-
-
Müller, Schupfner & Gauger VERFAHREN ZUR FÖRDERUNG VON BITUMEN
AUS UNTERTÄGIGEN LAGERSTÄTTEN
Müller, Schupfner & Gauger Verfahren
zur Förderung von Bitumen aus untertägigen Lagerstätten Die vorliegende Erfindung
bezieht sich auf ein Ölförderverfahren, und insbesondere auf ein Verfahren zur Förderung
von Bitumen aus einer untertägigen Lagerstätte von Schweröl-Sanden.
-
Lagerstätten von Schweröl-Sanden, wie beispielsweise Teersanden, sind
im Westen der Vereinigten Staaten; in Nordalberta, Canada; Venezuela und auch in
Europa und Asien gelegen. So enthalten beispielsweise die Athabasca-Teersand-Lagerstätten
in Alberta/Canada über 100 000 Millionen Kubikmeter Petroleum eines hochbituminösen
Charakters.
-
Die extrem hohe Viskosität des Schweröls aus diesen Sanden, z.B. etwa
100 000 cP bis über 1 000 000 cP, bei Lagerstättentemperaturen im Bereich von etwa
4 bis 52 0C machen es unmöglich, diese nach üblichen Verfahren zu fördern. Die Viskosität
des Öls kann auf 10 cP oder weniger herabgesetzt werden, durch beträchtliche Erhöhung
der Temperatur. Der Sand ist im allgemeinen ein feinbis mittelkörniges Material,
überwiegend Quarz. Die einzelnen Körner sind mit Wasser bedeckt und von einem Bitumenfilm
umgeben. Bituminöses Erdöl füllt mindestens einen Teil des Hohlraums zwischen den
sich berührenden Körnern.
-
Die gepackten Sandkörner weisen einen Hohlraum von etwa 35 % auf.
Dies entspricht einem Bitumen/Sand-Gemisch von etwa 83 Gew.% Sand.
-
Die Förderung von Rohöl durch eine Kombination von Niedertemperatur-Oxydation
und Heißwasser- oder Dampf-Injektion ist in der US-PS 3 976 137 offenbart. Die Förderung
von
viskosem Öl bei Anwendung von zyklischen Verfahrensschritten unter Druck ist in
der US-PS 4 127 172 offenbart. Eine thermische Methode zur ölförderung durch Dampf-Injektion
und die Einführung eines nichtkondensierbaren Gases, welches im wesentlichen keine
oxydierbaren Komponenten enthält, ist in der US-PS 3 782 470 offenbart. Aus US-PS
3 279 538 ist es bekannt, eine Alkalilösung in eine Lagerstätte von Teersanden zu
injizieren und hierdurch Brüche zu erzeugen, auszulaugen und zu emulgieren, und
die periodische Rückflutung der Lagerstätte durch Einleitung einer Menge alkalischer
Lösung durch die Förderbohrung. Eine Insitu-Förderung, wonach Dampf und ein Lösungsmittel
zyklisch und kontinuierlich in die Teersande injiziert werden, ist in der US-PS
3 946 810 offenbart.
-
Wenn es auch zahlreiche Insitu-Verfahren zur Gewinnung von Schwerölen
aus Schweröl-Sanden gibt, so besteht doch ein Bedürfnis für ein wirksames und wirtschaftliches
Verfahren zur Gewinnung viskosen bituminösen Erdöls aus untertägigen Lagerstätten
von Schweröl-Sanden. Hierin liegt die Aufgabe der vorliegenden Erfindung.
-
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß Luft im Gemisch
mit Dampf von geringer Qualität oder heißem Wasser oder Mischungen daraus und Natriumhydroxyd,
Ammoniumhydroxid oder Ammoniak in eine Lagerstätte injiziert werden, welche von
mindestens eine Injektionsbohrung und mindestens eine Förderbohrung durchteuft ist.
