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Verfahren zum Gewinnen von
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Erdöl aus zähflüssiges Erdöl enthaltenden unterirdischen Formationen.
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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Gewinnen von Erdöl aus zähflüssiges
Erdöl enthaltenden unterirdischen Formationen wie z.B. Teersand- oder Bitumensand-Lagerstätten
durch Einspeisen von sauerstoffhaltigem Gas wie z.B. Luft in die Formation und ggf.
mit nachfolgender Verbrennung in der Formation oder Niederte-mperatur-Olgewinnung
durch gesteuerte Oxidation.
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Bei diesen Verfahren sind in die Formation wenigstens ein Injektionsbohrloch
und wenigstens ein Produktionsbohrloch niedergebracht, wobei durch das Injektionsbohrloch
ein sauerstoffhaltiges Gas eingeführt und auf eine zur Durchführung einer Verbrennungsreaktion
ausreichend hohe Temperatur erhitzt, und dann zur Fortpflanzung der Verbrennungsreaktionszone
innerhalb der Formation zwecks Gewinnung von Erdöl aus dieser weiter sauerstoffhaltiges
Gas eingeführt wird.
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Aus viele erdölhaltigen unterirdischen Format ionen in der verschiedensten
Gebieten der Welt können vorhandene, große Mengen an Erdöl aus dem Grunde nicht
abgebaut werden, da die Viskosität des Erdöls so hoch ist, daß es unter den in der
Lagerstätte herrschenden Bedingungen praktisch nicht fließfähig ist. Auch wenn die
Formationen ausreichend hohe Durchlässigkeit oder Permeabilität aufweisen und ein
äußeres Fließmittel wie z.B.
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Wasser in die Formation eingespeist wird, um das Erdöl einem Produktionsbohrloch
zuzuführen, läßt sich nur wenig oder kein Erdöl aus der Formation gewinnen, da die
Viskosität des Erdöls jede Fließfähigkeit unterbindet.
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Wenn die Dichte des Erdöls nach API-Standard in der unterirdischen
Formation unter etwa 120 beträgt, läßt sich vermittels bekannter primärer oder sekundärer
Gewinnungsverfahren praktisch nur wenig oder gar kein
Erdöl gewinnen.
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Bekanntlich läßt sich eine gewisse Steigerung des Wirkungsgrads dadurch
erzielen, daß die Temperatur des Erdöls gesteigert wird. Die Abhängigkeit der Viskosität
von der Temperatur ist bei den meisten Erdölen verhältnismäßig stark ausgeprägt,
so daß auch bei Viskositätswerten im Bereich von tausenden oder Millionen Centipoise
bei Formationstemperaturen dieser Wert durch Steigerung der Temperatur des Rohöls
auf mehrere hundert Grad ausreichend weit herabgesetzt werden kann, so daß sich
das Erdöl fließfähig machen läßt oder sich vermittels eines äußerst trockenen Flußmittels
zu einem Produktionsbohrloch verdrängen läßt, von welchem es zur Erdoberfläche gepumpt
werden kann.
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Ein extremes Beispiel für zähflüssiges Erdöl enthaltende unterirdische
Formationen, aus denen vermittels bekannter primärer oder sekundärer Gewinnungsverfahren
praktisch kein Erdöl produziert werden kann, sind die sogenannten Teersand- oder
Bitumensand-Lagerstätten, welche beispielsweise im westlichen Teil der Vereinigten
Staaten anzutreffen sind,und aus denen auch die Athabasca-Teersande im Norden der
kanadischen Provinz Alberta, sowie die entsprechenden Lagerstätten in Venezuela
bestehen.
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Die Viskosität des in den Athabasca-Teersand-Lagerstätten enthaltenen
bituminösen Erdöls liegt beispielsweise im Bereich mehrerer Millionen Centipoise
bei der mittleren Formationstemperatur von etwa 4,4 °C, und das bituminöse Erdöl
ist bei diesen Temperaturen im wesentlich nicht fließfähig. Außerdem ist die Durchlässigkeit
der Athabasca-Teersand-Lagerstatten so niedrig, daß das Einspeisen eines Heizmediums
in diese Lagerstätten auf große Schwierigkeiten stößt, was dazu geführt hat, daß
die Gewinnung von bituminösem Erdöl aus diesen Lagerstätten außer
durch
Abbau sich als bis jetzt unwirtschaftlich erwiesen hat.
