DE2649488C2

DE2649488C2 - Verfahren zur Gewinnung von Erdöl aus einer unterirdischen Formation

Info

Publication number: DE2649488C2
Application number: DE2649488A
Authority: DE
Inventors: Donald J. Newport Beach Calif. Anderson
Original assignee: Chevron Research Co
Current assignee: Chevron USA Inc
Priority date: 1975-10-30
Filing date: 1976-10-27
Publication date: 1986-06-26
Also published as: DE2649488A1; FR2329839A1; US4037658A; FR2329839B1; CA1057190A

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Gewinnung von Erdöl aus einer unterirdischen Formation nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Seit langem sind eine Anzahl größerer Lagerstätten von Olsanden bekannt, die hochviskoses Erdöl enthalten, das nicht durch eine Bohrung mit üblichen Produktionsverfahren gewonnen werden kann.

Bislang ist keine der bekannten Lagerstätten mit einem vor Ort anwendbaren Verfahren wirtschaftlich in Produktion genommen worden. Nur eine flache Athabasca-Lagerstätte wurde bisher durch Abbau wirtschaftlich genutzt. Es hat jedoch schon viele Versuchsvorhaben gegeben, die jeweils zwei Bohrungen vorse- hen, von denen eine als Injektions- und die andere als Produktionsbohrung dient und zwischen denen eine Verbindung hergestellt wird, wonach durch Anwendung von Wärme gefördert wird. Die Verbindung wird gewöhnlich so hergestellt, daß ein Pancake-Aufbruch angelegt wird. Zum Auseinanderdrücken oder Aufbrechen werden z. B. Dampf und Verbrennung angewendet. Es wird erwartet, daß sich eine Verbindung zwischen den Bohrungen dadurch ausbildet, daß Dampf über eine Zeitspanne von mehreren Jahren in eine wasserführende Schicht injiziert wird, die sich unter der Teersandablagerung befindet.

Eine aktive Versuchsanlage zur unmittelbaren Gewinnung von Öl aus der Lagerstätte sieht Einzelbohrungen vor, die mit Dampfstimulation im Druck- und Saugverfahren (huff-and-puff) arbeitet. Diese hat über mehrere Jahre etwa 4000 Barrel zähflüssiges Petroleum pro Tag aus etwa 50 Bohrungen produziert.

Die größte Schwierigkeit ist bislang bei der unmittelbaren, von Bohrung zu Bohrung gehenden Produktion von zähflüssigem Petroleum die Herstellung und Aufrechterhaltung der Verbindung zwischen Injektionsund Produktionsbohrung. Bei Ablagerungen geringer Teufe sind in einer Reihe von Versuchsanlagen bis zu Tage gehende Aufbrüche aufgetreten, so daß es nicht möglich war, einen ausreichenden Austreibuiigsdruck aufrechtzuerhalten. In vielen Fällen ergeben sich Schwierigkeiten dadurch, daß der Aufbruch verstopft, wenn das durch Wärme mobilisierte zähflüssige Petroleum während des Zuflusses zur Produktionsbohrung abkühlt Das kühle Petroleum ist im wesentlichen unbeweglich, da seine Viskosität z. B. in den Athabasca-Lagerstätten in der Größenordnung von 100 000 bis 1 Mill, ep bei Lagerstätten-Temperatur Hegt so daß die wirksame Mobilität der Flüssigkeiten äußerst niedrig ist, und in einigen Fällen, wie z. B. den Athabasca-Teersanden, praktisch Null ist. Daher werden die Athabasca-Teersande z. B. im Tagebau abgebaut, wo das Hangende eine begrenzte Mächtigkeit hat Bei einigen Teersanden sind hydraulische Aufbruchverfahren angewendet worden, um zwischen den Injektions- und Produktionsbohrungen Verbindungen herzustellen. Dies Verfahren ist jedoch nicht immer erfolgreich. Besondere Schwierigkeiten entstehen dort wo das Hangende eine solche Mächtigkeit hat, daß es dem Aufbrechdruck nicht standhält, die Größenordnung für einen Tagebau jedoch schon überschritten ist.

Besonders für die Gewinnung von zähflüssigem Petroleum aus Formationen vom Typ der Athabasca-Teersande sind schon viele Verfahren vorgeschlagen und versucht worden, so z. B. die Anwendung von Wärme auf eine derartige, zähflüssiges Petroleum enthaltende Formation durch Dampf oder Untertageverbrennung. Ferner ist die Verwendung von geschlitzten Linern vorgeschlagen worden, die in die das viskose öl führende Formation als Leitung für heiße Strömungsmittel eingesetzt werden sollten. Diese Verfahren haben sich jedoch nicht als sehr erfolgreich erwiesen, da es auch in diesen Fällen schwierig war, die Verbindung zwischen dem Injektions- und dem Produktionspunkt herzustellen und aufrechtzuerhalten. Es könnten viele der zähflüssiges Petroleum enthaltenden Lagerstätten erschlossen werden, unabhängig davon, was als Ausireibungsströmungsmittel oder Gewinnungsverfahren angewendet wird, falls zwischen Injektions- und Produktionspunkt eine Verbindung hergestellt und aufrechterhalten werden könnte.