-
Die Lagerstätte in und um die Verbindungsstrecke zwischen den Bohrungen
für Injektion und Förderung wird hierdurch auf eine Temperatur von etwa 93 bis 1770C
gebracht. Das erhitzte Bitumen in dem Teersand fließt mit einer verminderten Viskosität,
z.B. 10 cP oder weniger. Mindestens ein Anteil des Bitumens oxydiert ohne zu brennen
unter
Bildung zusätzlicher Erdölsäuren. Diese Säuren werden sodann
durch das anwesende Alkali unter Bildung emulgierender Mittel neutralisiert. Der
kondensierte Dampf und das heiße Wasser, die mit dem Bitumen in Kontakt kommen,
bilden eine Bitumen/Wasser-Emulsion, welche sodann durch die Verbindungsstrecke
durch den Druck aus der injizierten Mischung von Luft und erhitztem Fluid und alkalischem
Mittel getrieben werden. Die Bitumen/Wasser-Emulsion wird über die entsprechende
Förderbohrung entfernt. Die Demulgierung der Bitumen/Wasser-Emulsion sion erfolgt
sodann übertage, und Bitumen, heißes Wasser und Sand werden voneinander getrennt.
Die Wirksamkeit des Verfahrens kann durch Unterdrucksetzen und drawdown-Zyklen erhöht
werden.
-
Figur 1 erläutert die Verdrängungs-Wirksamkeit an verschiedenen Stellen
einer Simulationszelle für zwei Ansätze. Beim ersten Ansatz wurde eine Mischung
von Luit, Dampf von niederer Qualität und Ammoniak in die Probe von Schweröl-Sand
injiziert. Zu Vergleichszwecken wurde im zweiten Ansatz ein Gemisch von Luft und
Dampf von niederer Qualität allein injiziert.
-
Figur 2 erläutert die prozentuale Gewinnung von Bitumen bezogen auf
injizierten Dampf (Porenvolumen) für zwei Ansätze. Im ersten Ansatz wurdewiederum
ein Gemisch von Luft, Dampf von niederer Qualität und Ammoniak in die Probe des
Teersandes injiziert. Für Vergleichszwecke wurde im zweiten Ansatz lediglich ein
Gemisch von Luft und Dampf niederer Qualität injiziert.
-
Das erfindungsgemäße Verfahren kann mittels jeglicher geeigneten Injektions-
und Produktionstechnik durchgeführt werden. So kann beispielsweise mindestens eine
Injektionsbohrung vorzugsweise vertikal von der Erdoberfläche in die untertägige
Lagerstätte der Teersande
niedergebracht werden. Mindestens eine
damit im Zusammenhang stehende Förderbohrung kann im Abstand von jeder Injektionsbohrung
in beliebigem Muster vorgesehen sein und ebenfalls vorzugsweise vertikal von der
Erdoberfläche in die Lagerstätte niedergebracht sein. Beispielsweise kann ein Linienmuster
(line drive pattern) angewendet werden, wobei eine Mehrzahl in einer Reihe angeordneten
Injektionsbohrungen einer horizontalen Reihe von damit in Verbindung stehenden Produktionsbohrungen
gegenüber angeordnet sind. Bei einem kreisförmigen Muster (circular drive pattern)
ist eine zentrale Injektionsbohrung von einem konzentrischen Ring von Förderbohrungen
umgeben. Andere Anordnungen, einschließlich der 5-Punkt, 7-Punkt und 9-Punkt Anordnungen,
wie sie dem Fachmann wohlbekannt sind, sind ebenfalls hier einsetzbar. Die Injektions-
und Förderbohrungen sind verrohrt, so daß Fluide in dem unteren Teil der Lagerstätte
und vorzugsweise auf dem Lagerstättengrund in die Verbindungsstrecke zwischen den
Bohrungen einfließen und diese verlassen können.