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Ein bereits vorgeschlagenes Verfahren zur Steigerung der Fließfähigkeit
von hochviskosem Roherdöl niedriger Dichte nach API-Standard ist die Verbrennung
an Ort und Stelle innerhalb der Formation, welche in der Literatur auch als "Fire
Flooding" - zu deutsch etwa Feuerfluten" -bezeichnet ist. Die Verbrennung an Ort
und Stelle erfolgt dabei in der Weise, daß Heißluft von im allgemeinen einer Temperatur
über etwa 177 OC in die Formation eingespeist und dadurch eine Verbrennungsreaktion
innerhalb der Formation ausgelöst wird. Durch weiteres Einspeisen von Luft in die
Formation nach Einleiten dieser Verbrennungsreaktion pflanzt sich die Verbrennungsfront
durch die Formation hindurch fort, erwärmt dabei das Erdöl und verdrängt es vor
sich her.
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Bei einem typischen Abbrand innerhalb einer unterirdischen Formation,
in welche wenigstens zwei Bohrlöcher niedergebracht sind, nämlich ein Bohrloch für
das Einspeisen von Luft oder einem anderen sauerstoffhaltigen Gas und wenigstens
ein weiteres Bohrloch für die Gewinnung von Erdöl aus der Formation, wird ein sauerstoffhaltiges
Gas, im allgemeinen Luft, durch das Injektionsbohrloch hindurch in die Formation
eingeführt, wobei die Verbrennungsreaktion in der mit Erdöl gesättigten Formation
unmittelbar im Bereich des Injektionsbohrlochs auf bekannte Weise ausgelöst wird,
wie z.B. vermittels eines gasbefeuerten Bohrloch-Heizgeräts, eines elektrischen
Bohrloch-Heizgeräts oder auf chemische Weise. Die entsprechenden Einspeisetechniken
sind sämtlich aus der Literatur zu entnehmen.
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Sobald ein Teil der Formation entzündet worden ist, wird in vielen
Fällen keine zusätzliche Heizung mehr benötigt,
und die Verbrennungsreaktion
erhält sich durch fortlaufende Zufuhr von sauerstoffhaltigem Gas, wobei sich die
Verbrennungsfront durch die Formation hindurch fortpflanzt.
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beim Fortschreiten der Verbrennungsfront durch die Formation hindurch
hinterläßt diese einen gereinigten Bereich, der ideal gesehen lediglich aus gereinigtem
Sand bestehen sollte. Vor der Verbrennungsfront und allgemein in Radialrichtung
von dem Injektionsbohrloch ausgehend und überwiegend in Richtung des Produktionsbohrlochs
bilden sich hintereinander mehrere Zonen aus. Unmittelbar vor der Verbrennungsfront
wird eine Destillations- und Crackzone ausgebildet. Vor dieser Zone liegt eine Kondensations-
und Verdampfungszone, die wiederum von einer Olbank aus erhitztem Erdöl umgeben
ist. Die Temperatur der Verbrennungszone liegt im allgemeinen im Bereich zwischen
etwa 340 bis 650 OC. Die in dieser Zone erzeugte Hitze überträgt sich auf die vor
der Verbrennungszone liegende Destillations- und Crackzone, in welcher das Rohöl
destilliert und gecrackt wird. Die Temperatur in der Destillations- und Crackzone
liegt im Bereich zwischen etwa 150 bis etwa 230 OC.
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In der vor der Destillations- und Crackzone liegenden Kondensations-
und Verdampfungszone herrscht eine Temperatur zwischen etwa 93 bis etwa 230 OC,
die jeweils von den Destillationseigenschaften des vorhandenen Erdöls und dem in
dieser Zone herrschenden Druck abhängig ist. Die in dieser Zone vorhandenen Flüssigkeiten
sind Wasser, sowie Dampf und Kohlenwasserstoffbestandteile des Erdöls.
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Vor der Kondensations- und Verdampfungszone bildet sich beim Fortschreiten
der Verbrennungsfront durch die Formation eine ölbank aus, so daß das in der Formation
enthaltene
Erdöl zum Produktionsbohrloch hin verdrängt wird.
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Diese Zone enthält nicht nur erhitztes Roherdöl aus der Lagerstätte,
sondern auch kondensierte, gecrackte Erdölbestandteile und gasförmige Verbrennungsprodukte,
welche schließlich zusammen mit dem Roherdöl durch das Produktionsbohrloch austreten
bzw. abgeführt werden.
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Bei nur mäßig zähflüssigem Erdöl läßt sich eine nennenswerte Steigerung
der Produktion vermittels der bekannten Abbrennverfahren in der Formation erzielen.
