DE2505420B2

DE2505420B2 - Insitu-verbrennungsverfahren zur gewinnung von energie-rohstoffen aus unterirdischen lagerstaetten

Info

Publication number: DE2505420B2
Application number: DE19752505420
Authority: DE
Inventors: Günter Dr. 3100 Celle; Klatt Heinz-Jürgen Dipl.-Ing. 3101 Hohne; Fröhlich Walter 3101 Witze Pusch
Original assignee: Deutsche Texaco AG
Current assignee: Wintershall Dea Deutschland AG
Priority date: 1975-02-08
Filing date: 1975-02-08
Publication date: 1977-03-10
Also published as: DE2505420A1; US4042026A; CA1042784A

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Seit der Erfindung des Untertageverbrennungsverfahrens zur Gewinnung von Erdöl durch F. A. Howard im Jahre 1923 sind eine Reihe von Verfahren entwickelt worden, welche die Erzeugung von Wärme innerhalb der Lagerstätte zum Ziel haben, insbesondere um durch eine Teilverbrennung von ölrückständen in einer Erdöllagerstätte genügend Wärme zu erzeugen, um das restliche öl gewinnen zu können. Die wichtigsten Prozesse, die zur Entölung beitragen, sind die Viskositätsreduktion durch Wärme, die Destillation und Krackung des Öls und der höher siedenden Komponenten, das Auswaschen des Öls durch Heißwasser und die Extraktion des Öls durch einlösbare Produkte. Ein solches Verfahren ist z. B. in der amerikanischen Patentschrift 30 26 935 geschrieben Bestimmte Modifikationen dieses Verfahren benötigen einen hohen Sauerstoffpartialdruck, um eine Einlösung des bei der Verbrennung gebildeten Kohlendioxyds zu erreichen. Ein derartiges Verfahren wird in der deutschen Patentschrift 21 32 679 beschrieben. Allgemein kann ein hoher Sauerstoffpartialdruck nur durch eine Sauerstoffanreicherung des die Verbrennung unterhaltenen Gases erzielt werden. Bekanntlich ist Sauerstoff ein sehr aggressives Gas, das nahezu mit allen Stoffen reagiert. Die Verbrennungswärme, die beispielsweise bei einer Reaktion zwischen Sauerstoff und organischen Brennstoffen frei wird, ist beachtlich. Sie beträgt im Durchschnitt 3000 kcal/kg Sauerstoff. Die furchtbaren Katastrophen, die dabei durch Explosion und Detonation ausgelöst werden können, sind durch den vermehrten Einsatz von Sauerstoff in der Technik leider allgegenwärtig. Die grundlegenden Untersuchungen von Werkstoffen und Sauerstoff bei der Bundesanstalt für Materialprüfung dienen ausschließlich der Verringerung dieses Risikos.

Weiterhin ist ein Verfahren gemäß der amerikanischen Patentschrift 35 65 174 bekannt, bei der im ersten Verfahrensschritt eine Verbrennungsfront errichtet und danach 02-haltiges Gas eingegeben wird. Der bei diesem Verfahren eingepreßte Stickstoff dient zur Kontrolle der vertikalen Ausbildung der Verbrennungsfront in der Lagerstätte.

Ein Stimulationsverfahren, bei dem nur eine Bohrung benötigt wird, ist aus der amerikanischen Patentschrift 34 90 531 bekannt. Bei diesem Verfahren wird zuerst das Zündmittel eingebracht und danach eine In-situ-Ver-

|jjieanung eingeleitet Hat die Verbrennungsfront eine !ssen da* Bohrung vorbestimmte Entfernung erreicht, lllprd die für die Verbrennung notwendige Luftinjektion ^»^asteJU. Danach erfolgten die Einpressung einer

asse verdampfbaren Kohlenwasserstoffs und die pgnpressang von Stickstoff.