-
Es ist ganz offensichtlich erforderlich, eine gute Fließverbindung
zwischen den Injektions- und Förderbohrungen aufrechtzuerhalten. Liegen keine natürlichen
horizontalen Brüche in der Lagerstätte zwischen den Bohrungen vor, oder ist die
ursprüngliche Permeabilität der Lagerstätte der Schweröl-Sande nicht ausreichend
für die Injektion von Dampf und anderen Fluiden und für die Förderung der Produkte
mit ausreichenden Fördergeschwindigkeiten, können an sich bekannte Verfahren zum
horizontalen Aufbrechen der Lagerstätte angewendet werden. Als solche Verfahren
können beispielsweise das horizontale hydraulische Aufbrechen, das horizontale Bohren,
das Aufbrechen durch mittels chemischer Substanzen herbeigeführter Explosionen und
die Injektion von nichtkondensierbaren Gasen sowie andere an sich bekannte Verfahren
zum Einsatz kommen.
-
Zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird daher vorausgesetzt,
daß eine hinreichend durchlässige Fließverbindung zwischen jeder Injektionsbohrung
und der dazugehörigen Förderbohrung existiert.
-
Erfindungsgemäß wird ein Gemisch von Luft und einem Erhitzungsmittel,
nämlich Dampf niederer Qualität, Heißwasser oder Mischungen davon und ein Alkalisierungsmittel
in die Verbindungsstrecke zwischen den Injektions-und Förderbohrungen injiziert.
Vorzugsweise wird mit der größtmöglichen Fließgeschwindigkeit injiziert, d.h. mit
Drücken, die so hoch sind wie dies die Lagerstätte erlaubt. Die Luft hält den Sauerstoff
zur Oxydation der Bitumen-Komponenten zur Herstellung zusätzlicher ungesättigter
polyzyklischer Kohlenwasserstoffsäuren zur Verfügung. Diese Säuren weisen 16 bis
32 Kohlenstoffatome auf und 1 bis 3 Carbonsäuregruppen. Die Oxydationsreaktion findet
bei niederer Temperatur ohne Verbrennung statt. Der Stickstoff der Luft wirkt hier
als Temperaturmoderator. Die Anwesenheit des Alkalis katalysiert die Oxydationsreaktion.
Mindestens eine der Carbonsäuregruppen reagiert mit dem Alkali unter Bildung eines
Emulgiermittels. überraschenderweise wurde gefunden, daß die Luft für diesen Zweck
wirksamer ist als im wesentlichen reiner Sauerstoff. Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform
werden etwa 0,2 bis 1,3 Nm3 Luft,wie beispielsweise etwa 0,4 bis 0,8 Nm3 pro m3
Dampf von niederer Qualität (bezogen auf flüssiges Wasser) eingesetzt (0,05 bis
0,3, wie 0,1 bis 0,2 MSCF Luft pro 1 bbl Dampf).
-
Der Naßdampf kann mit einem Druck im Bereiche von etwa 13,8 bis 24,2
bar, beispielsweise mit einem Druck von 17,2 bis 20,7 bar, eingesetzt werden, wenn
die Tiefe des Deckgebirges 91,4 m beträgt. Höhere Dampftemperaturen und Drücke können
dann eingesetzt werden, wenn die Tiefe des Deckgebirges größer ist. Der statische
Druck
in der Lagerstätte, ausgedrückt in psia, soll in der Regel nicht die Tiefe des Deckgebirges,
ausgedrückt in Fuß, übersteigen. Der Injektionsdruck kann jedoch bis zu 69 bar und
mehr (1000 psia) betragen. Die Luft kann mit einer Temperatur im Bereiche von etwa
Umgebungstemperatur bis 22700 zugeführt werden, wie beispielsweise mit einer Temperatur
von etwa 15 bis 1500C. Der Druck des Gemischs aus Naßdampf und Luft in der Lagerstätte
sollte im wesentlichen unter dem Druck liegen, welcher vertikale oder Oberflächenaufbrüche
in dem Deckgebirge hervorrufen würde.