Diese Verfahren sind jedoch ungeeignet, wenn es sich um zähflüssiges Erdöl unterschiedlicher
Beschaffenheit und insbesondere bituminöses Erdöl wie z.B. in Teersandlagerstätten
handelt. Es wird angenommen, daß die Ausbildung der Olbank vor dem Wärmebereich
dafür verantwortlich ist, daß das Feuerfluten bei Teersandlagerstätten nicht zum
Erfolg führt, da das in der ölbank vorhandene, unveränderte Erdöl bei stärkerem
Wärmeverlust im wesentlichen steif wird und seine Fließfähigkeit verliert, was dann
erfolgt, wenn die blbank in kühlere Bereiche der Formation wandert.
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Ein weiterer Grund, welcher die Ausbeutung von zähflüssigen Erdölformationen
vermittels Abbrand in der Formation verhindert, liegt im Auftreten von Formationsabbrandzonen
oder -nestern, die sich aus mehreren Gründen ausbilden. Die Verbrennungszone, welche
durch spontane, nesterförmige Verbrennungsbereiche in der Formation ausgebildet
wird, verlagert sich beispielsweise in einer dem normalen Formationsabbrand entgegengesetzten
Richtung, d.h. zum Injektionsbohrloch hin, wobei es zur Verbrennung des durch andere
Verbrennungsfronten fließfähig gemachten Erdöls, welches sich vom Injektionsbohrloch
zum Produktionsbohrloch hin verlagert, kommt. Es kann auch vorkommen, daß die Verbrennungszone
sich nicht verlagert,
sondern einen großen Teil des fließfähig
gemachten Erdöls verbrennt, indem dieses beim Fortschreiten der Verbrennungsfront
zum Produktionsbohrloch hin in die Verbrennungszone einströmt.
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Aus den vorstehend beschriebenen und anderen Gründen, welche bis jetzt
noch nicht in allen Einzelheiten geklärt sind, ist die Gewinnung von hoch zähflüssigem
Erdöl aus unterirdischen Formationen wie z.B. Teersandlagerstätten vermittels Formationsabbrand
bis jetzt ziemlich wenig erfolgreich geblieben, indem nur ein sehr niedriger Prozentsatz
an Ol gewonnen wurde. Es besteht daher nach wie vor ein großer Bedarf dafür, eine
Formationsabbrandreaktion in der Weise zu führen, daß innerhalb der Formation keine
spontanen, willkürlich auftretenden SelbstentzUndungsbereiche vorkommen und die
Olgewinnung aus der Formation in nennenswertem Maße gesteigert wird.
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Aufgabe der Erfindung ist daher die Schaffung eines verbesserten Verfahrens
zum Gewinnen von zähflüssigem Erdöl niedriger Dichte nach API-Standard aus unterirdischen
Formationen, das insbesondere zur Gewinnung von bituminösem Rohpetroleum oder -erdöl
aus unterirdischen Teersandlagerstätten geeignet ist.
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Das zur Lösung der gestellten Aufgabe vorgeschlagene Verfahren besteht
darin, daß in die unterirdischen Formationen wenigstens ein Injektionsbohrloch und
wenigstens ein Produktionsbohrloch, die beide in Verbindung mit der erdölhaltigen
Formation stehen, niedergebracht sind, durch das Injektionsbohrloch ein sauerstoffhaltiges
Gas eingeführt und auf eine zur Durchführung einer Verbrennungsreaktion ausreichend
hohe Temperatur erhitzt, und dann zur Fortpflanzung der Verbrennungsreaktionszone
innerhalb der Formation zwecks Gewinnung von Erdöl aus dieser
weiter
sauerstoffhaltiges Gas eingeführt wird, und ist erfindungsgemäß dadurch gekennzeichnet,
daß das sauerstoffhaltige Gas zwecks Vorbehandlung des zähflüssigen Erdöls während
einer Zeitspanne von wenigstens 20 Tagen in die Formation eingeführt wird.
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Dieses Verfahren ist besonders gut geeignet zur Gewinnung von bituminösem
Erdöl aus unterirdischen Teersandlagerstätten, indem das sauerstoffhaltige Gas wie
z.B. Luft im nicht erhitzten Zustand mit einer Temperatur unter 121 OC und vorzugsweise
unter 65 OC in die Formation eingespeist wird. Nach Einspeisung der nicht erhitzten
Luft in die Formation wird diese während eines Zeitraums von etwa 20 bis etwa 200
Tagen und vorzugsweise zwischen 50 bis zu etwa 100 Tagen in der Formation belassen,
wobei sie in Berührung steht mit dem in der Formation enthaltenen zähflüssigen Erdöl
und dieses dadurch vorbehandelt wird.
