum als auch auf das flüchtige Lösungsmittel beziehenden Beschreibungsteil bestimmte Arten von aromatischen und aliphatischen Kohlenwasserstoffen behandelt. In keinem Fall kann aber der gleiche Stoff gleichzeitig als Heizfluidum und als flüchtiges Lösungsmittel verwendet werden. Heizfluidum und flüchtiges Lösungsmittel sind voneinander abhängig, und von größter Wichtigkeit ist dabei, daß der Siedepunkt des flüchtigen Lösungsmittels erheblich unter der Temperatur des Heizfluidums liegen muß. Wenn sichergestellt werden soll, daß das Heizfluidum in flüssiger Phase verbleibt, muß sein Siedepunkt um mindestens 1(fbis 15°C über dem des flüchtigen Lösungsmittels liegen.
4. Praktisches Ausführungsbeispiel
Die Erfindung wird nun im folgenden anhand der Ausbeutung eines Ölfelds im Gelände näher erläutert.
Bei einer ,in einer Tiefe von etwa 60 m liegenden Teersandlagerstätte wird eine Dicke der Formation von etwa 19,5 m festgestellt. Außerdem wird dabei festgestellt, daß das Erdöl in Form eines hochviskosen Kohlenwasserstoffs vorliegt, dessen Viskosität bei der Formationstemperatur zu groß ist, um seine Gewinnung mit herkömmlichen Mitteln zu
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ermöglichen. Mithin wird ein EinblasbohrloclT oder -schacht bis zum Grund der ölführenden Formation abgeteuft, wobei praktisch am Boden oder Grund der erdölhaltigen Zone Perforationen ausgebildet werden. In einer Entfernung von etwa 30 m vom Einblasbohrloch wird eine Gewinnungs- oder Produktionsbohrung angelegt, in welcher ähnliche Perforationen etwas oberhalb des Grunds der erdölhaltigen Zone vorgesehen werden. Die Produktionsbohrung wird zudem mit einer Dampffalle versehen, so daß nur Flüssigkeiten aus der Formation gewonnen werden können, während Dämpfe zurückgehalten werden.
Sodann wird tief in der Formation ein Fluidumverbindungspfad durch Aufbrechen der Formation nach einem herkömmlichen Rißbildungsverfahren und durch Einspritzen eines Kies-Sand-Gemisches in den Riß, um ihn offen zu halten und ein Verschließen desselben zu verhindern, hergestellt« Als nächstes wird Heißwasser mit einer Temperatur von 93°C in die Formation eingespritzt, und zwar so lange, bis die Temperatur des an der Produktionsbohrung austretenden Wassers einen Wert von 880C erreicht. Hierdurch wird angezeigt, daß der Verbindungspfad von der Einblas- zur Produktsionbohrung gleichmäßig erwärmt worden ist.
Die von dem Versuchsbohrprogramm mit zwei Bohrlöchern be-
strichene Fläche beträgt dabei 6917 m , so daß das von
der Versuchsbohrung umfaßte Gesamtvolumen etwa 69,7 m x 18 m oder 1270 nr beträgt. Die Porosität dieser speziellen Erdschicht beträgt nur 20%, so daß das gesamte Porenvolumen etwa 255 m beträgt. Eine Masse aus dem flüchtigen Lösungsmittel, im vorliegenden Fall aus Schwefelkohlenstoff, in einem Porenvolumen von 0,10 (25,5 m oder etwa 25360 1) wird in die Einblasbohrung eingeführt. Hier-
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auf wird die Einspritzung von Heißwasser in die Formation fortgesetzt, und die Produktion wird an der Produktionsbohrung aufgenommen. Der Schwefelkohlenstoff verdampft in der Formation, verlagert sich in ihr aufwärts und gibt dabei genügend Wärme ab, um zu Kondensieren, wobei das Lösungsmittel das Bitumen auflöst. Das Gemisch aus Schwefelkohlenstoff und Bitumen fließt dann in der Formation nach unten, bis es den erwärmten Verbindungspfad erreicht. Bei der Kontaktierung des erwärmten Verbindungspfads, durch den ständig Heißwasser hindurchgeleitet wird, verdampft der Schwefelkohlenstoff erneut, während das Bitumen im Verbindungspfad zurückbleibt. Durch das Heizfluidum wird die Temperatur des Bitumens erhöht, und dieses Material wird dann zur Produktionsbohrung gefördert, in v/elcher es zur Oberfläche hochsteigt.
Diese Gewinnungsfolge wird fortgesetzt, indem ständig Heißwasser in die Einblasbohrung eingeleitet und ein Gemisch aus Heißwasser und Bitumen an der Produktionsbohrung gewonnen wird, ohne daß zusätzlicher Schwefelkohlenstoff oder ein anderes Lösungsmittel in die Formation eingeführt zu werden braucht. An der Erdoberfläche wird Bitumen von der gewonnenen Flüssigkeit abgetrennt und dann in der Nähe des Gewinnungsorts in solchem Maß weiterverarbeitet, daß es über eine Pipeline zu einer entfernt gelegenen Raffinerie gefördert werden kann. Das Wasser wird wiedererwärmt und erneut in die Formation eingespritzt, um die für die Arbeiten erforderliche Wassermenge möglichst klein zu halten und außerdem die Notwendigkeit für zusätzliche Einblasbohrungen für die Wasserbeseitigung auszuschalten. Wenn die Konzentration an Bitumen im austretenden Heißwasser abzunehmen beginnt, kann darauf geschlossen werden, daß praktisch die gesamte Formation mit dem flüchtigen
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Lösungsmittel kontaktiert und das gesamte in der Formation enthaltene Bitumen ausgebeutet worden ist. Daraufhin wird Kaltwasser in die EiJiblasbohrung eingespritzt, um die Temperatur des Verbindungspfads zu senken, wodurch der Schwefelkohlenstoff in diesem Pfad kondensiert und zusammen mit dem aufsteigenden Kaltwasser an der Erdoberfläche zurückgewonnen wird. Der Schwefelkohlenstoff läßt sich an der Erdoberfläche ohne weiteres durch Vakuumdestillation vom Wasser abscheiden, so daß dieses Material an anderer Stelle wiederverwendet werden kann.
