DE3218346A1

DE3218346A1 - Verfahren zum emulsionsfluten von erdoellagerstaetten

Info

Publication number: DE3218346A1
Application number: DE19823218346
Authority: DE
Inventors: Uwe Dipl.-Chem. Dr. 3101 Lachendorf Lepper
Original assignee: Mobil Oil AG
Current assignee: ExxonMobil Oil Corp
Priority date: 1982-05-14
Filing date: 1982-05-14
Publication date: 1983-11-17
Also published as: US4488602A; DE3218346C2; CA1197772A

Description

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WIEGAND NIEMANN KÖHLER GERNHARDT GLAESER

PAT E NT AN WSlTE

Fufopeon Potent Attorneys

MÜNCHEN IElEFON: 089-55 54 76/7

DR. E. WIEGANDt * If- TELEGRAMME; KARPATENT

(1932-19801 TELEX ι 629068 KARP D

DR. M, KOHlER DIPL.-ING. C. GERNHARDT

HAMBURG DIPL.-ING, ). GlAESER

D-8000 MDNCHEN 2

DIPL.-ING. W. NlEMANN HERZOG-WILHEIM-STR, 16

OF COUNSEL

W. 44 195/⁸² 13/RS 14. Mai 1982

Mobil Oil AG in Deutschland Hamburg

Verfahren zum Emulsionsfluten von Erdöllagerstätten

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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Emulsionsfluten von Erdöllagerstätten.

In der Technik wurden bereits eine Reihe von Forschungsa.rbeiten mit Bezug auf chemische Flutungsverfahren durchgeführt, welche zum Austreiben oder Ausspülen von kapillar eingefangenem Öl angewendet werden, das nach der Ausführung des Austreibens von Öl mittels Wasserflutung zurückbleibt. Jedoch waren die meisten der in diesem Rahmen entwickelten Arbeitsweisen mit mehr oder weniger Nachteilen verbunden, so daß sich ihre praktische Anwendung in der Technik bis jetzt nicht in dem erforderlichen oder gewünschten Ausmaß durchsetzen konnte. Nachdem nach der Durchführung des Wasserflutungsverfahrens erhebliche Mengen an öl in den Lagerstatten zurückbleiben, deren Gewinnung sehr erwünscht ist, entwickelte sich in der Technik ein steigendes Interesse für ein Verfahren, nach welchem diese kapillar in den Poren der Gesteine der Lagerstätten zurückgehaltenen Erdölmengen gewonnen werden können. Bekannt ist ein Verfahren, bei welchem Mikroemulsionen in die Lagerstätten injiziert werden und mittels einer nachfolgend zugeführten Polymerlösung mit geeigneter Viskosität durch die Lagerstätte getrieben werden. Bekannt ist auch eine Arbeitsweise, bei welcher wäßrige Tensidlösungen in die Lagerstätten injiziert und anschließend mittels wäßriger Polymerlösungen durch die Lagerstätten getrieben werden, wobei die Tensidlösung in Berührung mit den Lagerstättenflüssigkeiten (öl und Wasser) Mikroemulsionen bilden.

. Der hier verwendete Ausdruck "Mikroemulsion" bezeichnet eine Zusammensetzung, die die drei Komponenten öl, Wasser und Tensid in Form einer thermodynamisch stabilen Emulsion enthält.

Diese bekannten Arbeitsweisen sind jedoch mit einer Reihe von Nachteilen verbunden. Das erstgenannte Verfahren weist den Nachteil auf, daß in der Mikroemulsion ionogene Tenside im allgemeinen in Vermischung mit weiteren Cotensiden anderer chemischer Natur verwendet werden müssen, wobei während einer langzeitigen Förderung unter Tage eine Änderung der Gleichförmigkeit der Verteilung der Tenside innerhalb der Mikroemulsion in Kauf genommen werden muß, was bedeutet, daß die Mikroemulsion inhomogen wird und damit die Wirksamkeit, die sie nur bei Homogenität der verschiedenen Tensidkomponenten aufweisen kann, einbüßt. Außerdem ist hierbei noch zu beachten, daß die gewünschte Wirksamkeit der Mikroemulsion lediglich entfaltet wird, wenn die Salzkonzentration der Wasserphase bei einem optimalen Wert liegt. Dies bedeutet, daß die Wirksamkeit dieser Mikroemulsion auch erheblich von der in der Lagerstätte vorherrschenden Salzkonzentration der Wasserkomponente abhängt.