Die US-PS 33 86 508 zeigt ein Verfahren zur Gewinnung von Erdöl aus einer unterirdischen Formation, bei dem zwei oder mehr an der Oberfläche im horizontalen Abstand stehende Bohrungen niedergebracht wurden, von denen die erste Bohrung als vertikale Produktionsbohrung bis ^um Liegende der Formation hinabreicht und eine zweite Bohrung, die mit der ersten Bohrung, durch einen überwiegend horizontal geführten Abschnitt verbunden ist, eine Injektionsbohrung bildet.

Durch die zweite Bohrung wird Strömungsmittel herabgeleitet, das durch Perforationen oberhalb eines Pakkers im Futterrohr in die Formation geleitet wird. Unterhalb des Packers sind ebenfalls Perforationen im Futterrohr vorhanden, durch die verflüssigtes Erdöl zur Produktionsbohrung geleitet werden kann. Diese Ausbildung führt jedoch dazu, daß bereits noch kurze Zeit nach Beginn der Injektion Dampf und heißes Wasser um den Packer herum einen Durchbruch hervorrufen können, die ein weiteres Aufschließen der umgebenden Formation verhindern. Dieses Verfahren ermöglicht daher nur eine geringe Ausbeute. Praktisch wird nur der jeweils dem Packer benachbarte Durchbruchsbereich entölt.

Aus der DE-AS 11 63 750 ist ein Verfahren zur Entölung von Erdöllagerstätten bekannt, bei dem ölsande dadurch aufgeschlossen werden, daß untertage Strekken angelegt werden, von denen aus Bohrungen in das Gebirge vorgetrieben werden, durch die hindurch das aus den Sanden sickernde öl den St: ecken zugeleitet wird. Zur Verbesserung des Verfahrens werden die ölsande aufgeheizt, so daß sich der Zufluß in den horizontalen Förderbohrungen verstärken soll, gegebenenfalls mit Unterstützung durch Vakuum.

Ausgehend vom Stand der Technik nach der US-PS 33 86 508 liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Ausbeutung von Teersanden anzugeben, mit dem eine Förderung über einen großen Querschnitt eines Förderweges von einer Injektionsbohrung zu einer Förderbohrung möglich ist, wobei ein Durchbruch des Dampfes zur Förderbohrung weitgehend verhindert ist

Diese Aufgabe wird durch die im Anspruch 1 angegebene Erfindung gelöst Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in Unteransprüchen angegeben.

Die Erfindung betrifft ein Verfahren, das zur Gewinnung von zähflüssigem Erdöl aus einer Erdöl enthaltenden Formation beiträgt und das besonders brauchbar für solche Frrmationen ist, in denen eine Verbindung zwischen einem Injektions- und Produktionspunkt schwierig herzustellen und aufrechtzuerhalten ist Nach der Erfindung wird durch die Erdöl führende Formation ein Bohrloch getrieben und ein mit fester Wandung versehenes rohrförmiges Glied in das Bohrloch eingeführt, um einen dirch die Formation ohne Unterbrechungen hindurchführenden Strömungsweg herzustellen. Durch das Innere des rohrförmigen Gliedes und außer Kontakt mit der Formation wird heißes Strömungsmittel geleitet, um das zähflüssige Erdöl in der Formation außerhalb des rohrförmigen Gliedes zu erwärmen und die Viskosität von wenigstens einem Teil des Erdöls zu verringern, das benachbart zur Außenseite des rohrförmigen Gliedes liegt Damit wird ein potentieller Weg für den Strömungsmittelfluß durch die Formation benachbart zur Außenseite des rohrförmigen Gliedes geschaffen. Sodann wird eine Austreibungsflüssigkeit in die Formation über diesen Weg injiziert, um die Beweglichkeit des Erdöls zu erhöhen und es aus der Formation gewinnen zu können. In einer bevorzugten Ausführungsform ist das heiße Strömungsmittel, das durch das rohrförmige Glied geleitet wird. Dampf, und das zum Austreiben benutzte Strömungsmittel, das die Beweglichkeit des Erdöls steigert, ist ebenfalls Dampf. Unter bestimmten Umständen werden das heiße Strömungsmittel und das zum Austreiben benutzte Strömungsmittel gleichzeitig injiziert. Unter anderen Bedingungen werden das heiße Strömungsmittel und das Austreibungsströmungsmittel intermittierend injiziert. Die Möglichkeit zur Injektion des Austreibungsströmungsmittels in die Formation wird in einem gewissen Aue· maß dadurch gesteuert, daß der Durchfluß von heißem Strömungsmittel durch das rohrformige Glied entsprechend eingestellt oder verändert wird. Auf diese Weise kann die Räumungsleistung des Austreibungsströmungsmittels in der Formation verbessert werden.