~ Ansderaraejikanischen Patentschrift 3i 45 772 ist ein »,Verfahren bekannt, bei welchem Stickstoff in eine grac-Zone eingebracht wird, der eine Sperrfunktion in PinMiek auf eine vertikale Ausbreitung der Verbrensijuog hat

' Die deutsche Auslegeschrift 22 63 960 weist keine kennung des Trägerbereiches im Hinblick auf die ^Einbringung der für its in dieser Auslegeschrift J||f offenbarte Verfahren benötigte Mittel auf, so daß bei £gijgriiehtem Sauerstoffpartialdruck mit den vorbeschrieff||idbenen Gefahren gerechnet werden muß.
|Gp' Die Eisen- und Stehlindustrie trug ebenfalls nicht ||§||jinwesentlicb zur Bereicherung des Erfahrungspoten- ψΜ®?^ im Umgang mit Sauerstoff bei. All diese ;| Erfahrungen sind in der Unfallverhütungsvorschrift 62 S der Chemischen Berufsgenossenschaft niedergelegt Nach dieser sind nur Kupfer, Kupferlegierungen und fi Werkstoffe mit hohem Nickelgehalt (Inconel, Monel) als ■' für Sauerstoff unter hohem Druck geeignet anzusehen. ^r Alle übrigen Werkstoffe sind nur bedingt einsetzbar.

Neben den Werkstofffragen spielt aber auch die Gasdynamik eine bedeutende Rolle bei der Beurteilung der Gefährlichkeit von strömendem Sauerstoff.

Eine große Bedeutung kommt danach der Struktur der Räume zu, in denen der Sauerstoff strömt. Besitzen diese eine im Verhältnis zum Volumen große innere Oberfläche, so wird die Gefahr einer Explosion oder Detonation bei einer Reaktion zwischen einem Brennstoff und Sauerstoff stark herabgesetzt. Deshalb ist die Reaktion von Sauerstoff mit öl in den Poren des Lagerstättengesteitis verhältnismäßig unproblematisch. Bei bestimmten geometrischen Proportionen der durchströmten Räume können aber örtliche Temperaturspitzen auftreten, die, obwohl nicht in Übereinstimmung mit den Gesetzen der Gasdynamik, zur Enuün dung des Werkstoffes (Stahl, Kunststoff, Holz usw.) führen.

Schließlich ist aus den Erfahrungen beim autogenen Brennschneiden her bekannt, daß nicht nur die Werkstoffbeschaffenheit, sondern auch die Gaszusammensetzung einen Einfluß auf die »Schneidbarkeit« aufweist. Bei einer Sauerstoffkonzentration von wem ger als 95% läßt sich Stahl zwar noch zünden, eine selbsttragende Verbrennung findet jedoch nicht mehr statt. Diese Verhältnisse sind für atmosphärischen Druck gültig. Für hohe Drücke, wie sie in tiefen Erdöllagerstätten auftreten, existieren dagegen keine Erfahrungen.

Wenn man davon ausgeht, daß das Be:reiben der obertägigen Sauerstoffanlageri als relativ sicher /u betrachten ist und die Reaktion des Sauerstoffs mit dem öl in der Lagerstätte kontrollierbar bleibt, so folgt als zweifellos gefährlichste Wegstrecke des strömenden Sauerstoff das Bohrloch. Die Betriebsbedingui.jen in einem Erdölbohrloch führen dazu, daß in der Regel Zustände herrschen, die ein Abbrennen des Bohrlochs oder eine Explosion beim einleiten von hochprozentigem Sauerstoff geradezu herausfordern.

Weder sind die Bohrlochausstattungen aus ausbrennsicherem Material (Kupfer, Inconel) noch ist ihre Beschaffenheit infolge des Kontaktes mit korrosiven, pmsiven und oreanischen Medien so, daß das Risiko verringert würde.

Es ist daher Aufgabe dieser Erfindung, Mittel und Wege zu finden, diese Risiken im Rahmen der bei Bohrlöchern für die Gewinnung von Energie-Rohstoffen üblichen Ausgestaltung auszuschalten oder zumindest auf ein erträgliches Maß zu vermindern.

Zur Lösung der gestellten Aufgabe dienen die im Anspruch 1 gekennzeichneten Maßnahmen.

Ein Vorteil des Verfahrens besteht darin, daß es durch die vertikal versetzte Einbringung der Zündmittel und der Gase in die Lagerstätte vermieden wird, daß Sauerstoff und Resiöl aus der Lagerstätte sowie Zündmittel im Bohrloch miteinander in Berührung kommen, so daß diese gefährliche Phase bei der Einpressung von Sauerstoff vermieden wird.

Zum besseren Verständnis der Durchführung und der Vorteile des Verfahrens soll diese unter bezug auf die Zeichnung näher erläutert werden. Die Zeichnung zeigt beispielsweise einen Schnitt durch ein Bohrloch, wobei das Bohrloch im Lagerstättenbereich in einem vergrößerten Maßstab dargestellt ist.