Die zweite Arbeitsweise ist mit dem Nachteil verbunden, daß die Mikroemulsion erst nach der Injizierung der wäßrigen Lösung der Tenside innerhalb der Lagerstätte gebildet wird, wobei auch in diesem Fall wiederum ionische Tenside zumeist in Kombination mit einem oder mehreren Cotensiden zur Anwendung gelangen, was wiederum zu Zusammensetzungsschwankungen und Leistungsschwankungen führt. Insbesondere sind bei Ausführung dieser Arbeitsweise Schwankungen im Salzgehalt der Wasserkomponente der Lagerstätte von äußerst nachteiligem Einfluß im Hinblick auf die damit verbundenen Schwankungen der Förder- oder Verdrängungsleistung. 3o

Beide bekannte Arbeitsweisen sind darüber hinaus mit dem Nachteil verbunden, daß die injizierte bzw. die in der Lagerstätte gebildete Mikroemulsion mit Hilfe einer Polymerlösung durch

die Lagerstätte getrieben werden muß, wobei sich herausgestellt hat, daß für diesen Zweck außerordentlich große Volumina an Polymerlösungen erforderlich sind, was zu einer Kostensteigerung des Verfahrens beiträgt. Schließlich ist jauch noch zu beachten, daß, wenn im Hinblick auf die Erzielung einer optimalen Wirksamkeit der Förderung ein bestimmter Salzgehalt der Wasserkomponente erforderlich ist, der in der Lagerstätte nicht erreicht ist, es notwendig sein kann, das Lagerstättenwasser durch Injizieren von Wasser mit gewünschtem Salzgehalt zu verdrängen, wobei dieses Lagerstättenwasser als unerwünschtes Nebenprodukt anfällt, dessen Beseitigung weiter zu einer Steigerung der Kosten führen kann.

Vor kurzem wurde ein Verfahren vorgeschlagen, bei welchem ein chemisches Flutungsverfahren auch ausgeführt werden kann, wenn die Salzkonzentration der Lagerstätte oberhalb der optimalen Konzentration liegt. Dieses Verfahren läuft darauf hinaus, daß eine abgestufte Salzkonzentration in die Lagerstätte durch die Tensidlösung und die Polymerlösung eingeführt wird. Jedoch ist dieses Verfahren mit dem Nachteil verbunden, daß hierbei die Forderung besteht, daß das Lager-. stättengestein relativ unempfindlich gegen niedrige Salzgehalte sein muß.

Aufgabe der Erfindung ist daher die Schaffung eines verbesserten Verfahrens zum Emulsionsfluten von Erdöllagerstätten, das unabhängig von der Salzkonzentration und deren Schwankungen der Wasserphase der Lagerstätte bei optimaler Leistung durch führbar ist, und das den Einsatz einer Mischung von Tensiden unterschiedlicher chemischer Zusammensetzung, die eine Inhomogenität im Verlauf des Förderungsbetriebes herbeiführen können, nicht erfordert und bei welchem es auch nicht erforderlich ist, die Mikroemulsion mit Hilfe einer Polymerlösung durch die Lagerstätte zu treiben.

Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt gemäß der Erfindung durch die Schaffung eines Verfahrens zum Emulsionsfluten von Erdöllagerstätten, das dadurch gekennzeichnet ist, daß man in ein Bohrloch eine thermodynamisch stabile Mikroemulsion aus öl, einem nicht!onogenen Tensid und Wasser, das gegebenenfalls Salze in beliebigen Konzentrationen gelöst enthält, injiziert und anschließend die injizierte Mikroemulsionsbank mit Wasser, das in gleicher Weise Salze in beliebigen Konzentrationen gelöst enthalten kann, durch die Lagerstätte treibt, wobei die Mikroemulsionsbank in Berührung mit dem sie treibenden Wasser eine Überschußphase mit einem hohen Wassergehalt, einem niedrigen Tensidgehalt und niedrigem ölgehalt mit einer solchen Viskosität bildet, die ein Eindringen des nachfolgenden Wassers in die.Mikroemulsionsbank und eine dadurch bedingte Abnahme von deren Fließfähigkeit und ölverdrängungsfähigkeit verhindert.

Der hier verwendete Ausdruck "Überschußphase" bezeichnet eine Phase, die sich an der Grenzfläche zwischen der injizierten Mikroemulsion und der nachfolgend zugeführten Wasserphase ausbildet und die mit der Ausgangsmikroemulsion gemein hat, daß die drei Komponenten Öl, Tensid und Wasserphase in ihr enthalten sind, wobei jedoch die Überschußphase eine hohe Konzentration an Wasserphase und niedrige Konzentrationen an Tensid und Öl aufweist.

Die Erfindung wird nachstehend beispielsweise anhand der Zeichnung näher erläutert. Hierin zeigt

Fig. 1 ein Phasendiagramm der drei Komponenten, nichtionogenes Tensid, Lagerstättenwasser und Öl,

Fig. 2 in graphischer Darstellung Beispiele für die Viskositäten von im Gleichgewicht vorhandenen Phasen in Abhängigkeit von dem Geschwindigkeitsgefälle.

Mit Bezug auf Fig. 1 ist ersichtlich, daß in dem Dreikomponentensystem ein einphasiges System oberhalb der gebogenen Grenzlinie vorhanden ist. Ferner ist ersichtlich, daß in dem Phasendiagramm Mischungslücken vorhanden sind. Die in einer der Mischungslücken eingetragenen Konoden zeigen jeweils nebeneinander thermodynamisch stabile Phasen der Mikroemulsion auf der einen Seite und der Überschußphase auf der anderen Seite an. Dieser Darstellung kann entnommen werden, daß bei Injizierung einer Mikroemulsion einer bestimmten Zusammensetzung, wie beispielsweise in der Zeichnung auf der rechten Seite angezeigt ist, und nachfolgendem Austreiben der Mikroemulsion durch die Wasserphase die Überschußphase ausgebildet wird, die in der Zeichnung an der linken unteren Ecke angezeigt ist. In dem in der Zeichnung dargestellten Beispiel enthält die Überschußphase etwa 88% Wasser, etwa 2% Tensid und als Rest öl.

Es wurde gefunden, daß die Ausbildung einer derartigen Überschußphase zwischen der Mikroemulsion und der nachfolgenden Wasserphase von geeigneter Viskosität möglich ist, die zuverlässig das Eindringen der die injizierte Mikroemulsion durch die Lagerstätten treibenden Wasserphase in die Mikroemulsion verhindert. Würde ein derartiges Eindringen der Wasserphase in die Mikroemulsion stattfinden, würde die Homogenität der Mikroemulsion zerstört werden, wodurch ihre Fähigkeit zum Austreiben des kapillar eingefangenen Öles verloren ginge. Darüber hinaus wäre auch das Durchtreiben der Mikroemulsion durch die Lagerstätte gefährdet. Das zuverlässige Durchtreiben der Mikroemulsion durch die Lagerstätte hindurch ohne Auftreten von Störungen durch eindringendes Wasser kann wahren! des Fördervorganges so lange ermöglicht werden,als Mikroemulsion im Gleichgewicht mit der Überschußphase vorhanden ist. Auf diese Weise wird

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erfindungsgemäß der Vorteil erzielt, daß die Verwendung einer Polymerlösung zum Durchtreiben der Mikroemulsion durch die Lagerstätte nicht mehr erforderlich ist.