In einer besonderen Ausführungsform betrifft die Erfindung die Gewinnung von zähflüssigem Erdöl aus einer Teersand-Formation vom Athabasca-Typ. Ein Injektionsschacht oder eine Injektionsbohrung und ein Gewinnungsschacht oder eine Gewinnungsbohrung werden niedergebracht, so daß sie sich von der Erdoberfläche aus durch die Teersand-Formation hindurcherstrecken. Ein Bohrloch wird durch die Teersand-Formation zwischen dem Injektions- und dem Gewinnungsschacht hindurchgetrieben und in das Loch ein mit fester Wandung ausgestattetes, rohrförmiges Glied eingezogen, das einen durchgehenden, ununterbrochenen Strömungsweg vom Injektions- i_a;n Gewinnungsschacht durch die Teersand-Formation hindurch bildet Das Erdöl wird aus dem Gewinnungsschacht gefördert Wie erwähnt ist das bevorzugte heiße Strömungsmittel Dampf, obwohl andere Strömungsmittel ebenfalls benutzt weiden können. Dampf wird auch als Treiber-Strömungsmittel bevorzugt In einigen Fällen können andere Strömungsmittel, wie Gas oder Wasser, als brauchbare Treiberflüssigkeiten eingesetzt werden. Die Erfindung ermöglicht eine beträchtlich erhöhte Gewinnung von zähflüssigem Erdöl aus einer Erdöl führenden Formation, in der es bislang schwierig war, eine Verbindung zwischen einem Injektions- und einem Produktionspunkt herzustellen und aufrechtzuerhalten. Dabei wird nach der Erfindung ein heißes Strömungsmittel in einem physikalisch abgetrennten Strömungsweg durch die Formation hindurch benutzt um die Herstellung und Aufrechterhaltung der Verbindung für die Treiberflüssigkeit zu unterstützen, die benutzt wird, um den Zufluß des Petroleums zum Produktionspunkt anzuregen und zu fördern.

Anhand eines Ausführungsbeispiels und der Zeichnungen wird die Erfindung beispielsweise erläutert und dargestellt Es zeigt

F i g. 1 eine Seitenansicht, teilweise ak Schnitt, durch

« eine dem erfindungsgemäßen Verfahren entsprechende Anlage zur Gewinnung von zähflüssigem Petroleum aus einer unterirdischen Formation,

F i g. 2 und 3 der F i g. 1 entsprechende Darstellungen von abgewandelten Ausführungsformen der Erfindung, F i g. 4 eine Draufsicht zur Veranschaulichung einer Bohrungsanordnung nach der Erfindung,

F i g. 5 eine Modellanordnung zur Veranschaulichung der Errindung im Labormaßstab,
Fig.6 eine schaubildliche Ansicht eine* nach dem erfindungsgemäßen Verfahren genuteten Blockes aus Teersanden mit Angabe der Stellen, an denen Kernproben nach der Flutung entnommen worden sind,

F i g. 7 eine die \nalyse der Kerne wiedergebende Tabelle und

F i g. 8 eine schemätische Darstellung, teilweise im Schnitt, der Anwendung der Erfindung im Feldmaßstab auf eine zähflüssiges Petroleum enthaltende Formation, wie z. B. einen Athabasca-Teersand.

Die in Fi g. 1 dargestellte, zur Ausführung der Erfin-

6^r. dung dienende Anlage zeigt ein Paar mit Abstand voneinander liegender Bohrungen oder Schächte 10 und 12, die eine unterirdische, zähflüssiges Petroleum führende oder Teersand-Formation 14 durchteufen. Zur Verein-

fachung der Beschreibung wird nachfolgend die Bohrung 10 als Injektionsschacht 10 und die Bohrung 12 als Produktionsschacht 12 erwähnt. Eine Bohrung oder ein Loch 16 wird zwischen dem Injektionsschacht 10 und dem Produktionsschacht 12 hergestellt und in die Bohrung 16 ein mit fester Wandung versehenes, rohrförmiges Element 18 eingesetzt. Das rohrförmige Element 18 ist vorzugsweise aus Stahl und kann aus einer oder mehreren, miteinander verbundenen Rohrturen bestehen. Ein Rohrstrang 20 ist strömungsmitteldicht an das rohrförmige Element 18 im Injektionsschacht 10 angeschlossen und erstreckt sich bis zur Oberfläche. In gleicher Weise ist ein Rohrstrang 22 am anderen Ende des rohrförmigen Elementes 18 im Produktionsschacht 12 angeschlossen und führt bis zur Oberfläche. Das mit geschlossener Wandung versehene, rohrförmige Element 18 bildet einen durchgehenden, ununterbrochenen Strömungsweg durch die das zähflüssige Petroleum enthaltende Fornistion. Die Rohrsträn^c 20 und 22 dienen dazu, diesen Strömungsweg durch den Injektions- und den Produktionsschacht bis Übertage zu verlängern.