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Nach Beendigung dieser Erweich- oder Vorbehandlungsphase wird ein
auf eine Temperatur von wenigstens 316 OC erhitztes, sauerstoffhaltiges Gas zwecks
Einleitung einer Oxidationsreaktion wie z.B. eines Formationsabbrands in die Formation
eingespeist. Dann wird erhitzte oder auch nicht erhitzte Luft in die Formation eingeführt,
um die Oxidationsreaktion aufrecht zu erhalten und die Fortpflanzung derselben zum
Produktionsbohrloch hin zu bewirken.
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Das Verfahren ist geeignet zur Gewinnung von zähflüssigem Erdöl niedriger
Dichte nach API-Standard, insbesondere bituminösen Erdöls aus Teersand-Lagerstätten,
durch Kombination einer Vorbehandlung mit einem nicht erhitzten, sauerstoffhaltigen
Gas wie z.B. Luft während einer Zeitspanne, die ausreichend lang bemessen ist, um
die Eigenschaften des Erdöls in der Weise zu verändern, daß es eine bessere Beschaffenheit
zur wirksamen Gewinnung aus der Formation durch Formationsabbrand oder durch eine
modifizierte
Niedertemperatur-Olgewinnung durch gesteuerte Oxidation vermittels Luft- und Dampfeinspeisung
aufweist.
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Die erste Phase des erfindungsgemäßen Verfahrens, nämlich die Vorbehandlungsphase,
besteht darin, daß ein sauerstoffhaltiges Gas in die Formation eingespeist und so
lange in Berührung mit dem in der Formation vorhandenen, zähflüssigen Erdöl gehalten
wird, bis dieses vor Einführen des erhitzten, sauerstoffhaltigen Gases bei der Gewinnungsendphase
vorbehandelt ist, wobei die Gewinnung vermittels eines bekannten Formationsabbrardverfahrens
erfolgen kann. Normalerweise stellt Luft das bevorzugte Vorbehandlungsgas dar, da
diese jederzeit zur Verfügung steht und normalerweise das preiswerteste sauerstoffhaltige
Gas darstellt, welches in die Formation eingespeist werden kann.
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Die Vorbehandlung der Formation mit anderen sauerstoffhaltigen Gasen
wie z.B. mit Sauerstoff angereicherter Luft oder praktisch reinem Sauerstoff ist
vermittels des erfindungsgemäß vorgeschlagenen Verfahrens gleichfalls zur Konditionierung
des zähflüssigen Erdöls möglich.
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Die Einspeisung der Luft in die Formation erfolgt normalerweise während
einer Zeitspanne, die so bemessen ist, daß im wesentlichen sämtlicher Porenraum
innerhalb der Formation gesättigt oder mit Luft oder dem verwendeten sauerstoffhaltigen
Gas ausgefüllt ist. Dann werden das Injektionsbohrloch und das Produktionsbohrloch
abgesperrt und auf oder über dem natürlichen Formationsdruck während einer Zeitspanne
gehalten, die ausreichend lang ist, damit während dieser die verhältnismäßig langsam
erfolgende Vorbehandlung des zähflüssigen Erdöls ausgeführt werden kann.
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Normalerweise wird die Vorbehandlungsreaktion zwischen dem in der
Formation enthaltenen zähflüssigen Erdöl und der Luft oder dem anderen, mit einer
Temperatur unter 121 OC in diese eingeführten sauerstoffhaltigen Gas in günstiger
Weise durch den erhöhten Druck beeinflußt, d.h.
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die Reaktionsgeschwindigkeit hängt normalerweise vom Druck ab. Daher
ist wünschenswert, Luft oder ein anderes, sauerstoffhaltiges Gas unter einem höheren
als dem natürlichen Formationsdruck einzuspeisen und diesen Druck während der Erweichungszeit
aufrecht zu erhalten. Für bestimmte Formationen gibt es jedoch auch Ausnahme zu
dieser Regel. In Formationen, die in verhältnismäßig geringer Tiefe liegen, oder
die von überwiegend nicht nennenswert dichten Formationen überlagert sind, muß sorgfältig
darauf geachtet werden, daß die über der erdölführenden Formation befindlichen Formationen
durch das Einführen von Druckgas nicht gespalten werden, da es ansonsten nahezu
unmöglich ist, das Gas innerhalb der erdölführenden Formation unter Druck zu halten,
weil das Gas durch die entstandenen Risse und Spalten zur Erdoberfläche entweichen
würde. Als allgemeine Faustregel gilt, daß Rißbildung in einer überlagernden Formation
vermieden werden kann, wenn der Einspeisedruck, gemessen in englischen Pfund pro
Quadratzoll (lb/in') nicht höher ist als die in Fußeinheiten gemessene Dicke der
überlagernden Schicht (Bei Messung in metrischen Einheiten darf der Druck, gemessen
in kp/cm', höchstens das 0,23-fache der Tiefe, gemessen in Metern, betragen). Wenn
die überlagernde Schicht eine Mächtigkeit von z.B. 500 Fuß (152 m) aufweist, darf
der Einspeisedruck entsprechend dieser Faustregel 500 lb/in2 (entsprechend 35,2
kp/cm2) nicht überschreiten.