Ferner kann aus Fig. 1 ersehen werden, daß gemäß der Erfindung trotz der Verwendung eines einfachen Tensids, bei welchem nicht die Mitverwendung von Cotensiden unterschiedlicher chemischer Struktur erforderlich ist, und daß trotz hoher Lagerstättensalzkonzentrationen Diagramme erzielbar sind, die gemäß der bisher bekannten Technik nur bei Verwendung komplizierter Tensidsysteme, d.h. Tensiden in Kombination mit Cotensiden, und bei niedrigen Salzkonzentrationen der Lagerstättenwasser erzielbar waren. Diese besonderen Vorteile werden gemäß der Erfindung durch die Auswahl eines nichtionogenen Tensids erzielt.

Ein weiterer Vorteil des Verfahrens gemäß der vorliegenden Erfindung beruht darauf, daß sowohl optimale Viskositäten der Mikroemulsion und der Uberschußphase als auch das Vorhandensein eines Dreiphasengebietes, wie es in Fig. 1 anhand des schraffierten unteren Bereiches dargestellt ist, erreicht werden kann. Die in diesem schraffierten Bereich vorhandenen Phasen werden an der Stirnfläche oder Frontfläche der injizierten Mikroemulsion, die in Berührung mit dem in der Lagerstätte enthaltenen Wasser und öl gelangt, ausgebildet. In diesem schraffierten Gebiet stehen sogenannte Mittelphasen-Mikroemulsionen im Gleichgewicht mit den Überschußphasen öl und Wasser oder auch im Gleichgewicht mit Überschußphasen, die hauptsächlich öl und Wasser enthalten, und weisen naturgemäß zu diesen Überschußphasen niedrige Grenzflächenspannungen auf. Sie besitzen die Eignung, nicht nur das öl, sondern auch das Wasser aus den Lagerstätten zu verdrängen. Diese Mit-

telphasen-Mikroemulsionen bilden sich zwangsläufig an der mit Wasser und öl in Berührung stehenden Frontfläche der injizierten Mikroemulsion und decken somit den Hauptteil der Mikroemulsion vor dem Kontakt mit dem Öl und Wasser der Lagerstätte ab. Hierdurch wird der Vorteil erreicht _s daß das Verfahren gemäß der Erfindung unabhängig von Schwankungen der Salzkonzentration des Lagerstättenwassers durchgeführt werden kann, wobei derartige Schwankungen, wie dem Fachmann geläufig ist, bei der praktischen Ausführung der Förderung von Erdöl aus Lagerstätten leicht auftreten können.

Fig. 2 zeigt anhand eines weiteren Beispiels das Viskositätsverhalten der im Gleichgewicht vorhandenen Phasen im interessierenden Zweiphasengebiet. Es ist ersichtlich, daß die Mikroemulsion eine vom Geschwindigkeitsgefälle nicht abhängige Viskosität besitzt und somit eine Newton'sehe Flüssigkeit darstellt, wohingegen die Überschußphasen eine vom Geschwindigkeitsgefälle abhängige Viskosität aufweisen, die mit Zunahme des Geschwindigkeitsgefälles abnimmt. Es ist erkennbar, daß diese Überschußphasen zu der Klasse der "Power-Law"-Flüssigkeiten gehören. Dieses Viskositätsverhalten der Überschußphasen gleicht dem Viskositätsverhalten der Polymerlösungen, welche in den bisher bekannten Verfahren unter Verwendung von ionogenen Tensiden und Cotensiden eingesetzt werden mußten. Aus diesem Grunde ist es möglich, daß die Überschußphasen die von den bisher verwendeten Polymerlösungen geleisteten Funktionen in idealer Weise übernehmen können.

Abgesehen von dem Vorteil, daß gemäß der Erfindung die Verwendung einer zusätzlichen Polymerlösung unnötig gemacht wird, wird erfindungsgemäß auch der Vorteil erreicht, daß

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die Uberschußphase {;enau an der Stelle gebildet wird, an welcher sie benötigt wird, so daß irgendein unerwünschtes Auseinanderlaufen von den Treibmedien mit Bezug auf das zu Treibende (Mikroeraulsion) zuverlässig verhindert wird. 5

Ein besonderer Vorteil der Erfindung beruht darauf, daß man die Mikroemulsion in kleiner Menge injizieren kann. Geeignete Injektionsmengen liegen im Bereich von 5 bis 3o%, vorzugsweise 5 bis 15%, bezogen auf das gesamte Porenvolumen des Lagerstättengesteins.