-
Etwa 0,5 bis 10, wie beispielsweise 1 bis 5 Gew.% (bezogen auf Wasser),
einer geeigneten Base werden mit dem Dampf niederer Qualität und/oder dem heißen
Wasser gemischt, und zwar vor oder gleichzeitig mit dem Mischvorgang mit Luft. Das
basische Material gibt dem Naßdampf und/oder dem heißen Wasser einen pH-Wert von
)9, wie beispielsweise 10 bis 12. So wird beispielsweise Ammoniak in einer Menge
von etwa 3 bis 5 Gew.% oder Natriumhydroxid in einer Menge von etwa 0,5 bis 1,0
Gew.% mit dem Naßdampf und/ oder dem heißen Wasser unter Bildung eines basischen
Heizstromes gemischt, welchem sodann noch Luft zugemischt wird. Wahlweise können
auch drei getrennte Ströme, bestehend aus Luft, Heizfluid und Alkalisierungsmittel,
vor der Injektion in die Lagerstätte miteinander vermischt werden. Wenn auch eine
Vielzahl von Basen geeignet zur Neutralisierung der Mineralölsäuren ist, so werden
bevorzugt doch Ammoniak oder Ammoniumhydroxid und Natriumhydroxid eingesetzt.
-
Der Teil der untertägigen Schweröl-Sande, welcher mit dieser Mischung
aus Wasser und basischem Heizmittel in Kontakt kommt, wird auf eine Temperatur im
Bereiche von etwa 38 bis 1490C, wie beispielsweise von etwa 52 bis 1070C gebracht.
Die Viskosität des Bitumens wird herabgesetzt und das Bitumen vom Sand in Anwesenheit
des
Emulgiermittels abgestreift. Das Bitumen wird mit dem kondensierten
Dampf und/oder heißem Wasser unter Bildung einer Bitumen/Wasser-Emulsion ausgefördert,
die etwa 5 bis 40 %- wie beispielsweise 20 % - Bitumen enthält. Die Bitumen-Teilchen
in der Emulsion besitzen eine Größe von etwa 0,1 bis 10 Mikrometer. Das Alkalisierungsmittel
ist in dem Injektionsgemisch in einer ausreichenden Menge vorgesehen, damit die
Bitumen/Wasser-Emulsion einen pH-Wert im Bereiche von > 9 bis zu einem pH-Wert
von 12, wie beispielsweise 10,5 aufweist.
-
Die Bitumen/Wasser-Emulsion wird entlang der Verbindungsstrecke der
Bohrungen verdrängt und durch die Förderbohrung an die Oberfläche getrieben. Die
Viskosität der Bitumen/Wasser-Emulsion (20 bis 30 Gew.% Bitumen) entspricht im wesentlichen
der Viskosität des Wassers. Das basische Gemisch von Luft und Heizmittel treibt
die Bitumen/Wasser-Emulsion aufgrund des Druckdifferenzials zwischen den Bohrungen
zur Förderbohrung hin.
-
Zur Demulgierung der Bitumen/Wasser-Emulsion und Abtrennung des Bitumens
von Wasser und Sand können übliche, an sich bekannte Verfahren eingesetzt werden.
So kann beispielsweise die Emulsion zur Entfernung des Sands absetzen gelassen werden.
Die Auftrennung kann durch Dehydratation, chemische, thermische oder elektrische
Behandlung, Filtrierung, Zentrifugierung oder eine Kombination solcher Verfahren
erfolgen. Das abgetrennte Bitumen dient als Rohmaterial zur Gewinnung von verschiedenen
Erdölprodukten, wie beispielsweise Schweröl, Asphalt, Teer, Lösungsmittelgase usw.
Das abgetrennte Wasser wird in an sich bekannter Weise regeneriert, erhitzt und
als Naßdampf oder Heißwasser zur Injektion wiederverwendet.
-
Das Verfahren kann wiederholt werden, bis der Gehalt der geförderten
Bitumen/Wasser-Emulsion an Bitumen wesentlich
herabgesetzt ist.
Ist dieser Zeitpunkt erreicht, so kann zur Erhöhung der Fördergeschwindigkeit eine
Druckententlastung (pressure-drawdown) der Lagerstätte erfolgen.