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Da sich Gas be. Verdichtung erwärmt, sollte die Temperatur des Gases
nach seiner Verdichtung und vor der Einspeisung
in das Bohrloch
überwacht werden, um zu gewährleisten, daß seine Temperatur unter dem Grenzwert
von 121 OC liegt, bei dem eine spontane Entzündung der Formation und somit eine
unmittelbare Verbrennungsreaktion innerhalb der Formation vermieden wird. Wenn Luft
unter verhältnismäßig hohen DrUcken in die Formation eingespeist werden soll, kann
daher erforderlich sein, hinter die Verdichterstufe einen Kühler nachzuschalten,
um die Temperatur der Luft auf den gewünschten Bereich zu verringern, bei dem keine
spontane Entzündung bei Berührung der Luft mit dem in der Formation enthaltenen
Erdöl auftreten kann. Entsprechend einer bevorzugten Ausgestaltung wird daher das
Gas zunächst verdichtet und dann gekühlt, so daß das in die Formation eingeführte,
sauerstoff'reiche Gas oder die Luft unter hohem Druck steht und niedrige Temperatur
aufweist.
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Der Hauptzweckder Vorbehandlungsphase entsprechend dem erfindungsgemäßen
Verfahren besteht darin, eine zeitlich lang anhaltende Berührung zwischen der nicht
erhitzten Luft und dem zähflüssigen Erdöl herbeizuführen, damit eine Konditionierungsreaktion
erfolgt. Diese Vorbehandlungsreaktion kann auf wenigstens zweierle *riolgen. Die
Luft wird in die Formation eingespeist, wonach sowohl das Injektionsbohrloch als
auch das Produktionsbohrloch abgesperrt werden, so daß die Luft während der vorbestimmten
Reaktionszeit und unter dem gewünschten Druck in einem im wesentlichen statischen
Zustand in der Formation gehalten wird. Andererseits kann nicht erhitzte Luft auch
kontinuierlich durch das Injektionsbohrloch eingespeist werden, wobei zugelassen
wird, daß sie durch das Produktionsbohrloch wieder entweicht, so daß die nicht erhitzte
Luft während der vorbestimmten Zeitspanne die Erdölformation durchsetzt.
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Die Zeitspanne, während welcher die nicht erhitzte Luft in inniger
Berührung mit der zähflüssigen Erdölformation stehen soll, ist von Formation zu
Formation in gewissen Grenzen unterschiedlich und außerdem eine Funktion von Temperatur
und Druck innerhalb der Formation. Im allgemeinen wird die erwünschte Vorbehandlung
erhalten, wenn das nicht erhitzte, sauerstoffhaltige Gas oder die Luft während einer
Zeitspanne von etwa 20 bis zu etwa 200 Tagen und vorzugsweise während einer Zeitspanne
von etwa 50 bis zu etwa 100 Tagen in der mit Erdöl gesättigten Formation vorhanden
sind. Diese Verweilzeit ist gleich und unabhängig davon, ob die Vorbehandlung in
statischer Weise erfolgt, d.h. beide Bohrlöcher abgesperrt sind, oder dynamisch
erfolgt, d.h. Luft durch die Formation hindurchgeleitet wird.
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Die Temperatur, mit welcher die Luft in die Formation eingespeist
wird, beeinflußt normalerweise die Mindestzeit, während welcher die Luft in der
Formation vorhanden sein muß, um die gewünschte Vorbehandlung des zähflüssigen Erdöls
zu bewirken. Wie oben ausgeführt, ist die Geschwindigkeit der Vorbehandlungsreaktion
normalerweise bei höherer Temperatur größer, wenngleich erforderlich ist, eine Selbstzündung
des Erdöls zu vermeiden, so daß sich ein oberer Grenzwert für die Temperatur des
sauerstoffhaltigen Gases ergibt. Im allgemeinen ist vorzuziehen, eine etwas längere
Erweichungszeit in Kauf zu nehmen und ein sauerstoffhaltiges Gas zu verwenden, dessen
Temperatur ausreichend niedrig ist, um zu gewährleisten, daß keine Gefahr für das
Auftreten einer spontanen Verbrennungsreaktion in der Formation entsteht. Normalerweise
wird die Verbrennung in der Formation vermieden, wenn die Temperatur des sauerstoffhaltigen
Gases unter 121 OC liegt. Diese Gefahr wird mit Sicherheit ausgeschaltet,
wenn
die Gastemperatur alter 65 OC liegt.
