DE2527674A1 - Verfahren zur gewinnung viskoser kohlenwasserstoffe aus untertaegigen kohlenwasserstoff fuehrenden formationen - Google Patents

Description

Patentassessor Hamburg, den 19,6.75

Dr. Gerhard Schupfner 770/ik

Deutsche üfexaco AG

2000 Hamburg 13

Mittelweg 180 T 75 034 (D 73,552-S¹)

TEIAGO DEYELOIMElTiE COEPOHATIOIi

1.35 East 42nd Street
Hew York, 1T.Y. 10017
U.S.A.

Verfahren zur Gewinnung viskoser Kohlenwasserstoffe aus untertägigen kohlenwasserstoffführenden Formationen

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Gewinnung schwerer viskoser Kohlenwasserstoffe aus untertägigenkohlenwasserstofführenden Formationen, die von mindestens einer In^ektionssonde und von mindestens einer Produktionssonde durchteuft sind.

Die Gewinnung viskoser öle aus Formationen und Bitumina aus {Deersänden mittels konventioneller Verfahren hat sich aufgrund der hohen Viskosität und niedrigen Mobilität der öle bzw. der Bitumina als wenig erfolgreich herausgestellt." Während sich ein gewisser Erfolg bei der Stimulierung der Gewinnung schwerer öle durch Verwendung thermischer Verfahren einstellte, fehlte dieser bei der Gewinnung von Bitumina aus leersänden.,

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Als Bitumina können höherviskose öle mit einer 'API-Dichte in einem Bereich von etwa 5 "bis 10° "bezeichnet worden, die in einem im wesentlichen unkonsolidierten Sand enthalten sind. Diese Bitumina enthaltenden Formationen werden als Teersände bezeichnet. Eine dieser Lagerstätten ist das Athabaska-Teersand-Vorkommen in Alberta, Kanada, dessen Lagerstätteninhalt auf mehrere hundert Milliarden Barrels öl geschätzt werden.

An konventionellen thermischen Gewinnungsverfahren zur Förderung viskoser Kohlenwasserstoffe aus Formationen und Bitumina aus Teersänden werden Dampfeinpressung, He ißwa s sere in— pressung und Insitu-Verbrennung angewandt. Bei der Dampf- und Eeißwassereinpressung werden die viskosen Kohlenwasserstoffe auf eine Temperatur erhitzt, bei der ihre Viskosität ausreichend herabgesetzt und ihre Mobilität ausreichend verbessert, um den Fluß durch die Poren der Formation zu steigern· Bei der Verwendung-einer Insitu-Verbrennung treten wesentlich höhere Temperaturen auf, wobei das in der Lagerstätte befindliche' Eohöl oder Bitumen zumindest einer~ partiellen thermischen Krackung oder Viskositätsbrechung zur Verbesserung der Mobilität unterliegt.

Bei der Durchführung eines konventionellen Insitu-Verbrennungsprozesses wird ein Sauerstoff enthaltendes Gas, wie z.B. Luft, über eine Bohrung in die Formation eingegeben und eine Verbrennung im Bereich der Bohrung durch an sich bekannte Maßnahmen initiert, wie z.B. durch einen gas-

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"beheizten Brenner, eine elektrische Heizeinrichtung oder durch Züiidchemikalien. Danach wird die Einpressimg von Sauerstoff enthaltendem"Gas fortgesetzt, um die Hochtemperatur-Verbrennungsfront aufrechtzuerhalten und diese Pront durch die Eonnation in Richtung auf eine Porderbohrung zu treiben·

Nach dem Voranschreiten der Verbrennungsfront durch die formation bilde.t sich hinter dieser iront im Idealfall eine entölte saubere Sandmatrix. Vor der voranschreitenden Brennfront bilden sich verschiedene aneinandergrenzende Zonen, die ebenfalls vor der Brennfront mitverdrängt werden. Bei diesen Zonen handelt es sich, um eine Destillations- und Krackzone, eine Kondensations- und Verdampfungszone, eine ölbank und eine unveränderte Zone.