Bei dem Verfahren gemäß der Erfindung kann man als nichtionogenes Tensid Polyalkylenglykole, die gegebenenfalls weitere Substituenten tragen, in vorteilhafter Weise verwenden. Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform wird bei dem Verfahren gemäß der Erfindung als Tensid eine Verbindung der nachstehenden allgemeinen Formel

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0-[(CH₂-)_m0]_nH

eingesetzt, worin R-. , FU und FU gleiche oder verschiedene Reste aus der Gruppe von Wasserstoff oder Alkylresten mit 1 bis 14 Kohlenstoffatomen, insbesondere 4 bis Io Kohlenstoffatomen, m eine Zahl von 2 bis 4, insbesondere 2, und η eine Zahl von 6 bis 22 bedeuten.

Beispiele für geeignete Tenside, die bei dem Verfahren gemäß der Erfindung eingesetzt werden können, sind Polyäthylenglykole, Polypropylenglykole und Polybutylenglykole, die

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weitere Substituenten tragen können, wobei die zusätzlichen Substituenten auch phenolischen Charakter tragen können und wobei diese Substituenten auch langkettige Kohlenwasserstoffreste einschließen. Besonders bevorzugt wird die Verwendung von Polyäthylenglykolen.

Die für die Durchführung des Verfahrens gemäß der Erfindung gewünschte Viskosität der Mikroemulsion und der Überschußphase wird in Übereinstimmung mit dem physikalischen Verhalten des zu fördernden Öls durch die Auswahl eines spezifischen Tensids gesteuert. So kann die Viskosität beispielsweise durch die Anzahl der sich wiederholenden Äthereinheiten bzw. durch die Anwesenheit eines phenolischen Substituenten in dem Tensid sehr gut gesteuert werden. Die Viskosität der Mikroemulsion kann bis zum lo-fachen der Viskosität des zu fördernden Öls betragen.

Die ölkomponente der zu injizierenden Mikroemulsion kann entweder aus dem Rohöl, das gefördert werden soll, selbst bestehen oder es kann irgendeine geeignete Raffinationsölkomponente eingesetzt werden oder es können Mischungen von beiden zur Anwendung gelangen.

Die Konzentration des Tensids in der Mikroemulsion kann in relativ breiten Grenzen variiert werden. Geeignete Konzentrationsbereiche liegen bei 5 bis 2o Vol.-%, vorzugsweise 5 bis Io V0I.-96, bezogen auf das Gesamtvolumen der Mikroemulsion.

Die geeigneten Viskositäten der Mikroemulsion und der sich beim Förderverfahren bildenden Überschußphase werden in Abhängigkeit von den spezifischen Förderbedingungen einer Lagerstätte ermittelt. Dabei können die gewünschten Visko-

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sitäten anhand von Laborversuchen, die vorzugsweise an zwei Phasensystemen in üblicher Weise durchgeführt werden, ermittelt werden.

Die Erfindung wird nachstehend anhand eines Ausführungsbeispiels näher erläutert.

Beispiel

Es -wurde eine Mikroemulsion aus 7 Vol.-96 Dinonylphenol oxäthylat mit durchschnittlich 11 sich wiederholenden Äthylenoxydeinheiten als nichtionogenes Tensid (53 Vol.-96 aus einer Mischung aus einem Raffinationsöl und dem Lagerstättenöl und 4o Vol.-% Salzwasser mit der nachstehend angegebenen Zusammensetzung) hergestellt, die eine Viskosität von 29,4 cp aufwies. Das Salzwasser hatte die folgende Zusammensetzung:

NaCl 112,3

KCl 4,2

CaCl₂ 11,1

MgCl₂ 5,5.