-
Die Wirksamkeit der Einschaltung solcher Druckentlastungs-Schritte
in das Verfahren bedingt, solche Druckentlastungs-Schritte relativ früh in der Verfahrensdurchführung
einzubeziehen. Weiterhin kann auch eine periodische Reinigung der Verbindungsstrecken
zwischen den Bohrungen durch wechselweise Druckerhöhung und Druckentlastung erzielt
werden. Ein weiterer Vorteil der Druckentlastungs-Schritte ist die Umwandlung von
Heißwasser in Dampf innerhalb der Lagerstätte. Dies führt zu einer Förderung von
Wasser und Bitumen aus Bereichen der Lagerstätte, welche zuvor durch die durch die
Druckdifferenz zwischen Injektions- und Förderbohrung verursachte Ausflutung unbeeinflußt
geblieben sind. Demgemäß ist es eine bevorzugte Ausführungsform des erfindungsgemäßen
Verfahrens, Druckentlastungs-Schritte bereits bald nach dem Durchbrechen der Bitumen/Wasser-Front
zur Förderbohrung hin einzuschalten. Die folgende Verfahrensführung ist typisch
und bevorzugt, es können jedoch Variationen in Druck und Fließgeschwindigkeit zur
Anpassung an spezielle Bedingungen ohne weiteres vorgenommen werden: (a) Allmähliche
Drosselung der Fließgeschwindigkeit der Bitumen/Wasser-Emulsion aus jeder Förderbohrung
und gleichzeitig Herabsetzung des Lagerstättendrucks an jeder hiermit in Verbindung
stehenden Förderbohrung auf einen Druck im Bereiche von etwa 60 bis 90 % des Injektionsdrucks
des Gemischs aus Luft, Heizfluid und Alkalisierungsmittel unter gleichzeitiger Förderung
der Bitumen/Wasser-Emulsion an den betreffenden Förderbohrungen; (b) anschließende
Herabsetzung der Injektionsgeschwindigkeit des Gemischs von Luft, Heizfluid und
Alkalisierungsmittel auf etwa 40 bis 60 %
der ursprünglichen Injektionsgeschwindigkeit
an jeder Injektionsbohrung und gleichzeitiger Steigerung der Fördergeschwindigkeit
der Bitumen/ Wasser-Emulsion an jeder damit in Verbindung stehenden Förderbohrung
bis zu einer maximalen,noch sicheren Geschwindigkeit (dies verursacht eine Druckentlastung);
(c) Weiterführung der Förderung von jeder Förderbohrung und der Injektion des Gemischs
von Luft, Heizfluid und Alkalisierungsmittel mit herabgesetzter Geschwindigkeit
in jede in Verbindung stehende Injektionsbohrung, bis die Fließgeschwindigkeit der
Bitumen/Wasser-Emulsion auf einen Wert im Bereich von etwa 10 bis 50 % der maximalen,
noch sicheren Geschwindigkeit in (b) abfällt; und (d) danach Wiederholung der Verfahrensschritte
(a), (b) und (c) so lange, wie die Bitumen-Emulsion mit hinreichend wirtschaftlicher
Fließgeschwindigkeit gefördert wird.
-
Beispiele Die folgenden Beispiele erläutern eine bevorzugte Ausführungsform
des erfindungsgemäßen Verfahrens. Die beschriebenen Ansätze wurden in der dreidimensionalen,
45,7 cm (18 Inch) "Alberta Research Council" Simulator-Testzelle unter Bedingungen
durchgeführt, die mit Feldtestbedingungen vergleichbar sind und die in den oben
offenbarten Bereichen liegen. Die erhaltenen Ergebnisse demonstrieren die Durchführbarkeit
des erfindungsgemäßen Verfahrens.