Die iemperatur der Brennfront befindet sich im wesentlichen in einem Bereich von etwa 400 - 650⁰C. Die in dieser Zone erzeugte Hitze wird zur Destillations- und Krackzone vor der Verbrennungsfront übertragen, wo das Eohol einer Destillation und Krackung unterworfen wird. In dieser Zone herrscht ein sehr starker Temperaturabfall gegenüber der Verbrennungsfront auf etwa 150 - 230⁰C. Bei fortschreitender--Verbrennungsfront und Erhöhung der !Temperatur in der Formation, werden die hohermolekulargewichtigen Kohlenwasserstoffe des Eohöls karbonisiert. Diese koksartigen'Materialien lagern sich auf der lormationsmatrix ab und bilden den wesentlichen Brennstoff zur unterhaltung der fortschreitenden Ihsitu-Verbrennung.

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Vor der Destillations- und Krackzone liegt eine Kondensations-und Verdampfungszone· Die Temperatur dieses thermischen Plateaus befindet sich in einem Bereich von etwa 95 _ 235°C, in Abhängigkeit von den Destillationseigenschaften der vorhandenen Fluide, Diese Fluide bestehen aus Wasser und Dämpf und Kohlenwasserstoffkomponenten des Eohöls·

Vor der Kondensat ions- und Verdampfungszone liegt eine ölbank, die sich bei fortschreitendem Brennprozess bildet und das Rohöl in Eichtung auf die Förderbohrung verdrängt. Diese stark ölgesättigte Zone enthält nicht nur LagerstätteJl·· fluide, sondern ebenfalls Kondensat, gekrackte Kohlenwasserstoffe und gasförmige Produkte der Verbrennung, die unter Umständen die Förderbohrung erreichen, von der aus sie gewonnen werden können.

Verschiedene Verbesserungen, die sich auf Insitu beziehen, sind in verschiedenen Veröffentlichungen beschrieben worden und betreffen die Einpressung von Wasser, entweder simultan oder intermittierend mit dem Sauerstoff enthaltenden Gas, xua die verbliebene Hitze in der Formation hinter der Ver— "brennungsfront auszunutzen, und dabei die ölgewinnungsrate zu erhöhen. Weiterhin ist in diesen Veröffentlichungen die Steuerung der" eingepreßten Wassermenge zwecks Verbesserung eine gleichförmig ablaufenden Prozesses oder der Durchspülung und zur Steuerung der Verbrennung offenbart.

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ITngeaclitet der Verwendung dieser thermischen Gewinnungstechniken, hat sich keine dieser Techniken über einen längeren · Zeitraum hinweg als besonders erfolgreich gezeigt, da "beträchtliche Mengen thermischer Energie zur ausreichenden Aufheizung der Formation "benötigt wurden, um die gewünschte Reduktion der Viskosität und die verbesserte Mobilität aufrechtzuerhalten.

Zusätzlich tritt noch die Schwierigkeit auf, bewirkt durch die Tatsache, daß schwere Eohöle einen hohen Prozentsatz hohermolekulargewichtiger Komponenten aufweisen· Diese höhermolekulargewichtigen Komponenten werden vor der fortschreitenden Verbrennungsfront karbonisiert und bilden den Hauptbrennstoff zur Unterhaltung der Insitu-^Verbrennung.

Aufgrund des hohen Prozentsatzes dieser höhermolekulargewichtigen Komponenten, ist ein unerwünscht hoher Brennstoffanteil vorhanden und somit eine niedrige Iförderquote". Eine weitere auftretende Schwierigkeit liegt in dem langsamen Voranschrei-■fcen der Insitu-Verbrennung, so daß die verdrängten Kohlenwasserstoffe sich abkühlen und somit immobiler werden und dabei eine Blockierung der Formation verursachen mit dem Ergebnis, daß das Voranschreiten der Brennfront erschwert wird ■und die Verbrennung nicht mehr unterhalten werden kann,

Me vorbeschriebenen Schwierigkeiten vereinigen sich, wenn diese Techniken bei Teersandlagerstätten angewendet werden, und zwar nicht nur bei Teersänden mit einem relativ niedrigen API-Dichte von 6 - 8⁰C und einer höheren Viskosität, d.h.