Der Injektionsschacht 10 ist mit Futterrohren 24 ausgekleidet Im Bereich der Formation 14 ist das Futier perforiert oder mit Schützen 26 versehen. Eine Öffnung 28 für das rohrförmige Element 18 ist ebenfalls im Futter vorgesehen. Das obere Ende des Futters 24 ist durch einen Bohrlochkopf verschlossen, der vereinfacht bei 30 dargestellt ist. Eine Dampfquelle 32 ist durch Ventile 34 und 36 und entsprechende Röhren 38 und 40 an den Rohrstrang 20 und damit an das rohrförmige Element 18 angeschlossen. Der zwischen dem Rohrstrang 20 und dem Futter 24 bestehende Ringraum 42 ist ebenfalls an die Dampfquelle 32 mittels einer Leitung 38 und über die Ventile 34 und 44 angeschlossen. Daher kann durch entsprechende Steuerung der Ventile 34, 36 und 44 Dampf entweder gleichzeitig oder wechselweise in das rohrförmige Element 18 über den Rohrstrang 20 und/ oder in die Formation 14 über den zwischen Rohrstrang und Futter bestehenden Ringraum 42 und die Perforationen 26 geleitet werden. Die Wärme, die dabei durch das durch die Lagerstätte hindurchführende rohrförmige Element hindurchgeht, wird überwacht. Ohne das durch die Lagerstätte durchgezogene rohrförmige Element wäre das Produktionsergebnis Null, wenn zum Austreiben nur eine einfache übliche Dampfverdrängung angewendet würde. Dies entspräche in vielem den Gegebenheiten der Athabasca-Lagerstätte. Durch Verwendung eines durch die Lagerstätte gehenden rohrförmigen Elementes und des erfindungsgemäßen Verfahrens wcden Ausbeuten bis zu 65% erzielt, wenn das Petroleum mit Danpf von 320° F (100° C) ausgetrieben wird. Das erfindungsgemäße Verfahren läßt sich anwenden für die Ausbeutung von Schweröl-Formationen, die für einen Tagebau zu tief liegen, während die Teufe nicht groß genug ist, um die Druck- und Saug-Gewinnungsverfahren anzuwenden. Allgemein handelt es sich um Petroleumsende unter einer Deckschicht von 300 bis 600' (etwa 90 bis 180 m).

Der Produktionsschacht 12 ist mit einem Futterrohrstrang 46 verrohrt Das Futter ist wie bei 48 angedeutet, geschlitzt oder perforiert Außerdem ist eine Öffnung 50 im Futter für das rohrförmige Element 18 vorgesehen. Das obere Ende des Futterrohrstranges 46 ist durch einen Bohrlochkopf 52 verschlossen. Der Bohrlochkopf 52 weist eine öffnung für den Rohrstrang 22 auf. in dem ein Ventil 54 angeordnet ist das für die Steuerung des Durchflusses am Ausgang des Rohrstranges 22 dient Ferner ist eine Vorrichtung vorgesehen, um das Petroleum aus dem Inneren des Produktionsschachtes 12 zu heben. Zum Beispiel wird eine Pumpe 56 in Verbindung mit einem Pumpengestänge 60 benutzt, um das Petroleum durch den Produktionsrohrstrang 50 an die Oberfläche zu bringen.

Für die Ausführung des Verfahrens wird zunächst Dampf in den Ringraum 42 des Injektionsschachtes 10 versuchsweise eingeführt, um festzustellen, ob durch die Perforationen 26 Dampf in die Formation 14 eingeführt werden kann. In den meisten Fällen wird bei üblichen Schweröl- oder Teersänden nur eine sehr geringe oder gar keine Einspeisung erzielt. Sodann wird Dampf durch entsprechende Betätigung der Ventile 34, 36, 44 und 54 durch das rohrförmige Element 18 und damit durch die Formation 14 hindurchgeleitet. Der im rohrförmigen Element 18 fließende Dampf oder das heiße Strömungsmittel heizen das zähflüssige Petroleum in der Formation 14 und verringern die Viskosität von wenigstens "T*<»ii Hpc ϊη der Nachbarschaft des rohrförmigen

Elementes 18 befindlichen Petroleums. Dadurch wird ein potentieller Durchgang für den Durchfluß von Treiber-Strömungsmittel oder Dampf durch die Formation gebildet, wobei der Dampf durch den Ringraum 42 und die Perforationen 26 geht. Durch entsprechende Steuerung des Flusses im rohrförmigen Element 18 und in der Formation 14 kann eine gute Austreibungswirkung erzielt und die Gewinnung auf einen Höchstwert gebracht werden, **'enn der im rohrförmigen Element 18 fließende Dampf die Formation in einen Zustand gebracht hat, in der eine Injektion von Treiber-Strömungsmittel ermöglicht wird und zu einer gewissen Produktion von Petroleum aus dem Produktionsschacht führt, wird die Durchleitung von Dampf durch das rohrförmige Element beendet, um einen Durchbruch von Treiber-Strömungsmitteln zu vermeiden. Sowie die Aufnahme von Treiber-Strömungsmittel unerwünscht gering wird, wird zusätzlicher Dampf durch das rohrförmige Element geleitet, um die gewünschte Aufnahmefähigkeit wieder herzustellen.

