DE2615874B2

DE2615874B2 - Anwendung eines Verfahrens zum Gewinnen von Erdöl und Bitumen aus unterirdischen Lagerstätten mittels einer Verbrennungfront bei Lagerstätten beliebigen Gehalts an intermediären Kohlenwasserstoffen im Rohöl bzw. Bitumen

Info

Publication number: DE2615874B2
Application number: DE2615874A
Authority: DE
Inventors: Karl-Heinz Dr.Rer. Nat. 3101 Wietze Gaida; Guenter Dipl.-Ing. Dr. 3100 Celle Pusch
Original assignee: Deutsche Texaco AG
Current assignee: Wintershall Dea Deutschland AG
Priority date: 1976-04-10
Filing date: 1976-04-10
Publication date: 1978-10-19
Also published as: ATA242777A; IT1075376B; YU39383B; BR7702241A; DE2615874C3; NL7703658A; MX144718A; NO146478B; AT356041B; TR20037A; NO146478C; GB1575931A; DE2615874A1; US4252191A; CA1071096A; YU52477A; NO770835L

Description

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Die Erfindung bezieht sich auf die Anwendung eines Verfahrens zum Gewinnen von Erdöl und Bitumen durch Untertageverbrennung mit Sauerstoff auf Lager-Stätten beliebigen Gehalts an intermediären Kohlenwasserstoffen.

Auf dem Gebiet der Erdölgewinnungsverfahren sind CC>2-Flutverfahren, bei denen das Kohlendioxid in die Lagerstätte eingepreßt wird, bekannt.

Weiterhin ist aus DE-AS 21 32 679 ein Verfahren zum Gewinnen von Erdöl und Bitumen aus unterirdischen Lagerstätten bekannt, bei dem in das zu gewinnende Material Kohlendioxid eingelöst und das Kohlendioxid enthaltende Material durch Fluten mit flüssigen und/oder gasförmigen Flutmedien den Produktionsbohrungen zugetrieben wird, wobei das Kohlendioxid in situ durch Ausbrennen eines Teiles des untertätigen Erdöls oder Bitumens erzeugt wird, und wobei der Lagerstättendruck so weit erhöht, und der für das Verbrennen erforderliche Sauerstoff in höherer als atmosphärischer Konzentration von Übertage an den Ort der Verbrennung geleitet wird, daß sich ein Partialdruck des entstehenden Kohlendioxids zwischen 60 und maximal 90 bar, vorzugsweise 70—85 bar, einstellt und das erzeugte Kohlendioxid durch eingepreßtes Wasser zu den Förderbohrungen bewegt wird.

Der Vorteil dieses bekannten Verfahrens lag darin, daß bei dessen Anwendung der Entölungsgrad auf knapp 60% des in der Lagerstätte ursprünglich vorhandenen Öls gesteigert werden konnte. Gegenüber dem bekannten Wasserfluten bedeutete dies eine Verbesserung des Entölungsgrads von etwa 10%. Die Volumenvergrößerung und die Viskositätsreduzierung durch das in dem Lagerstättenöl eingelöste CO2 wurden als die wichtigsten Entölungsmechanismen angesehen. Bei diesem Verfahren handelt es sich nicht um ein Miscible-Verfahren, d. h. die miterzeugten niedermolekularen Kohlenwasserstoffe unterstützen das CO₂-Fluten lediglich, indem sie das Lösungsvermögen von CO₂ in den zu gewinnenden Materialien erhöhen. Das zu fördernde Lagerstättenöl wurde ausschließlich durch Verbesserung der Viskositätsverhältnisse, Volumenvergrößerung durch CO2-Einlösung und Wasserfluten in Richtung auf die Förderbohrung bewegt.

Ebenso arbeitet man nach US-PS 32 08 519 bei einem Druck bis zu etwa 84 bar, um aus den gleichen Gründen wie oben das Lösungsvermögen des CO2 im Lagerstättenöl zu erhöhen. Das Erdöl wird sodann durch anhaltenden Wassertrieb zur Produktionsbohrung hingetrieben.