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Es hat sich gezeigt, daß die Vorbehandlung von zähflüssigem Erdöl
vermittels der iedertemperatur-Oxidationsreaktion die Gewinnung des zãhflüssigen
Erdöls aus Formationen verbessert, wenn anschließend ein bekannter Formationsabbrand
eingeleitet wird, indem erhitztes, sauerstoffhaltiges Gas oder Luft oder ein Gemisch
aus einem sauerstoffhaltigen Gas oder Luft und Dampf oder Heißwasser eingeleitet
wird, wodurch eine Niedertemperatur- oder Kontrolltemperatur-Oxidationsreaktion
erfolgt, die einen höheren Wirkungsgrad bei Anwendung auf sehr zähflüssiges Erdöl
enthaltende Formationen wie z.B. Teersandlagerstatten aufweist BeisPiel 1 Dieses
Beispiel beschreibt einen an einer Lagerstätte ausgeführten praktischen Versuch.
Eine unterirdische Formation, die Erdöl von 110 API enthielt, befand sich in einer
Tiefe von 457 m. Die Permeabilität der Formation war sehr hoch, und die Formation
war von seitlichen Formationen in nattrlicher Weise begrenzt, so daß sich Xnderungen
des Formationsdrucks leichtbewerkstelligen ließen. Luft wurde auf 70 atü verdichtet
und vermittels eines OberflAchenw&rmetauschers auf eine Temperatur von 38 OC
abgekühlt und dann mit dieser Temperatur durch ein Injektionsbohrloch hindurch in
die Formation eingespeist. Ein 45 m vom Injektionsbohrloch entferntes Produktionsbohrloch
wurde abgesperrt, und die Lufteinspeisung wurde so lange fortgesetzt, bis der Luftdurchsatz
beim Druck von 70 atü auf praktisch null abgesunken war. Dann wurde das Injektionsbohrloch
abgesperrt und der Bohrlochdruck laufend überwacht, wobei eine weitere Lufteinspeisung
jeweils nur nach Bedarf erfolgte, um den
Formationsdruck auf 70
atü zu halten. Die nicht erhitzte Luft wurde 4 Wochen lang in der Formation gehalten,
um eine einwandfreie Vorbehandlung des in der Formation enthaltenen zähflüssigen
Erdöls zu gewährleisten. Dann wurde der Druck allmählich über beide Bohrlöcher abgesenkt,
und Luft wurde ohne vorherige Kühlung durch das Injektionsbohrloch eingespeist.
Ein gasbefeuerter Bohrlochbrenner wurde in Höhe von Perforationen in der Verrohrung
des Injektionsbohrlochs gebracht, um die eingespeiste Luft auf eine Temperatur von
340 OC zu erhitzen.
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Dadurch wurde das zähflüssige Erdöl im Formationsbereich um die Perforationen
der Injektionsbohrlochverrohrung in kurzer Zeit entzündet. Das gasbefeuerte Heizgerät
verblieb während 24 Stunden im Bohrloch und wurde dann herausgenommen. Luft wurde
unter einem Druck von 56 atü in einem Durchsatz von 28 000 m'/Tag eingespeist. Das
aus dem zur Atmosphäre hin offenen Produktionsbohrloch austretende Gas wurde auf
das Vorhandensein von Kohlendioxid überwacht, durch welches die erfolgreiche Zündung
und fortschreitende Fortpflanzung des Formationsabbrands angezeigt wurde. Das aus
dem Produktionsbohrloch austretende Gas enthielt große Mengen an Kohlendioxid, wodurch
angezeigt wurde, daß keine weitere Behandlung erforderlich war, um ein einwandfreies
Abbrennen der Formation zu gewährleisten. Die Lufteinspeisung mit dem vorgenannten
Durchsatz wurde so lange fortgesetzt, bis die Olproduktion im Produktionsbohrloch
begann, und wurde dann noch zwei Monate lang beibehalten. Nach Ablauf dieser 2 Monate
wurde berechnet, daß die Verbrennungsfront angenähert die Hälfte des Weges zwischen
Injektionsbohrloch und Produktionsbohrloch zurückgelegt hatte. Durch Einspritzen
von Wasser in das Injektionsbohrloch wurde Warme aus der Formationsmatrix abgeführt
und Erdöl zum Produktionsbohrloch hin verdrängt. Diese Wassereinspeisung wurde so
lange fortgesetzt, bis das Wasser-Öl-
Verhältnis im Produktionsbohrloch
sprungartig zunahm, wonach diese Phase der Untersuchung eingestellt wurde.