Fig.2 zeigt eine der Fig. 1 ähnliche Darstellung einer Anlage für eine abgewandelte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens. Durch eine zähflüssiges Petroleum enthaltende oder Teersand-Formation 114 hindurch ist ein Produktionsschacht 112 abgeteuft. Der Schacht 112 ist mit einem Futterrohrstrang 146 versehen. Das Futter 146 ist geschlitzt oder perforiert, siehe 148. An eine öffnung 150 im Futterrohr schließt ein Futterrohr 124 einer nachfolgend beschriebenen Richtungsbohrung an. Das obere Ende des Produktionsfutterrohrstranges 146 ist mit einem Bohrlochkopf 152 verschlossen. Zur Hebung des Petroleums aus dem Inneren des Produktionsschachtes 112 sind entsprechende Mittel vorgesehen, z. B. eine Pumpe 156, die mit einem Pumpengestänge 160 betätigt wird und durch ein Förderrohr 158 zur Oberfläche fördert

In dieser Ausführungsform der Erfindung ist eine schräg oder gerichtet gebohrte Injektionsbohrung 110 von der Oberfläche aus angelegt worden, um auf den Produktionsschacht 112 zu treffen. Das Futter 124 eines im wesentlichen öligen Abschnittes 116 der Bohrung 110 ist mit der öffnung 150 des Futters 146 de« Produktionsschachtes 112 verbunden. Das obere Ende der Injektionsbohrung 110 ist durch einen Bohrlochkopf 130 verschlossen, der mit dem Futterrohrstrang 124 verbunden ist Ein mit geschlossener Wandung versehenes, rohrförmiges Element 118 führt durch den Bohrlochkopf 130 und den Futterstrang 124 hindurch nach dem Produktionsschacht HZ Ein Rohrstrang 122 ist mit dem

rohrförmigen Element 118 verbunden und geht durch den Bohrlochkopf 152 hindurch nach übertage, wo in dem Strang ein VeYitil 154 angeordnet ist. Damit ist ein durchgehender, ununterbrochener Strömungsweg durch die das zähflüssige Petroleum enthaltende Formation 114 hergestellt. Eine Dichtung oder ein Packer 111 dicU et den Ringraum 142 zwischen dem rohrförmigen Element 118 und dem Futterrohrstrang 124. Perforationen 126 im Futter 124 stellen eine Verbindung zwischen der Formation 114 und einem Ringrr.um 142 her, der über dem Packer 111 zwischen rohrförmigem Element 118 und Futterrohr 124 besteht.

Über Ventile 134, 136 und Leitungen 138 und 140 ist eine Dampfquelle 132 an das rohrförmige Element 118 angeschlossen. Der Ringraum 142 ist ebenfalls an die Dampfquelle 132 über die Leitung 138 und Ventile 134 und 144 anschließbar. Durch entsprechende Steuerung der Ventile !34,136, !44 und 154 kann Dampf entweder gleichzeitig oder wechselweise in das rohrförmige Element 118 und/oder die Formation 114 über den Ringraum 142 und die Perforationen 126 eingespeist werden, um das erfindungsgemäße Verfahren auszuführen.

F i g. 3 veranschaulicht eine Ausführungsform der Erfindung, bei welcher das Verhältnis von Heizströmungsmittel und Treiberströmungsmittel, die in das rohrförmige Element 218 bzw. die Formation 214 eintreten, durch ein stromabwärtiges Ventil 254 gesteuert wird, das an dem am Bohrlochkopf 252 austretenden Ende des Rohrstranges 222 angeordnet ist. Der Rohrstrang 222 ist mit dem rohrförmigen Element 218 verbunden, um einen Dampfströmungsweg durch die petroleumhaltige Formation 214 hindurch und von dort zur Oberfläche herzustellen. In diesem Beispiel geht ein mit fester geschlossener Wandung versehenes Rohrelement 218 von einem Injektionsschacht 210 durch die petroleumhaltige Formation 214 hindurch nach einer Produktionsbohrung 212. Das Rohrelement 218 ist an der öffnung 228 an den Futterrohrstrang 224 angeschlossen, z. B. mittels einem Flansch 229. Der Bohrlochraum 242 des Schachtes 210 ist auch durch Perforationen 226 mit der Formation 214 in Verbindung. Eine Dampfquelle 232 ist mittels einer Leitung 234 und einem Ventil 238 über den Bohrlochkopf 230 mit dem Bohrlochraum 242 verbunden. Das Verhältnis der Dampfmengen, die vom Bohrlochraum 242 entweder durch das Rohrelement 218 oder die Perforationen 226 fließen, wird mittels dem stromabwärtigen Ventil 254 gesteuert. Auf diese Weise kann ein erwünschtes Gleichgewicht zwischen der Wärme, die vom RohrcisTien* 2^§ ^¹Uf den sn dieses sn*^Trepz**™^/^'*ⁿ Bereich der Formation übertragen wird, und der Austreibungswirkung des Dampfes in der Formation 214 erzielt werden.