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in einem Bereich von s>10 cP_} sondern auch, wenn die Permeabilität so niedrig ist, daß Schwierigkeiten in der Erstellung einer Fluidkommunikation innerhalb der Formation auftreten·

Die vorliegende Erfindung überwindet diese Schwierigkeiten durch .Anwendung einer Kombination thermischer Verfahren, die am besten die Vorteile ijeder Technik auswertet.

Die Erfindung betrifft ein verbessertes Verfahren zur Gewinnung viskoser Eohöle niedriger API-Dichte, insbesondere die Gewinnung von Bitumen aus Teersanden durch simultanes Einpressen eines Sauerstoff enthaltenden Gases und Dampf zur Steuerung der Verbrennung und Verbesserung der Gassättigung, und nachdem die Insitu-Verbrennung initiert ist, durch Einpressen von Wasser·

Die Aufgabe dieser Erfindung wird bewerkstelligt durch eine Zusammenfassung einer gesteuerten Verbrennung und einer herkömmlichen Insitu-Verbrennung, wobei eine Gassättigung in der Iformation entwickelt wird bevor sie einer konventionellen Insitu-Verbrennung unterzogen wird. Durch das erfindungsgemäße Verfahren wird die Nützlichkeit einer verbesserten Übertragungsfähigkeit, verbesserter Mobilität und verminderter Viskosität realisiert.

Bei der Erfindung kommen eine Eeihe von Verfahrensschritten zur Anwendung, die als erstes die simultane Einpressung eines Sauerstoff enthaltenden Gase^ und Dampfes bei einer niedrigen

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Temperatur beinhalten, wodurch eine Gassättigung in der Formation erreicht wird. Danach wird die Einpressung von Dampf "beendet und eine konventionelle Insitu-Verbrennung eingeleitet, um die Kohlenwasserstoffe durch die Formation zu einer Fördersonde zu verdrängen, aus der sie dann gewonnen werden können.Eventuell kann die Formation danach einer Wasserflutung unterzogen werden, wodurch die Eesthitze der Formation ausgespült wird.

In einem "breiten Aspekt der Erfindung wird eine kohlenwasserstofführende Formation, die schweres Eohöl oder Bitumen enthält, als erstes von mindestens einer InjektionsTDohrung und von mindestens einer Produktions"bohrung durchteuft und eine Fluidverbindung und Injizierbarkeit zwischen den beiden Bohrungen durch konventionelle Verfahren, wie z.B. hydraulische Frac-Techniken hergestellt.

Danach wird über die Inoektionsbohrung die Einpressung eines Sauerstoff enthaltenden Gases und Dampfes bei einer !Temperatur durchgeführt, bei der eine mit niedriger Temperatur verlaufende Verbrennung eines Teiles des Bitumens im Bereich der Injektionsbohrung bewirkt werden kann. Die Temperatur der ' eingepreßten Mischung kann in einem Bereich von etwa 205° bis 425⁰C liegen. In Abwechslung dazu kann eine Verbrennung im Bereich der'Injektionsbohrung unter Verwendung bekannter Techniken, wie z.B. durch eine elektrische Heizeinrichtung, einem Gasbrenner oder durch Chemikalien wie •Thermit oder dergl., initiert werden.

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Ist die Verbrennung erst einmal eingeleitet, wird das vorgenannte Gas- und Dampfgemisch eingepreßt, um die bei niedriger temperatur verlaufende Verbrennung zu bewirken.

Nach dem Beginn der Verbrennung im Bereich der Inoektionsbohrung wird die simultane Einpressung von Sauerstoff enthaltendem Gas und Dampf über eine gewisse Zeitspanne fortgesetzt, um eine Gassättigung in der Formation zwischen der Injektionsbohrung und der Produktionsbohrung in dem vorgenannten Temperaturbereich zu schaffen.