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Es wurde ermittelt, daß angenähert 85% des Erdöls, das sich in dem
von der eingespeisten Luft erreichten Formationsbereich befunden hatte, auf diese
Weise rückgewonnen worden war, und dieser Prozentsatz stellt ein sehr befriedigendes
Ergebnis dar.
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Beispiel 2 Die entsprechenden Versuche wurden gleichfalls an einer
Bohrung ausgeführt. Eine unterirdische Teersandlagerstätte befand sich unterhalb
einer darüber liegenden Schicht von 38 m Mächtigkeit und wies ihrerseits eine Mächtigkeit
von 21 m auf. Diese Tiefenverhältnisse waren für Abbau ungeeignet, so daß nur eine
an Ort und Stelle erfolgende Auslösung des bituminösen Erdöls aus der Teersandlagerstätte
in Frage kam.
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Ein Injektionsbohrloch und ein Produktionsbohrloch wurden bis zum
Boden der Teersandschicht niedergebracht, wobei die Verrohrung in beiden Bohrungen
über die volle Höhe der Teersandschicht mit Perforationen versehen wurde.
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Luft wurde in das Injektionsbohrloch unter einem Druck von 7 atü eingespeist.
Da die Umgebungstemperatur an der Oberfläche - 4 "C betrug, war keine Kühlung der
Druckluft erforderlich, um diese auf einerunterhalb von 65 OC liegendenTemperatur
zu halten. In das Produktionsbohrloch wurde eine Drossel eingesetzt, durch welche
aus der Formation zur Erdoberfläche austretende Luft hindurchtreten mußte. Die Drossel
wurde in der Weise eingestellt, daß sich ein Staudruck ergab, um zu gewährleisten,
daß der Druck innerhalb der Teersandschicht im Bereich des Produktionsbohrlochs
einen Wert von etwa 3,5 atü nicht überstieg. Eine Behandlung dieser Formation mit
statischer,
nicht erhitzter Luft wurde aufgrund der niedrigen Drucktoleranzgrenzen
dieser in verhältnismäßig geringer Tiefe befindlichen Lagerstatte und aufgrund der
großen Breitenerstreckung derselben, welche erforderlich gemacht hätte, eine sehr
weit ausgedehnte Erdformation unter Druck zu setzen, um einen verhältnismäßig kleinen
Bereich derselben zur anschließenden Erdölgewinnung vorzubehandeln, nicht für angebracht
gehalten.
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Luft wurde fünf Wochen lang unter einem Druck von 7 atü eingespeist,
um das hochviskose, bituminöse Erdöl in Vorbereitung auf die anschließend erfolgende
Erdölgewinnung in angemessener Weise vorzubehandeln.
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Im Anschluß an die fünfwöchige Vorbehandlungsphase wurde ein Dampfgenerator
eingesetzt, und ein Gemisch aus Dampf und Druckluft in die Formation eingespeist,
um innerhalb der Formation eine kontrollierte Niedertemperatur-Oxidationsreaktion
einzuleiten und zur Fortpflanzung zu bringen. Das Verhältnis von Luft zu Dampf wurde
von praktisch reiner Luft während der Vorbehandlungsphase bis zu einem Endsollwert
von 0,062 m3 Luft pro kg Dampf gesteigert, und dieser Endwert anschließend konstant
gehalten. Das Dampf-Luft-Gemisch wurde mit einer Temperatur von 163 OC eingespeist,bis
angenähert ein Porenvolumen Wasser in Form von Dampf in die Formation gedrückt worden
war, was als Optimalwert anzusehen ist. Bei Abschluß dieses Vorgangs waren angenähert
73% des bituminösen Erdöls aus dem Bereich der Teersandlagerstätte gewonnen worden,
der durch die eingespeisten Medien vorbehandelt worden war.
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Versuchsergebnjsse Zur Bestatigung der Anwendbarkeit des erfindungsgemäßen
Verfahrens, sowie zur Bestimmung der bevorzugten Arbeitsparameter
und
zur Ermittlung der mit dem Verfahren erzielbaren Steigerung wurden mehrere Laborversuche
mit Teersandprcben durchgeführt, die aus Abbau von den Athabasca-Teersandlagerstätten
in Alberta, Kanada, stammten. Für die Versuche wurde ein Laboratoriumsimulator verwendet,
der im wesentlichen aus einem Stahlrohr von etwa 45,7 cm Durchmesser und 38,1 cm
Länge bestand, entsprechende Abdichtungen aufwies und mit einem Injektionsbohrloch
und einem Produktionsbohrloch versehen war.