Des weiteren ist aus der US-PS 31 74 543 ein CO₂-in situ-Gewinnungsverfahren durch Verbrennung mit Sauerstoff bekannt. Bei diesem Verfahren wird Sauerstoff in die Lagerstätte eingepreßt, eine Verbrennungsfront errichtet und das öl rund um die Injektionsbohrung ausgebrannt. Diese Verbrennung wird über eine bestimmte Entfernung von der Injektionsbohrung aus gesehen vorangetragen und danach eingestellt. Durch die bei diesem Verbrennungsvorgang erzeugte Wärme laufen Destillations- und Crackvorgänge ab. Die so erzeugten intermediären Kohlenwasserstoff-Komponenten des Lagerstättenöls werden zur Injektionsbohrung zurückgefördert. Es wird so lange zurückgefördert, bis die ersten Komponenten in der Injektionsbohrung erscheinen. Damit wird bewirkt, daß beim Zurückfördern die schweren Kohlenwasserstoffbestandteile des Lagerstättenöls in dieser stark erhitzten Lagerstättenzone, in der vorher das Lagerstättenöl verbrannt wurde, gecrackt werden. Erscheinen nun die ersten intermediären Bestandteile in der Injektionsbohrung, wird nochmals eine Verbrennung eingeleitet. Somit handelt es sich bei diesem Verfahren um ein zyklisches Verfahren. Die zweite Verbrennung soll den Wärmetrieb erzeugen, um diesen mischbaren Slug durch die Lagerstätte zu führen. Ein Nachteil dieses Verfahrens besteht darin, daß in der ersten Verbrennungsphase mit nahezu reinem Sauerstoff so hohe Temperaturen entstehen, daß das Gebirge versintert. Durch diese hohen Temperaturen verbrennen nicht nur sämtliche Kohlenwasserstoffbestandteile im Bereich der Brennfront, sondern die Permeabilität der Lagerstätte leidet erheblich. Das aufgeheizte Gestein wird benutzt, um beim Zurückfördern die Kohlenwasserstoffe zu cracken. Bei diesem Verfahren wird also ein stationärer Generator, d. h. eine aufgeheizte Kammer benutzt. Beim Zurückfördern wird ein Großteil der gebildeten intermediären Kohlenwasserstoffkomponenten in dem überhitzten Gestein verbrannt.

Aus der US-PS 31 26 957 ist ein CO₂-Kohlenwasserstoff-Miscible-Verfahren zur Gewinnung von Restöl aus

Lagerstätten bekannt. Auch bei diesem Verfahren ist der Wärmegenerator stationär. Das Lagerstättenöl wird nicht zurückgefördert, sondern es wird zusätzliches Rohöl in die Lagerstätte eingegeben. Die Intermediären Komponenten, die notwendig sind, um ein Miscible-FIuten zu bewerkstelligen, werden aus dem zusätzlichen Rohöl erzeugt. Es wird auch bei diesem Verfahren mit einem sauerstoffhaltigen Gas eine Hochtemperaturzone erzeugt Auch bei diesem Verfahren handelt es sich um einen stationären Wärmegenerator. Die Bildungskapazität an intermediären Kohlenwasserstoffen ist begrenzt Durch diskontinuierliche Verfahrensweise, d. h. durch ein stufenweises Anreichern von intermediären Kohlenwasserstoffen soll dieser Nachteil ausgeglichen werden.

Eine wichtige Voraussetzung bei der Verwendung von CO2 zur ölgewinnung ist neben einem entsprechenden Druck ebenso die Zusammensetzung des in der Lagerstätte vorhandenen Öls. Um CO2 wirksam einsetzen zu können, muß das in der Lagerstätte vorhandene öl möglichst reich an C4—Cjo-Komponenten (intermediäre Kohlenwasserstoffe) sein. Diese Komponenten müssen in einer Quantität von etwa 60 bis hinauf zu 90Vol.-% in dem Lagerstättenöl vorhanden sein. Bei Vorliegen dieser Bedingung ist es möglich, daß das CO2 aus dem öl, das solche Komponenten enthält, diese extrahiert, sie in einer Zone zwischen der ölbank und dem nachfolgenden Wasser speichert und auf diese Weise eine Übergangszone bildet, die sowohl mit dem öl als auch mit dem nachfolgenden CO₂-gesättigten Wasser mischbar ist. Da die vorgenannten Bedingungen aber nur in wenigen Lagerstätten vorkommen, kann ein CCVFluten nicht überall wirksam eingesetzt werden.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur ölgewinnung zu schaffen, bei dem die an sich bekannte gute Extraktionsfähigkeit des CO2 durch Kombination mit dem M iscible-Fluten wirkungsvoll ausgenutzt werden kann und nicht auf öllagerstätten beschränkt ist, die ein Rohöl aufweisen, welches die intermediären Kohlenwasserstoffkomponenuin in der vorgenannten ausreichenden Menge enthält; siußerdem soll der Nachteil der beschränkten Bildungskapazität an intermediären Komponenten des stationären Wärmegenerators auf andere Weise als durch zyklische Anreicherung ausgeglichen werden.