Ein Liner 1 aus Edelstahl wird an einem Packer 2 hängend in LagerstättenmiUe abgesetzt und zementiert Die Zementschlämme 4 wird, mit entsprechenden Abbmdeverzögerern vermischt vorher in das Bohrloch bis zu einer bestimmten Höhe eingepumpt. Nachdem der Packer 2 in der richtigen Höhe abgesetzt worden ist. wird die überschüssige Zementschlämme 4 auszirkuiiert In das Übergangsstück am Packer 2 wird ein Injektionsrohr 3 eingeschraubt Diese Rohrtour enthält zum Ausgleich von Materialspannungen infolge von Temperatur- und Druckänderung ein »Dehnungsteil« Durch dieses Injektionsrohr 3 werden nur trockene Gase eingepreßt Die überführung des injeKtionsgases von der Bohrung in die Lagerstätte erfolgt durch Öffnungen 9. die nachträglich durch Liner 1, den ersten Zementmantel 4, Futterrohr 5 und zweiten Zementmantel 6 geschlossen werden. Ihre Anzahl sowie der Querschnitt ist so bemessen, daß bei bestimmten Injektionsmengen und -drücken »kritische Fließbedin gungen« innerhalb der Austrittsöffnungen vorliegen.

Überraschtnderweise wurde erkannt, daß bei derartigen Fließbediiigungen und solchen, die diesen nahekommen, im Rohr weder Metallverbrennung noch eine Explosion durch organische Rückstände auftritt. Die kritischen Fließbedingungen an einer Lavaldüse sind so definiert, daß das Gas bei der entsprechenden Temperatur mit Schallgeschwindigkeit austritt. Dabei entzieht es dei Umgebung derart viel Wärme, daß eine rasche Abkühlung auftritt und somit die Ausbildung der Zündtemperatur von Stahl (~ilOO^cC) bzw. von organischen Rückständen (>t50"C) verhindert wird. Die Schallgeschwindigkeit des Gases wird dann erreicht, wenn das Druckverhältnis vor und hinter der Austrittsöffnung den Wert von 1.89 erreicht. Das Druckgefälle an der Bohrlochwand wird im allgemeinen vom Injektionsdruck, der Injektionsrate, der Anzahl der Perforations-Öffnungen sowie deren Querschnitt und Form und dem Gegendruck im Gebirge (Lagersiäuendru?k und Reibungsverlust im Gebirge) bestimmt. Nur zwei der genannten Kenngrößen können unabhängig voneinander verändert werden, während dann die übrigen festgelegt sind.

Wenn einer der beiden Drücke vorgegeben und der andere variabel ist, außerdem die maximale Injektionsrate festgelegt ist, so kann der für kritischen Fließbedingungen erforderliche Austrittsquerschnitt errechnet werden.

F =

Tl /2

F <= Ausströmungsquerschnitt; (m²),

q = Gasströmungsrate im Rohr bei Normalbedingungen, (mVs),

V — Strömungsgeschwindigkeit in Austrittsöffnung; (m/s),

T - Temperatur des Gases im Rohr; (K),

a_s = Lavalgeschwindigkeit (Schallgeschwindigkeit in Gas, das bei Expansion abgekühlt); (m/s),

χ = Addiabatenexponent; für Sauerstoff = 1,4,

g = Erdbeschleunigung; 9,81 m/sec²,

R'~ Individuelle Gaskonstante.

Mit diesen Formeln wird verlustfreie Strömung unterstellt. Wie es sich in der Praxis gezeigt hat, kann diese Vereinfachung in erster Näherung durchaus benutzt werden.

Die Abkühlung an der Austritisöffnung wird nach folgender Formel berechnet:

T₅ = Temperatur des expandierenden Gases bei Lavalgeschwindigkeit; (K).

Bei Erreichen der Schallströmung wird T_s-0,829 7".