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Der Teersand wurde in die Versuchszelle eingebracht, wobei die obere
Abdeckung der Zelle hydraulisch unter Druck gesetzt wurde, um den Formationsdruck
zu simulieren und den Teersand auf eine der unterirdischen Lagerstätte äquivalente
Dichte zu verdichten.
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In der vorstehend beschriebenen Weise wurden zwei unterschiedliche
Proben in zwei Versuchsreihen untersucht.
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Die eine Probe war bei Ausführung der Laborversuche bereits mehrere
Monate alt und war bei ihrer Handhabung Luft unter Umgebungstemperatur und im wesentlichen
unter atmosphärischem Druck ausgesetzt, so daß eine Niedertemperatur-Oxidationsvorbehandlung
bereits weitgehend aufgetreten war.
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Bei der zweiten Probe handelte es sich um eine verhältnismäßig frische
Probe, die sorgfältig vor der Berührung mit Luft geschützt worden war und somit,
so weit es unter Laborbedingungen möglich ist, weitgehendst dem natürlichen Zustand
entsprach, der in einer unterirdischen Formation angetroffen wird, die nicht über
längere Zeit einer Vorbehandlung mit nicht erhitzter Luft ausgesetzt worden ist.
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Die Gewinnung erfolgte in beiden Fällen durch Einspeisung eines Dampf-Sauerstoff-Gemischs,
wodurch eine Niedertemperatur-Abbrennreaktion hervorgerufen wurde. Beim Versuch
mit der neuen Probe wurden 22,5 % (als Mittelwert aus zwei getrennten Versuchsreihen)
gewonnen, wohingegen beim gleichen Verfahrensgang mit der alten Probe,
die
während mehrerer Monate Luft unter atmosphärischem Druck ausgesetzt gewesen war,
69 % des in der Zelle befindlichen bituminösen Erdöls gewonnen wurde.
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Wie aus den vorstehenden Zahlenangaben ersichtlich, läßt sich vermittels
einer modifizierten Formationsabbrandreaktion mit einer über längere Zeit Luft unter
atmosphärischem Druck ausgesetzten Probe mehr als doppelt so viel bituminöses Erdöl
als mit einer praktisch nicht vorbehandelten Probe gewinnen. Die Teersandproben
waren ansonsten von im wesentlichen identischer Beschaffenheit und stammten aus
der gleichen Lagerstätte.
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Die oben beschriebene Laborzelle wurde außerdem an verschiedenen Stellen
innerhalb der Teersandpackung mit Thermoelementen bestückt, wobei die Temperatur
an diesen Meßstellen während des ganzen Gewinnungsvorgangs kontinuierlich überwacht
wurde. Die Temperaturprofile beim Versuch mit der luftgealterten Probe zeigten Temperaturgradienten,
die allgemein gleichmäßig zwischen dem Injektionsbohrloch und dem Produktionsbohrloch
verliefen, wie bei einer gleichförmigen Formationsabbrandsreaktion erwünscht ist.
Im Gegensatz dazu erschienen im frischen Teersand in der Umgebung des Produktionsbohrlochs
und an verschiedenen Stellen der Zelle etwa in der Mitte zwischen Injektionsbohrloch
und Produktionsbohrloch zu Beginn der Versuche heiße Stellen. Damit konnte klar
gezeigt werden, daß die Probe, welche über längere Zeit hinweg Luft unter atmosphärischem
Druck ausgesetzt gewesen und damit vorbehandelt worden war, keine willkürlich auftretenden
Verbrennungsnester zeigte, wohingegen die unbehandelte, frische Probe sehr stark
zum Auftreten von willkürliche<Zonen spontaner Entzündung innerhalb der Zelle
neigte.
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Vermittels des vorgeschlagenen Verfahrens läßt sich die Erdölgewinnung
prozentual gesehen wesentlich steigern, und die Neigung zur Entstehung von willkürlich
verteilten Formationsabbrandnester in Teersandformationen ist wesentlich herabgesetzt,
indem die Formation während einer ausreichend lang bemessenen Zeitspanne mit nicht
erhitzter Luft vorbehandelt und dadurch vor dem eigentlichen Gewinnungsvorgang vermittels
einer Verbrennungsreaktion in geeigneter Weise vorbehandelt oder konditioniert wird.
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Abschließend sei bemerkt, daß die vorstehenden Erläuterungen der Wirkungsweise
des erfindungsgemäßen Verfahrens nicht notwendigerweise die einzige oder die Hauptursache
für die durch das Verfahren erzielten höheren Ausbeuten zu sein brauchen.