F i g. 4 ist eine Draufsicht auf eine Feldanlage, die mit einem zentralen Produktionsschacht und mehreren mit Abstand davon liegenden Injektionsbohrungen arbeitet Eine Anordnung gemäß diesem Lageplan kann z. B. für die Anlage benutzt werden, die in F i g. 2 gezeigt ist Ein zentraler Produktionsschacht 112 liegt dann zwischen mit Abstand angeordneten Injektionsschächten HO, die entsprechend ihrer Lage als 110£"(Ost), HO/v* (Nord), 110 W(West) und HOS (Süd) bezeichnet sind. Vorzugsweise kann mit einer einzigen, alle Schächte bedienenden Dampfquelle 132 gearbeitet werden, bei der die Anschlüsse für die drei übrigen Schächte nicht mit eingezeichnet sind.

F i g. 5 zeigt eine Versuchsanlage, die zur Demonstration der Erfindung benutzt werden kann. Eine aus Athabasca-Teersand bestehende Sandpackung 70 ist in einem länglichen Kernrohr 72 umschlossen. Das Kernrohr ist mit Endplatten 74 und 76 versehen; ein Rohrelement 78 geht durch die Platten 74 und 76 und den Teersand 70 hindurch. Die Platte 74 ist mit einer Rohrleitung 80 zur Injektion von Dampf in die Stoßfläche der Sandpackung versehen. Am anderen Ende dient die Leitung 82 zur Sammlung von aus der Sandpackung ausfließendem Material.
Eine Dampfquelle 84 ist einerseits an das Rohrelement 78 angeschlossen und über die Leitung 86 und das Steuerventil 88 mit der Leitung 80 bzw. der Stoßfläche der Sandpackung verbunden. Ein stromabwärtiges Steuerventil 90 steuert den Dampfdurchfluß durch das zentrale Rohrelement 78. Damit wird es möglich, die Wirkungsweise der Erfindung zu demonstrieren und zu überprüfen.

Fig.6 zeigt schaubildlich einen Block Athabasca-Teersand mit einer Anzahl von Kernpositionen für Kerne, die in Längsrichtung des Blockes gezogen worden sind. Die Kerne sind numeriert und ferner ist eine Fließrichtung angegeben. Der Teersandblock wurde nach dem erfindungsgemäßen Verfahren geflutet. Die Kerne wurden nach dem Fluten gezogen und auf Restpetroleum untersucht.

F i g. 7 ist eine Tabelle, die eine Zuordnung gibt zwischen Restgewichtsprozenten des zähflüssigen Petroleums, Kernpositionen und Kernebenen gemäß F i g. 6. Der ursprüngliche Block enthielt 13,5 Gewichtsprozente zähflüssiges Petroleum. Die Tabelle der F i g. 7 zeigt deutlich, daß ein wesentlicher Teil des zähflüssigen Petroleums dadurch gewonnen wurde, daß der Block nach dem erfindungsgemäßen Verfahren geflutet wurde.

Zur Demonstration und Erprobung der Erfindung wurde als erster Schritt ein Apparat konstruiert, der

Athabasca-Ölsand enthielt, dessen wirksame Durchlässigkeit gegenüber Dampf Null war. Zu diesem Zweck wurde ein Quartzrohr benutzt, das 12" (etwa 30 cm) lang war und einen Innendurchmesser von 1" (2,54) hatte. Das Rohr wurde dicht mit Athabasca-Ölsand gefüllt, der etwa 13 Gew.-% zähflüssiges Petroleum und etwa 4% Wasser enthielt. Die beiden Enden des Rohres wurden mit Anschlüssen versehen und auf den ölsand zur üblichen Austreibung mit Dampf eingewirkt, der eine Temperatur von 320° F (etwa 160° C) und einen Druck von 75 psi (etwa 5,25 kg/cm²) hatte. Während der anfänglichen Läufe wurde gefunden, daß 50% des Petroleums gewonnen wurde; das lag an der nicht naturgetreuen Durchlässigkeit gegenüber Dampf, so daß diese Läufe nicht die Bedingungen für Athabasca-Sand naturgetreu simulierten. Bei nachfolgenden Versuchen wurde eine massive Stahlstange von 12" Länge und V2" Durchmesser als Werkzeug benutzt, um den ölsand sehr dicht in das Rohr zu stopfen, so daß die Durchlässigkeit gegenüber Luft von Raumtemperatur auf weniger als 50 Millidarcy verringert wurde, einem wesentlich realistischeren Wert für Formationen, die zähflüssiges Petroleum enthalten. In diesem Bereich der Durchlässigkeit war die Anwendung von Dampf im üblichen Austreibungsverfahren ergebnislos, und die Dampffront bewegte sich nur etwa 11" (etwa 2^4 cm) in das Rohr hinein vor und nicht weiter, da das anfänglich mobilisierte Petroleum jegliche weitere Verbindung sperrte und die wirksame Mobilität damit auf Null verringerte. Diese Bedingungen ließen sich in einem befriedigenden Umfange reproduzieren.