Diese Mikroemulsion wurde in einem linearen Labormodell der Lagerstätte injiziert, um das nach Durchführung des Wasserflutungsverfahrens in den Poren zurückbleibende öl zu verdrängen. Dabei bildete die Mikroemulsion eine Überschußphase mit der nachstehend angegebenen Zusammensetzung aus:

o,4 Vol.-% Dinonylphenoloxäthylat (11 Mol Äthylenoxydeinheitei 3,3 Vol.-96 der vorstehend angegebenen ölmischung, und 96,3 Vol.-96 des in der Mikroemulsion verwendeten Salzwassers.

Diese Überschußphase besaß eine Viskosität von 78 cp unter den Versuchsbedingungen.

Dabei wurde bei einer Injektion der Mikroemulsion in einer Menge, die 15% des vorhandenen Porenvolumens des bei diesen? Versuch verwendeten linearen Labormodells der Lagerstätte betrug, eine ölverdrängung von loo% des Restöls erhalten.

Claims

WIEGAND NIEMANN KÖHLER GERNHARDT GLAESER PAT E KT A N WXlTE Euioppon Potent Attorneyi MÖNCHEN TELEFON: 081-55 54 76// DR. E. WIEGANDf TELEGRAMMEi KARPATtNT (1932-1980) TElEXi 529068 KARP D DR. M. KÖHLER DIPI.-ING. C. GERNHARDT HAMBURG DIPL-ING. J. GlAESER / D-8000 MÖNCHEN2 DIPI.-ING. W. NIEMANN _ Y _ HERZOG-WILHELM STR. OF COUNSEt / W. 44 195/82 13/RS 14. Mai 1982 Patentansprüche

1. Verfahren zum Emulsionsfluten von Erdöllagerstätten, dadurch gekennzeichnet, daß man in ein Bohrloch eine thermodynamisch stabile Mikroeraulsion aus Öl, einem nichtionogenen Tensid und Wasser, das gegebenenfalls Salze in beliebigen Konzentrationen gelöst enthält, injiziert und anschließend die injizierte Mikroemulsionsbank mit Wasser, das in gleicher Weise Salze in beliebigen Konzentrationen gelöst enthalten kann, durch die Lagerstätte treibt, wobei die Mikroemulsionsbank in Berührung mit dem sie treibenden Wasser eine Überschußphase mit einem hohen Wassergehalt, einem niedrigen Tensidgehalt und niedrigem ölgehalt mit einer solchen Viskosität bildet, die ein Eindringen des nachfolgenden Wassers in die Mikroemulsionsbank und eine dadurch bedingte Abnahme von deren Fließfähigkeit und Öl-Verdrängungsfähigkeit verhindert.

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2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß man als nichtionogenes Tensid Polyalkylenglykole, die gegebenenfalls weitere Substituenten tragen, verwendet.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß man als Tensid

worin R_x,, Ep ^^ ^x gleiche oder verschiedene Reste aus der Gruppe von Wasserstoff oder Alkylresten mit 1 bis 14- Kohlenstoffatomen, insbesondere 4· "bis 10 Kohlenstoffatomen, m eine Zahl von 2 bis 4·, insbesondere 2, und η eine Zahl von 6 bis 22 bedeuten, verwendet.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß man die Viskosität der Mikroemulsion und der Überschußphase in Übereinstimmung mit dem physikalischen Verhalten des zu fördernden Öls durch die Auswahl des Tensids steuert.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4·, dadurch gekennzeichnet, daß die ölkomponente der zu injizierenden Mikroemulsion aus Rohöl oder Raffinationsöl oder aus einer Mischung hiervon besteht.

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6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Konzentration des Tensids in der Mikroemulsion im Bereich von 5 bis 2o Vol.-?6_f insbesondere 5 bis Io Vol.~%, bezogen auf das Gesamtvolumen der Mikroemulsion, liegt.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Viskosität der injizierten Mikroemulsion das bis zu 10-fache der Viskosität des zu fördernden Öls beträgt.