Die Aufgabe ist erfindungsgemäß dadurch gelöst worden, daß ein Verfahren zum Gewinnen von Erdöl und Bitumen aus unterirdischen Lagerstätten, die von mindestens einer Produktions- und mindestens einer Injektionsbohrung durchteuft ist, angewendet wird, bei dem in der Lagerstätte durch Einleiten einer partiellen Verbrennung eine Verbrennungsfront errichtet und ein Druck von mehr als 80 bar aufrechterhalten wird, in die Lagerstätte gleichzeitig Sauerstoff und Wasser eingepreßt werden, die in der Lagerstätte befindlichen intermediären Kohlenwasserstoffe mit 4 bis 30 C-Atomen und die aus den höheren Kohlenwasserstoffen gebildeten Crack- und Destillationsprodukte mit Hilfe des gebildeten Kohlendioxids aus der Lagerstätte extrahiert werden und vor der Verbrennungsfront eine Verkokungs-, eine Kondensations- und eine Zone mischbaren Übergangs zwischen der Kondensationszone und dem Lagerstättenöl gebildet wird, in der die intermediären Kohlenwasserstoffe in einer Ölbank gespeichert sind, bei Lagerstätten beliebigen Gehalts an intermediären Kohlenwasserstoffen im Rohöl bzw. Bitumen, wobei zur Ausbildung der mischbaren Übergangszone der Druck in der Lagerstätte jeweils der Teufe, der Temperatur und der petrographischen Ausbildung der Lagerstätte sowie dem Gehalt des Lagersfättenöls an intermediären Kohlenwasserstoffen angepaßt wird.

Beim erfindungsgemäßen Verfahren ist es vorteilhaft, daß die Verbrennungsfroiit nicht über eine größere Entfernung innerhalb der Lagerstätte fortgetragen zu werden braucht und daher die stabile Ausbildung der

lü Verbrennungsfront gut steuerbar bleibt

Da bei diesem Verfahren mit einem mobilen Wärmegenerator gearbeitet wird, ist ständig eine ausreichende Menge an intermediären Kohlenwasserstoffkomponenten vorhanden. Es wird darauf hingewiesen, daß bei diesem Verfahren mit einem Druck gearbeitet wird, der zumindest dem kritischen CO2-Druck entspricht, bei dem CO2 in der Lage ist, eine Phase mischbaren Überganges zum öl einzugehen. Während bei herkömmlichen Untertage-Teilverbrennungs-Verfahren bis zu Vi des Lagerstätlenvolumens ausgebrannt werden müssen, reicht es bei der erfindungsgemäßen Anwendung des Verfahrens aus, V₆ bis V3 der Lagerstätte auszubrennen. Ein weiterer Vorteil des Verfahrens liegt darin, daß selbst flache

.'s Lagerstätten von ca. 1 m Mächtigkeit noch ausgebeutet werden können, während bei sonstigen Untertage-Teilverbrennungs-Verfahren die geringstmögliche Mächtigkeit der auszubeutenden Lagerstätte bei 3—4 m liegt.
Zum besseren Verständnis der erfindungsgemäßen

jo Anwendung des Verfahrens soll dieses anhand der Zeichnungen erläutert werden. Es zeigt

F i g. 1 eine schematische Darstellung des Verfahrensablaufes und das dazugehörige Temperaturprofil;