Das erfindungsgemäße Verfahren wurde sodann unter Verwendung des vereinfacht in F i g. 5 gezeigten Apparates demonstriert

F i g. 5 zeigt einen teilweise vollendeten Versuch mit der Erfindung. Das durch die Lagerstätte führende Rohrelement 78 ist erwärmt worden, indem das den Erwärmungsringraum steuernde Ventil 90 geöffnet worden ist, so daß Dampf durch das Rohr 78 hindurchfließen kann. Dies sorgt unmittelbar für eine Aufnahmefähigkeit für Injektionsdampf am Treiberende der Teersandpackung /0 und für die unmittelbare Produktion von zähflüssigem Petroleum am Produktionsende. Die Gewinnung betrug bei diesen Versuchen 48 bis 52 Gew.-% des gesamten, auf der Lagerstätte befindlichen Petroleums. Der Petroleumrest wurde stets durch erschöpfende Extraktion mit Lösemittel am Ende jedes Laufes bestimmt. Bei einigen Versuchen ergab sich, daß zu viel Wärme durch das Rohrelement 78 hindurchgeleitet worden war. Dadurch war ein Ringraum außerhalb des Rohrelementes erzeugt worden, in dem eine hohe Mobilität herrschte, die einen vorzeitigen Dampfdurchbruch ermöglichte und zu sehr schlechten Ausbeuten führten, in Größenordnungen von nur 30% des gesamten, in der Lagerstätte befindlichen Petroleums.

Um das erfindungsgemäße Verfahren im Laboratorium noch besser und an realistische, feldartige Verhältnisse stärker angenäherten Bedingungen zu demonstrieren, wurden die Versuche dadurch abgewandelt, daß große Klumpen aus verhältnismäßig ungestörtem Athabasca-Ölsand benutzt wurden. Diese Klumpen hatten ein Gewicht von etwa 1 bis 4 kg und zeigten keinerlei Risse oder dergleichen. Ihre Umrisse waren zufällig geformt und allgemein rund oder oval. Diese Klumpen wurden in Epoxyd-Harz eingeschlossen, mit einer Gesamtwandstärke von etwa 4" überall um das Ölsandstück herum. Die Anordnung von dem durch die Lagerstätte führenden Rohrelement und der Injektions- und Produktionsvorrichtung waren sehr ähnlich derjenigen nach F i g. 5. Für das Rohrelement wurde ein aus rostfreiem Stahl bestehendes Rohr von V₈" benutzt. Um festzustellen, daß die wirksame Mobilität tatsächlich Null war, wurde stets am Anfang Treiberdampf angewendet, bevor irgendwelche Wärme durch das Rohrelement hindurchgeführt wurde. Es wurden drei Versuche ausgeführt, und in keintrn Fall wurden mehr als vier Wassertropfen am Ausgang des Blockes produziert; diese geringe Wasserproduktion hörte nach weniger als einer Minute nach Beginn des üblichen Austreibens mit Dampf auf. Nachdem dieser stabile Zustand mit einer Injektionsaufnahme von Null erreicht worden war, wurde das Steuerventil 90 etwas geöffnet und damit ein Einfließen von Dampf in das Rohrelement 78 ermöglicht. Unmittelbar darauf floß Petroleum aus dem Produktionsende des Kernes mit einem hohen Petroleum-Wasser-Verhältnis. Die Wärmemenge, die durch das Rohrelement 78 geführt wurde, mußte sorgfältig überwacht und gesteuert werden. In einem Fall, in dem dies nicht geschehen war, betrug die Gesamtausbeute 30% des gesamten vorhandenen Petroleums. Selbst wenn Dampf durch den Block zwischen Injektions- und Produktionsende weiter fortgesetzt wurde, ergab sich in diesem Fall keine weitere Ausbeute an Petroleum. Bei Aufbrechen des Blockes wurde festgestellt, daß ein sehr sauberer Ölsand mit höchster Durchlässigkeit als Ringraum unmittelbar anschließend um das Rohrelement entstanden war. Da die Wärme im Rohrelement in diesem Fall nicht gesteuert worden war, war die Austreibungswirkung nicht gut

Der erfolgreichste Versuch wurde an einem Ölsandblock von 34 kg ausgeführt, der ursprünglich 13,5 Gew.-% Petroleum enthielt. Die Gesamtausbeutc war 65% des ursprünglich in der Lagergestätte befindlichen Petroleums. Bei allen diesen Versuchen wurde der gleiche Druck und die gleiche Temperatur, 75 psi (etwa 5,25 kg/cm²) und 320° F (etwa 160°C) angewendet.

Zunächst mag es scheinen, daß das erfindungsgemäße Verfahren zu einem Ergebnis führte, bei welchem in dem das Rohrelement unmittelbar umgebenden Ringraum ein sehr geringer Restölgehalt und in den Bereichen der Probe, die am weitesten von dem Rohrelement fortliegen, ein hoher Restgehalt auftritt, der von einer geringen Ausbreitungswirkung in diesen Bereichen herrührt. Dies war jedoch nicht der Fall. Vielmehr wurde eine ausgezeichnete Austreibungsleistung erreicht, wenn das Verhältnis von Heizströmungsmittel zum Treiberströmungsmittel so gesteuert wird, daß ein vorzeitiger Dampfdurchbruch vermieden wird. Für eine genaue Untersuchung wurde der eingeschlossene Teersandblock von 3,5 kg am Ende einer Demonstration rechtwinklig zum Rohrelement mittendurch geschnitten.