Es hat sich gezeigt, daß selbst bei einer schnellen Kompression des Gases im Rohr keine Entzündung der Metallteile oder des organischen Rückstandes auftritt, da das perforierte Rohr weiterhin eine »Verdünnungszone des Druckes« darstellt und somit abgekühlt wird, während die Verdichtungszone offenbar nur an der äußersten Spitze der Druckwelle entsteht

Wenn Restöl in der Bohrung vorhanden ist oder während des Prozesses eintritt oder wenn nicht zu beseitigende bituminöse Rückstände die Rohrwand verschmutzen, besteht in Gegenwart von Sauerstoff erhöhte Explosionsgefahr. Es wurde nun ermittelt, daß diese Gefahr ausgeschaltet werden kann, wenn gut klassierter Kies oder Sand in die explosionsgefährdeten Hohlräume eingebracht und verdichtet wird. Deshalb wird in den verlängerten liner t, der hier als »Sumpf« ausgebildet ist eine Kiespackung 8 eingebracht um vorhandene Restötanengen in Gegenwart von Sauerstoff unschädlich zu machen.

Sinngemäß können an Stelle von Edelstahl auch Kupfer. Messing. Inconel oder Monel oder andere Nickellegierungen als ünerwerkstoff verwendet werden.

Besonders vorteilhaft ist es, auch die Sauerstoffkonzentration unterhalb von 96% zu halten, da dann die Ausbreitung einer autothermen (sich selbst erhaltenden) Verbrennung nicht mehr möglich ist. Demzufolge ist bei diesem Verfahren kein Wert auf höchste Reinheit des Sauerstoffs zu legea Mitunter kann die Zumischung von inerten Gasea wie Stickstoff, Kohlendioxid oder Wasserdampf zur Phlegmatisierung des Sauerstoffs empfohlen werden. Die Sauerstoffreinheit sollte dann etwa zwischen 80 und 96% liegen.

Die Inbetriebnahme der Untertageverbrennung (wie

z. B. der DT-AS 22 63 960 und in der DT-PS 21 32 679 beschrieben) soll nach folgendem Schema ablaufen.

Phase 1

Der Druck in der Erdöllagerstätte wird nach Möglichkeit bzw. bei Bedarf soweit wie möglich bzw. nötig abgesenkt.
Da bekannt ist, daß der Druck bei einer Explosion auf

,o das 5- bis 1Of ache des Ausgangsdruckes ansteigen kann, ist es aus sicherheitstechnischen Erwägungen zweckmäßig, den Druck in der Lagerstätte bis kurz oberhalb des Gasentlösungsdruckes in an sich bekannter Weise abzusenken.

Die Zündmittel etwa in der Reihenfolge Dieselöl, Zündchemikalien, Wasser werden über den Ringraum in den oberen Teil der Lagerstätte injiziert Die Bemessung und Zusammensetzung der Zündchemikalien erfolgt beispielsweise in der in der DT-AS 22 63 960 beschriebenen Weise. Der Dieselölslug soll die gleiche Größe (Volumen) wie der Zündchemikalienslug besitzen. Die Zündmittel werden durch Stickstoff über den Ringraum restlos in die Formation gepreßt Gleichzeitig wird über das Injektionsrohr 3 mit kleiner Rate (kleinem

Überdruck) Stickstoff in die Lagerstätte gepreßt um ein Rückzirkulieren der Zündmittel in den Edelstahlliner und das Injektionsrohr zu verhindern. Wenn die Zündchemikalien in die Formation verpreßt sind, wird das Zündgas (20—80% Vol. Sauerstoffkonzentration) mit einer spezifischen Rate von ca. 10 bis 50 *) mVm² Gesteinsoberfläche und Stunde (· Gasvolumen bei Normalbedingungen) eingepreßt bis die im Zementmantel 4 des Liners I eingebauten Thermoelemente 7 durch Temperaturanstieg die Zündung anzeigen. Anschließend wird das Gas so lange bei gleicher Rate eingepreßt bis die Verbrennungsfront in einer Entfernung von ca. 3 bis 30 m von der Injektionsbohrui.g steht. In dieser Zone sind dann keine flüssigen Kohlenwasserstoffe mehr vorhanden, sondern nur noch feste Oxidationsrückstände.

Phase Il

Der Sauerstoffanteil des Injektionsgases wird stufenweise erhöht und die Injektionsrate bis zu der im Prozeß festgelegten maximalen Sauerstoffrate gesteigert. Für diese Rate sind die Perforationsquerschnitte ausgelegt, um kritische Fließbedingungen zu erzielen. Die maximale Sauerstoffrate ist dabei abhängig von dem durchzufahrenden Prozeß. Es soll darauf hingewiesen werden, daß auch bei unterkritischen Fließbedingungen schon eine ausreichende^ Kühlwirkung im Bohriochsbereich erzielt werden kann.