5. Versuchsauswertung
Zur Bestimmung der Durchführbarkeit des erfindungsgemäßen Verfahrens sowie zur Feststellung der Wirksamkeit und der optimalen Konzentrationen der bei diesem Verfahren angewandten Stoffe wurden die folgenden Versuche durchgeführt:
Eine für Ölgewinnungsstudien unter gesteuerten Laboratoriumsbedingungen geeignete Zelle wurde zunächst in ihrer Mitte mit einer sauberen, etwa 3,2 mm dicken Sandschicht bedeckt, die sich vom Einspritzpunkt zum Gewinnungspunkt erstreckte. Der Rest der Zelle wurde mit Teersand bis zu einer Dichte gepackt, welche annähernd der tatsächlich bei Formationen anzutreffenden Dichte entspricht. Die saubere Sandschicht an der Basis bzw. am Grund des Teersands stellte dabei den Verbindungspfad zwischen der Einspritz- und der Gewinnungseinrichtung dar, der im ölfeld künstlich durch Rißbildung o.dgl. gebildet wird, sofern nicht bereits ein Verbindungspfad vorhanden ist. In die Zelle wurde eine bestimmte Schwefelkohlenstoffmenge eingespritzt, und danach wurde gesättigter bzw. Naßdampf mit
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einem Druck von 29,3 At (absolut) und einer Temperatur von etwa 2140C eingeblasen. Bei diesem speziellen Versuch wurden der gasförmige und der flüssige Abfluß zusammen abgenommen und aufgetrennt, um ihre Zusammensetzung zu untersuchen. Dabei wurde festgestellt, daß der gasförmige Abfluß zu einem Drittel aus Schwefelkohlenstoff, zu einem Drittel aus Kohlenoxysulfid und zu einem Drittel aus Schwefelwasserstoff bestand, wodurch aufgezeigt wurde, daß die vorher beschriebenen Reaktionen zu einem gewissen Grad auftraten. Trotzdem wurde aus der Zelle Bitumen gewonnen. Dabei wurden etwa 78% des Bitumens gewonnen, was im Fall von Teersand eine ungewöhnlich hohe Ausbeute darstellt.
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Claims (1)

  1. Patentansprüche
    1. Verfahren zur Gewinnung von Erdöl aus unterirdischen, viskosen, erdölhaltigen Formationen, einschließlich Teersandlagerstätten, bei dem die Formationen durch mindestens eine Einblasbohrung und mindestens eine Gewinnungs- oder Produktionsbohrung durchteuft werden, dadurch gekennzeichnet, daß in den Formationen zwischen der Einblas- und der Produktionsbohrung ein Fluidumverbindungspfad hergestellt wird, daß sodann ein Erwärmungs- oder Heizfluidum in den Verbindungspfad eingeleitet, z.B. eingeblasen oder eingespritzt wird, bis sich die Temperatur der Formation über eine erhebliche Strecke von der Einblasbohrung hinweg auf eine beträchtlich über ihrer Eigentemperatur liegende Temperatur erhöht hat, daß hierauf in den erwärmten Verbindungspfad ein Lösungsmittel für das in den Formationen enthaltene Erdöl eingespritzt wird, wobei der Siedepunkt des Lösungsmittels über der Eigentemperatur der Formation und erheblich unter der Temperatur liegt, auf welche der Verbindungspfad erwärmt worden ist, und daß die Einspritzung des Heizfluidums in die Einblasbohrung und seine Gewinnung an der Produktionsbohrung mit dem mit diesem Heizfluidum vermischten Erdöl aus der Formation fortgesetzt wird.
    2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Heizfluidum und das Lösungsmittel für das Erdöl praktisch gleichzeitig eingespritzt werden und daß die Einspritzung des Lösungsmittels unterbrochen wird, , wenn die erforderliche Menge davon im erwärmten Verbindungspfad vorhanden ist.
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    3· Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Verbindungspfad durch hydraulische Rißbildung hergestellt wird,
    k. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der im unteren Bereich der Formation liegende Verbindungspfad im Falle, daß die Formation in ihrem Unterteil eine praktisch mit Wasser gesättigte, poröse Zone aufweist, durch Einspritzen oder Einblasen eines erwärmten wäßrigen Strömungsmittels hergestellt wird.
    5. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß als das erwärmte Strömungsmittel bzw· Heizfluidum Dampf oder Heißwasser verwendet wird.
    6. Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß als Heizfluidum ein aromatischer Kohlenwasserstoff verwendet wird.
    7· Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß für den als Heizfluidum dienenden aromatischen Kohlenwasserstoff Benzol, Toluol oder ein aliphatischer Kohlenwasserstoff mit drei bis neun Kohlenstoffatomen verwendet wird.
    8. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß als flüchtiges Lösungsmittel Schwefelkohlenstoff verwendet wird.
    9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß das in Verbindung mit Schwefelkohlenstoff verwendete
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    Heizfluidum eine Flüssigkeit ist, deren Temperatur unter etwa 990C liegt.
    10. Verfahren nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, daß etwa das 0,05- bis 0,1-fache des Porenvolumens an Schwefelkohlenstoff in die Formation eingespritzt wird.
    11. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß als flüchtiges Lösungsmittel ein aromatisches Kohlenwasserstofflösungsmittel verwendet wird.
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