Während der Zeitspanne des simultanen Einpressens des Sauerstoff enthaltenden Gases und des Dampfes tritt eine Förderung an der Produktionsbohrung durch Verdrängung der Kohlenwasserstoffe der Formation aufgrund von Viskositätsbrechung (visbreaking) und Mobilitätsverbesserung· Aufgrund der bei niedriger Temperatur ablaufenden Oxidation~wird eine übermäßige Karbonisierung oder Verkokung in der Formation minimiert und: die Vorteile der Vermeidung einer Blockierung aufgrund einer Verkokung erreicht. Zusammen mit" diesen Vorteilen wird die Verbesserung der Übertragungsfähigkeit der Formation für die eingepreßten'Gase durch die Schaffung einer Gassättigung entwickelt. Nachdem die Gassättigung erreicht, ist, was z.B. durch Gasforderung an der Produktionsbohrung feststellbar" ist, wird die Einpressung der Mischung aus Sauerstoff enthaltendem Gas und Dampf beendet und die Formation einer herkömmlichen Insitu-Verbrennung unterzogen,

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Das Auftreten der herkömmlichen Insitu-· Verbrennung wird bewirkt durch die Beendigung der'Dampfeinpressung, da die Fdrmation auf einem Teaperaturniveau angelangt ist, bei dem eine Insitu-Verbrennung ohne weitere Verwendung zusätzlicher Zündtechniken bewirkt werden kann. Die Einpressung von Sauerstoff enthaltendem Gas wird fortgesetzt, um so innerhalb der Formation die verschiedenen angrenzenden Zoneneigenschaften einer herkömmlichen Insitu-Verbrennung wie vorbeschrieben zu entwickeln. Die Verbrennungsfront bewegt sich dadurch durch die Formation und verdrängt vor sich wirksam die Lagerstättenfluide und die Fluide, die sich aufgrund der oxidativen Prozesse, die in der Formation während der Einpressung der Gas-Dampf-Mischung auftreten, gebildet haben. Nachdem die Verbrennungsfront durch die Formation bis zur Produktionsbohrung vorgedrungen ist, kann eine Was serf lutung zur Ausspülung der Resthitze in der Formation und zur Förderung der darin verbliebenen Kohlenwasserstoffe durchgeführt werden.

Zum Nachweis der Durchführbarkeit der Erfindung wurde ein Labortest durchgeführt, bei dem Teersand aus der Hc-Kurray-Formation in Alberta, Kanada verwendet wurde. Ungefähr 70,16 kg Teersand wurden genommen, der pro Kubikmeter Sand 0,245 m⁵ (1 900 bbl/A-ft) Bitumen enthielt, und in eine 38,1 cm länge Zelle "mit einem Durchmesser von 45,72 cm gepackt. Die Zelle war für Arbeiten bis zu einer Temperatur von etwa 216 C und einem Druck von 21,1 kg/cm¹" ausgerüstet, und enthielt eine simulierte Injektionsbohrung und eine Forderbohrung. Ein Verbindungspfad aus reinem Sand mit einer

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Siebgröße von 20-40 mesh wurde zwischen die Bohrungssimulatoren plaziert und eine Fluidverbindung vor Inbetriebnahme des Testes durch Einpressen von Stickstoff geschaffen.

Während des Versuches wurde der Druck bei 21,1 kg/cm aufrechterhalten und die Sandpackung einer simultanen Injektion von Luft und Dampf unterzogen., wodurch in der Zelle eine Verbrennung bei niedriger Temperatur begründet wurde. Während dieses Versuches wurde eine Gesamtgewinnung von etwa 47 % erreicht und bei einer hohen Förderrate beinahe doppelt so hoch als die Förderung von 14 % im Vergleich zur niedrigen Bate, wenn Dampf allein eingepreßt wurde. Die pro Kubikmeter geförderten Bitumens zugeführte Energie von 2405 Kcal liegt verglichen mit der bei Dampfeinpressungen üblicherweise benötigten Energie von 4810 bis 6414 Kcal wesentlich darunter.