F i g. 2 einen Testversuch zur Darstellung der

J5 Wirksamkeit von CO2-Fluten, bei dem eine Zone mischbaren Übergangs gebildet wird;

F i g. 3 eine graphische Darstellung eines Testversuches, der den Einfluß der Sluggröße intermediärer Komponenten (Gt—C20) im Rohöl auf den Entölungsgrad zeigt, und

Fig.4 eine graphische Darstellung zur Bestimmung des minimalen Verfahrensdruckes, bei dem eine Mischbarkeit von Lagerstättenöl und CO2 auftritt.
In F i g. 1 sind schematisch die einzelnen Phasen des

4^r> Verfahrens aufgezeichnet, um zu verdeutlichen, in welchem Verfahrensablauf die ölgewinnung erfolgt. Um ein ungefähres Bild davon zu geben, wie die im Porenraum befindlichen Medien während des Verfahrensablaufes anteilmäßig verteilt sind, sind die Verfahrensschritte in bezug auf die Sättigung des Porenraumes dargestellt. Von der Injektionsbohrung aus gesehen (nicht dargestellt) wird in diesen Bereich Sauerstoff eingepreßt Der größere Teil des Porenraumes in der unmittelbaren Umgebung der Injektionsbohrung ist mit

Vy Wasser gefüllt. Die anteilmäßige Verteilung von H2O zu O2 läßt sich an der Sättigung ersehen. Nachdem eine Verbrennungsfront durch Einleiten einer partiellen Untertageverbrennung errichtet worden ist, wird diese von der Injektionsbohrung aus durch die Lagerstätte

W) zur Produktionsbohrung hin bewegt Den Brennstoff für diese Untertageverbrennung liefert das in der Lagerstätte vorhandene Restöl, das es auszubeuten gilt. Durch die Verwendung von vorzugsweise technisch reinem Sauerstoff (> 96% O₂) bildet sich bei der Verbrennung

b5 nahezu reines CO2. Moderiert wird diese Verbrennung sowohl durch das vorhandene und insbesondere durch das zugegebene Wasser. Durch die Verbrennung der in der der Verbrennungsfront voraneilenden Wärmezone

entstehenden Koksbestandteile werden CO2 und CO sowie aus dem Lagerstättenöl Destillations- und Crackprodukte gebildet.

Das in der Formation vorhandene, in die Formation eingepreßte und durch die Verbrennung gebildete ί Wasser strömt in Dampfform in die Wärmezone. Durch die Kohlenwasserstoffkomponenten mit einer Kohlenstoffzahl von 4—30, die sowohl aus den Destillationsund Crackprodukten als auch aus den im Lagerstättenöl vorhandenen Komponenten bestehen können, wird eine 1 <> Übergangszone gebildet, die sowohl mischbar mit dem öl der Lagerstätte als auch mit dem nachfolgenden C02-gesättigten Wasser ist. In der F i g. 1 bedeuten S₀ die ölsättigung und 5»,die Wassersättigung; mit S_orbzw. S_wr ist die Restölsättigung bzw. die Restwassersättigung bezeichnet.

Aus Fig.2 ist ersichtlich, wie stark die ölausbeute erhöht werden kann, wenn man eine Zone mischbaren Überganges zwischen dem öl und dem nachfolgenden CO2 bildet. Durch einen Puffer aus Destillations- und Crackprodukten, der nur 5% des Porenvolumens einnahm, wurde eine Verdoppelung des ölgewinnes erreicht.

Der Einfluß der Sluggröße eines Puffers an intermediären Komponenten (Gt-C20) auf den Ent-Ölungsgrad geht aus der F i g. 3 hervor. Aus dieser graphischen Darstellung ist ersichtlich, daß die Sluggröße über 5% des Porenvolumens nicht gesteigert zu werden braucht, da eine Steigerung des Entölungsgrades normalerweise nicht mehr eintritt. Die Sluggröße J" des Puffers nimmt zwischen 1 — 15%, vorzugsweise 3—5% des Porenvolumens ein.