Gleichzeitig wird über den Ringraum Wasser eingepreßt Das Wasser-Sauerstoffverhaltnis soll zwi sehen 1 und 15 Kubikmeter Wasser je Tausend Kubikmeter Sauerstoff liegen (Gasvolumen bei Normalbedingungen). Der Sauerstoffanteil sollte stufenweise erhöht werden, z. B. in 3 Stufen von 30% auf 50%, von 50% auf 70% und von 70% auf 90%. Der Druck in der Lagerstätte wird soweit erhöht daß er zwischen 80 bar und z. B. 150 bar liegt.

Für den Fall einer Unterbrechung muß gewährleistet sein, daß über einen Bypaß von obertage jederzeit Stickstoff in das Injektionsrohr bzw. in den Ringraum

6$ (Phase I) eingedrückt werden kann, um eine Kontrolle über die Bohrung aufrecht zu erhallen (Rückfluß verhindern. Bohrung kühlen).

Hicr/u 1 Blatt Zeichnungen

Claims

*$ Patentansprüche:

1. In-siw-VeArennungsverfahren zur Gewinnung yon Energje-Rohstoffen aus unterirdischen Lagerstätten mittels Injelcüons- und Produktionsbohrlöehern, bei dem zunichst gleichzeitig in den oberen bzw. unteren Bereich der Lagerstätte getrennt Zündmittel und ein Inertgas eingepreßt werden, und sauerstoffbaltiges Gas in die Verbrennungsfront eingeleitet wird, dadurch gekennzeichnet, daß das Zündmittel in den oberen und das Inertgas in den unteren Bereich der Lagerstätte eingepreßt werden und anschließend dem Inertgas das sauerstoffhaltige Gas mit einer vorbestimmten, niedrigeren Sauerstoffkonzentration und Einpreßrate in diesen Lagerstättenbereich nachgepreßt wird, bis die Verbrennungsfront gezündet ist und sich in einem vorbestimmten Abstand von der Injektionsbohrung befindet, wonach die Einpreßrate und/oder Sauerstoffkonzentration dieses Gases bis zu einer vorbestimmten Maximalrate bzw. Endkonzentration erhöht werden und gleichzeitig Wasser in den oberen Bereich der Lagerstätte eingepreßt wird, wobei das Gas mit der eingestellten Endkonzentration an Sauerstoff und/oder der Einpreß-Maximalrate unter einem Druckverhältnis des Ausströmdrukkes aus dem Injektionsbohrloch zum Einströmdruck in die Lagerstätte welches zwischen 1,2 und 2,5 liegt, in die Lagerstätte eingedrückt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Sauerstoff bei einem Druckverhältnis eingepreßt wird, bei dem er mit Schallgeschwindigkeit in die Lagerstätte strömt.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß zu Beginn der Einpreßvorgänge der Lagerstättendruck bis kurz oberhalb des Gasentlösungsdruckes abgesenkt wird.

4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Injektionsbohrung im Bereich der Lagerstätte in einen oberen und einen unteren Injektionsbereich unterteilt wird, die keine unmittelbare Verbindung zueinander aufweisen.

5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Sauer-Stoffkonzentration des eingeleiteten Gases zwischen 20 und 80 Vol.-% beträgt.

6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Einpreßrate und/oder Sauerstoffkonzentration stufenweise erhöht werden.

7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß dem Sauerstoff für den Verbrennungsprozeß zwischen 4 und 20 Vol.-% Inertgas, wie Stickstoff, Kohlendioxid oder Wasserdampf, zugemischt werden.

8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß alle Hohlräume im Lagerstättenbereich der Inpktionsbohrung, in welchem ein Kontakt zwischen Sauerstoff und brennbaren Stoffen möglich ist, mit porösen Füllstoffen, wie Sandschüttung, Kiespackung oder Raschigringen, ausgefüllt werden.

9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die spezifisehe Einpreßrate des Gases zwischen 10 und 50 mW h, vorzugsweise bei etwa 30 mVmm² · h,

10. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Abstand der Verbrennungsfroni vom Injektionsbohrloch zwischen 3 und 30 m, vorzugsweise 5 bis 15 m, beträgt, ehe die Einpreßrate und/oder Sauerstoffkonzentration stufenweise bis zum Endwert erhöht werden.

11. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß ein H₂O/ O₂-Verhältnis von 1 bis 15:1000, berechnet für Gasvolumina bei Normalbedingungen, gewählt wird.