3 « Danach wurde der Rest, der nach dem Testr noch 0,134 m öl pro Kubikmeter Sand aufwies,, in einem herkömmlichen ISC-Versuch benutzt, wobei eine Zelle für eine vertikale Insitu-Verbrennung verwendet wurde, die sich durch einen geringen

7. Wärmeverlust auszeichnet. Ein Luftflux von 2,63 m in der Stunde pro Quadratmeter Injektionsflache wurde unter einem Druck von 21,1 kg/cm eingepreßt. Eine ölförderung begann 2,5 Stunden nach Einleitung der Insitu-Verbrennung. Eine maximale temperatur von 650⁰C wurde zu Beginn des Versuches ermittelt, die danach auf ca. 540°C abfiel. Für den Versuch wurden etwa 2404 xaP Luft pro geförderten Kubikmeter öl (13,5 MCF/bbl) benötigt, was äquivalent mit einem Brennstoff-

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verbrauch von 0,0258 m⁵ pro Kubikmeter (200 bbl/A-ft) Teersand ist. Das ausströmende Gas, da.g anzeigt, daß eine Insitu-Verbrennung eingesetzt hat, enthielt 13,5 % C0_?, 3,9 % CO und 0,53 % CH^. Eine Förderung während des konventionellen Insitu-Verbrennungsprozesses trat im Gefolge der Verbrennungseinleitung nicht auf, trat aber auf, nachdem eine ums Bohrloch abgegrenzte ölbank sich gebildet hatte, die zum Auslaß der Zelle verdrängt wurde. Die Ergebnisse' zeigten, daß im wesentlichen sämtliche Fluide aus dem Sand abgezogen waren.

Es wird angenommen, daß die Wirksamkeit der Erfindung nicht nur aus der Viskositätsbrechung und aufgrund thermischer Effekte herrührt, sondern ebenfalls von der Erstellung der Gassättigung. Wird ausschließlich Dampf in die Lagerstätte eingepreßt, die keine Gassättigung aufweist, ist es schwierig, wenn nicht gar unmöglich, eine adequate Übertragungsfähigkeit (transmissibility) von der Inäektionsbohrung zur Förderbohrung zu erhalten· Der Dampf hat die Aufgabe, das Formationsfluid zu verdrängen, um eine Gassättigung und Dampf permeabilität zu erstellen. Sind die Bohrungen nicht nahe genug zueinander abgeteuft, ist eine Gassättigung aufgrund der Kondensation des Dampfes in der kühleren Formation nicht erreichbar. Es wird vorausgesetzt, daß durch Einpressen von Luft mit Dampf eine von beiden Komponenten in der Lage ist, eine Gassättigung und Durchlässigkeit mit einem nichtkondensierbaren Gas und der durch bei niedriger Temperatur ablaufenden Oxidation gebildeten gasförmigen Verbrennungs-

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produkte zu erstellen. Dadurch wird eine Förderung der aufbereiteten und mobileren Fluide realisiert.

Weiterhin wird vorausgesetzt, daß eine verbesserte Förderung durch eine hohe Förderrate während der ersten Stufe des Prozesses realisiert ist. Bei der herkömmlichen Insitu-Förderung ist die Zone hoher Temperatur sehr schmal und die Ausbreitungsrate sehr gering. Im Gegensatz dazu kann bei dem erfindungsgemäßen Verfahren bis zu 50 % cLer in der Lagerstätte vorhandenen Kohlenwasserstoffe bei einer hohen Förderrate gewonnen werden und zu gleicher Zeit die vorbeschriebenen Nachteile minimiert werden.

Daß eine verbesserte Übertragungsfähigkeit auftritt, ist aus der Analyse der Versuchsergebnisse ersichtlich. Unbehandelter Teersand ist sehr pappig und klebrig. Ein. Fracen der Formation wird im wesentlichen durchgeführt, um eine adequate Fluideinpreßbarkeit zu erhalten. Bei der gesteuerten Oxidation gemäß der Erfindung wird das Teersandsystem von einer hochundurchlässigen klebrigen Masse umgewandelt in ein mürbes unkonsolidiertes Sand-Eohlenwassersto ff system mit hoher Permeabilität, ähnlich herkömmlicher schwerer unkonsolidierter ölsysteme, welches die Fähigkeit aufweist, mittels herkömmlicher Insitu-Verf ahren ^ausgebeutet werden zu können·

Ist die Übertragungsfähigkeit erst einmal hergestellt, kann die Formation durch Veiterbewegung einer Verbrennungsfront durch die Formation weiter ausgebeutet werden, wobei im wesentlichen sämtliche in der Formation verbliebenen Fluide

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Produktionsbohrung verdrängt werden, aus der sie dann gefördert werden können. Während der Verfahrensphase, die bei niedriger Temperatur abläuft, kann das bevorzugte Gas entweder Luft, Sauerstoff angereichertes Gas oder ein Gas, das im wesentlichen aus reinem Sauerstoff besteht, sein· Als Dampf kann entweder Sattdampf oder überhitzter Dampf in Abhängigkeit der erwünschten Arbeitsbedingungen bezüglich Druck und Temperatur und den Eigenschaften der Formation, um den den gewünschten Temperaturbereich zu erzielen, gewählt werden.