Fig.4 zeigt eine Graphik zur Bestimmung des Druckes, bei dem eine Mischbarkeit zwischen öl und Kohlendioxid auftritt. Dieser Druck wird für jeden *^r> Anwendungsfall wieder neu bestimmt, da er von der Teufenlage, dem in der Lagerstätte vorhandenen öl und den petrophysikalischen Eigenschaften des Gesteins abhängig ist. Die Graphik bezieht sich auf die Bestimmung des Druckes, bei dem Mischbarkeit für ein 28° API-Öl und Kohlendioxid auftritt. Auf der Senkrechten ist der ölgewinn beim Gasdurchbruch in Prozent des Porenvolumens aufgetragen und auf der Waagerechten der Rückdruck an der Produktionsbohrung. Die als Modell für die Lagerstätte eingesetzte öllsandpakkung wurde mit einem Slug aus Destillations- und Crackprodukten des 28° API-Rohöls von 5% des Porenvolumens vorgeflutet. Da die Kurve keinen prägnanten Knickpunkt hat, wird der Druck, bei dem Mischbarkeit auftritt, z. B. dergestalt bestimmt, daß man an die Schenkel der Kurve Tangenten anlegt und den Schnittpunkt dieser Tangenten auf die Abszisse lotet und so den gesuchten Druck definiert.

Dieser Druck kann unterschiedlich, je nach Temperatur und anderen Gegebenheiten der Lagerstätte sein; für das verwendete 28° API-Öl liegt der Druck bei ca. 140-150 bar.

Das Verfahren ist überraschenderweise ebenso anwendbar, wenn vorher ein Wasserfluten durchgeführt wurde. Bei einem Wasserfluttest, der in einer vollkommen ölgesättigten Sandpackung durchgeführt wurde, erfolgte der Wasserdurchbruch nach einer ölförderung von ca. 0,25 des Porenvolumens, d. h. 99% des danach geförderten Mediums bestanden aus Wasser und nur 1 % aus öl. Danach wurde ein Puffer aus Destillationsund Crackprodukten eingesetzt und CO2 nachgeflutet. Das Ergebnis war, daß es auch diesmal gelang, das öl zu banken, obwohl jetzt nur noch Restöl vorhanden war (siehe F i g. 2).

Hierzu 4 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Anwendung eines Verfahrens zum Gewinnen von Erdöl und Bitumen aus unterirdischen Lagerstätten mittels mindestens einer Injektions- und Produktionsbohrung, bei dem in der Lagerstätte durch Einleiten einer partiellen Verbrennung eine Verbrennungsfront errichtet und ein Druck von mehr als 80 bar aufrechterhalten wird, in die Lagerstätte gleichzeitig Sauerstoff und Wasser eingepreßt werden, die in der Lagerstätte befindlichen intermediären Kohlenwasserstoffe mit 4 bis 30 C-Atomen und die aus den höheren Kohlenwasserstoffen gebildeten Crack- und Destillationsprodukte mit Hilfe des gebildeten Kohlendioxids aus der '5 Lagerstätte extrahiert werden und vor der Verbrennungsfront eine Verkokung^-, eine Kondernationsund eine Zone mischbaren Übergangs zwischen der Kondensationszone und dem Lagerstättenöl gebildet wird, in der die intermediären Kohlenwasserstoffe in einer ölbank gespeichert sind, bei Lagerstätten beliebigen Gehalts an intermediären Kohlenwasserstoffen im Rohöl bzw. Bitumen, wobei zur Ausbildung der mischbaren Übergangszone der Druck in der Lagerstätte jeweils der Teufe, der Temperatur und der petrographischen Ausbildung der Lagerstätte sowie dem Gehalt des Lagerstättenöls an intermediären Kohlenwasserstoffen angepaßt wird.

2. Anwendung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zum Banken des Lagerstättenöls ein Puffer, bestehend aus Crack- und Destillationsprodukten mit 4—20 Kohlenstoffatomen, zwischen dem Lagerstättenöl und dem nachfolgenden, CCvgesättigten Kondenswasser gebildet wird.

3. Anwendung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Größe des Puffers zwischen 1 und 15%, vorzugsweise zwischen 3 und 5% des Porenvolumens beträgt.

4. Anwendung nach einem der vorhergehenden ^w Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens 96%iger Sauerstoff in die Lagerstätte eingepreßt wird.