Der ölsand wurde dann unter Verwendung eines ³/V'-Durchmesser-Kembohrers gekernt und dabei Proben von V₂" Tiefe entnommen. Dies wurde, siehe auch F i g. 6 und 7, jeweils an elf Stellen in sechs verschiedenen Schnittebenen des ölsandblockes ausgeführt. Die damit erhaltenen 66 Proben wurden jeweils auf Restpetroleum analysiert, wobei erschöpfend mit Toluol extrahiert wurde, siehe Fig.7. Die Tabelle zeigt, daß eine

bemerkenswert gleichmäßige Austreibung aus dem ölsand erreicht worden war. Besonders überraschend ist die Tatsache, daß die sechs Kerne, die aus dem Ringraum unmittelbar in der Umgebung des Rohrelementes stammen, einen Restpetroleumgehalt zeigen, der nicht allzu sehr von den Kernen abweicht, die am weitesten von dem Rohrelement abliegen.

Die Demonstrationsversuche zeigen, daß die bei einer Athabasca-Ölsandlagerstätte bestehende wirksame Mobilität von Null befriedigend simuliert werden konnte. Erfindungsgemäß wurde dann zwischen dem Injektions- und dem Produktionspunkt erfolgrel· h eine Verbindung entwickelt, und vorausgesetzt, daß eine übermäßige Erwärmung des durch die Lagestätte gehenden Rohrelementes vermieden wurde, wurde eine Ausbeute von bis zu 65% des in der Lagerstätte befindlichen Petroleums erreicht. Die Austreibungsleistung war überraschend hoch und führte zu einer gleichmäßigen Verteilung des Restöles. Das bedeutet, daß eine Lagerstätte, nach einem erfindungsgemäß ausgeführten Produktionsgang, dadurch für die Anwendung weiterer Ausbeutungsverfahren vorbereitet worden ist, z. B. Verbrennung, Flutung mit Chemikalien usw. Besonders wichtig ist die Tatsache, daß die injizierten Treiberströmungsmittel auf den interessierenden Bereich zwischen Injektions- und Produktionspunkt beschränkt bleiben, da dies der einzige für diese Strömungsmittel offene Weg ist. Es ist unwahrscheinlich, daß diese Strömungsmittel in anderen Teilen der Lagerstätte verloren gehen würden, da die Formation anschließend an den Austreibungsbereich verhältnismäßig undurchlässig ist.

F i g. 8 zeigt schematisch die Anwendung der Erfindung im Feldmaßstab auf eine zähflüssiges Petroleum enthaltende Formation, wie 7. B. einen Athabasca-Teersand. Die in Fig.8 angegebenen Abmessungen, die Dampftemperaturen und Drücke hängen natürlich in einem gewissen Ausmaß von den Eigenschaften der betreffenden Lagerstätte ab.

Hierzu 5 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Verfahren zur Gewinnung von Erdöl aus einer unterirdischen Formation, bei dem mindestens zwei an der Oberfläche im horizontalen Abstand stehende Bohrungen niedergebracht werden, von denen die erste Bohrung im wesentlichen vertikal bis zum Bereich des Liegenden der Formation hinabreicht und die zweite Bohrung durch einen Abschnitt, der überwiegend horizontal innerhalb der Formation verläuft, an die erste Bohrung angeschlossen wird, wobei die Bohrungen mit Verrohrungen versehen werden, die zumindest auf Abschnitten innerhalb der Formation Perforierungen aufweisen, und der Kopf der zweiten Bohrung an eine Quelle eines heißen Strömungsmittels angeschlossen und in die erste Bohrung eine Fördereinrichtung eingebaut wird, worauf mittels einer Ventilvorrichtung wahlweise über einen4vrch die zweite Bohrung gehenden Weg heißes Strömungsmittel nach unten geführt und/ oder über die Perforierungen als Treiberfluid in den Strom auf vom Anschlußabschnitt liegenden Teil der zweiten Bohrung in die Formation eingedrückt wird und das dadurch verflüssigte und in der ersten Bohrung sich sammelnde Erdöl gefördert wird, dadurch gekennzeichnet, daß der Verbindungsabschnitt als mit durchgehend fester Wandung versehener, körperlich von der Formation getrennter Strömungsmittelweg für das heiße Strömungsmittel ausgebildet wird, das dadurch außer Kontakt mit der Formation dutrh diese ^durchgeführt wird und die Formation dabei aufheizt

2. Verfahren nach Anspruch i, dadurch gekennzeichnet, daß das heiße Strömungsmittel Dampf ist.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das heizende Strömungsmittel und das Treiberfluid intermittierend zugeführt werden.

4. Verfahren nach einem der vorhergehenden An-Sprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Aufnahme des Treiberfluids in der Formation durch Einstellen des Durchflusses von heißem Strömungsmittel gesteuert wird.

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