Während der herkömmlichen Insitu-Verbrennung ist das bevorzugte Sauerstoff enthaltende Gas Luft, obgleich ein Sauerstoff angereichertes Gas oder im wesentlichen reiner Sauerstoff ebenfalls verwendet werden kann·

Es liegt im Bereich der Erfindungsgedankens, dieses Verfahren in einem Feld mit verschiedener Bohrlochanordnung, wie z.B. einer 5-I^ch-Anordnung oder einer Reihenanordnung anzuwenden· Wird z.B. die Insitu-Verbrennung in der Zentralbohrung einer herkömmlichen 5-Loch-Anordnung initiert, kann die Förderung aus den vier Eck-Bohrungen erfolgen. Nachdem die Förderung stimuliert wurde," was durch eine erhöhte Gewinnung an den Produktionsbohrungen feststellbar ist, kann in die Injektionsbohrung Wasser eingepreßt werden, während zur gleichen Zeit eine zweite Insitu-Verbrennung in einem angrenzenden Feldabschnitt in Gang gesetzt wird.

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Claims (10)

T 73 035 D Patentansprüche

1) Verfahren zur Gewinnung schwerer viskoser Kohlenwasserstoffe ans einer untertägigen kohlenwasserstoffführenden Formation, die von mindestens einer Injek-

und einer Prpduktionsbohrung tionsbohrung/durchteuft ist,

dadurch gekennzeichnet, daß

a) über die Injektionsbohrung eine Mischung eines Sauerstoff enthaltenden Gases und Dampf in die Formation eingepreßt und eine gesteuerte Verbrennung in einem Temperaturbereich von etwa 205 bis 425°C in der Formation im Bereich der Injektionsbohrung bewirkt wird, daß

b) die Einpressung der vorgenannten Mischung bis zur Erreichung einer Gassättigung in der Formation fortgesetzt wird, daß

c) zur Errichtung einer Verbrennungsfront im Bereich der Injektionsbohrung"mit einer Temperatur" von etwa 480 bis 595°C die Einpressung des Dampfes beendet und die des Sauerstoff"enthaltenden Gases fortgesetzt wird, daß

d) die Einpressung des Sauerstoff enthaltenden Gases zur Weiterbewegung der Verbrennungsfront durch die Formation in Eichtung auf die Produktionsbohrung fort-

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gesetzt wird, -und daß

e) die Kohlenwasserstoffe aus der ProduktionsTDohrung gewonnen werden.

2) Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß als Sauerstoff enthaltendes Gas im wesentlichen Luft gewählt wird.

3) Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß als Sauerstoff enthaltendes Gas im wesentlichen reiner Sauerstoff gewählt wird.

4-) Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß als Sauerstoff enthaltendes Gas ein mit Sauerstoff angereichertes Gas gewählt wird.

5) Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß nachfolgend zum Verfahrensschritt e) ~~

zur Resthitzeausspülung der Formation für eine weitere Kohlenwasserstoff gewinnung eine Vassermenge eingepreßt wird.

6) Verfahren nach Anspruch 1, dadurch ge-

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kennzeichnet , daß ein gesättigter Dampf verwendet wird.

7) Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß ein überhitzter Dampf verwendet wird.

8) Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß dem Verfahrensschritt a) die Einleitung einer Verbrennungsfront bei einer Temperatur von etwa 400 bis 6^0⁰C im Bereich der Injektionsbohrung vorangesetzt wird.

9) Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß die Kohlenwasserstoffe während des ^iaufes der Verfahrensschritte a) bis d) gewonnen werden.

10) Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß simultan zu den Verfahr ens schritten c) und d) Wasser in die Formation eingepreßt wird. " —

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