-
Der Simulator besteht aus einem vertikalen Zylinder mit einem inneren
Durchmesser von 45,7 cm (18 Inch) und einer Höhe von 40,6 cm (16 Inch). Horizontale
Kopf- und Bodenplatten verschließen die beiden Enden des Zylinders. Ein vertikaler
Kolben ist unterhalb der Kopfplatte montiert
bewegt sich nach unten
zur Ausübung eines hydraulischen Drucks auf die Probe des ölsandes, welche in den
Raum zwischen dem Boden des Kolbenkopfes und der Bodenplatte des Zylinders eingebracht
ist. Dieser Druck simuliert einen tatsächlichen Deckgebirge-Druck von bis zu 70
bar.
-
Die Probe des gepackten Teersandes weist einen Durchmesser von 45,7
cm (18 Inch) und eine Höhe von etwa 25,4 cm (10 Inch) bis 27,94 cm (11 Inch) auf,
je nach Lage des Kolbenkopfes. Die Probe wird durch den vertikal sich nach unten
bewegenden Kolben unter Druck gesetzt, bis die Dichte und Permeabilität des Teersandes
annähernd den Bedingungen in der untertägigen Lagerstätte entspricht.
-
Zwei vertikale Steigrohre mit einem Durchmesser von 1,27 bis 2,54
cm (0,5 bis 1 Inch), jede jeweils in einem Abstand von 7,62 cm (3 Inch) von der
Zylinderwand entfernt, entlang dem Durchmesser des Zylinders,und 30,48 cm (12 Inch)
voneinander entfernt, erstrecken sich aufwärts durch die Boden-Endplatte des Zylinders
und dienen als Injektionsbohrung und Förderbohrung. Ein Bereich, 0,32 cm (1/8 Inch)
dick, 5,08 cm (2 Inch) weit und 30,48 cm (12 Inch) lang, zwischen der Injektionsbohrung
und der Förderbohrung simuliert die Verbindungsstrecke.
-
Die Zelle wurde bei jedem Ansatz mit Teersand aus Fort McMurray in
dem Athabasca Gebiet von Alberta, Canada, gepackt. Die Zelle wurde so ausgerüstet,
daß sie bei gesteuerten Temperaturen bis zu 216 0C und einem"Deckgebirge"-Druck
von 35,5 bar betrieben werden konnte. Der Druck des Dampfes von niederer Qualität,
nämlich weniger als 60 %, betrug 21,7 bar.
-
Im Ansatz 1 wurde ein Gemisch von Luft, Dampf niederer Qualität und
Ammoniak in den gepackten Ölsand injiziert.
-
Ansatz 2 wurde ebenso wie Ansatz 1 gefahren, jedoch ohne Ammoniak.
Sobald die Bitumen/Wasser-Emulsion in der Förderbohrung erschien, wurde schrittweise,
wie vorn beschrieben, die Zelle druckentlastet. Jeder Ansatz wurde 24 Stunden gefahren.
-
Zu Vergleichszwecken wurden die Ansätze 1 und 2 unter völlig gleichen
Betriebsbedingungen gefahren, sowohl hinsichtlich der Teersand-Probe, der Versuchsdauer,
des Injektionsdrucks und der Temperatur sowie dem Luft/Dampf-Verhältnis.
-
Figur 1 gibt eine Analyse des gepackten Teersandes zur Bitumenentfernung,
wobei die Analyse halbwegs zwischen der Injektionsbohrung und der Produktionsbohrung
nach Beendigung des Ansatzes genommen worden war. Es ist ersichtlich, daß die Anwendung
einer Base, wie in Ansatz 1 vorgesehen, die Wirksamkeit der Verdrängung überall
in der Zelle signifikant verbessert. Die Erhöhung der Wirksamkeit der Verdrängung
ist besonders deutlich in der Mitte der Zelle, wo die Bildung der Bitumen/Wasser-Emulsionen
durch die Wasser-Umgebung begünstigt und durch die Druckentlastungs-Schritte gefördert
wird.
-
Figur 2 zeigt den Verlauf der Vergleichsansätze den Prozentanteil
des zurückgewonnenen Bitumens aufgetragen gegen die Menge des injizierten Dampfes
in Porenvolumina (PV).
-
Die Menge des zurückgewonnenen Bitumens ist deutlich höher in Gegenwart
einer Base gemäß Ansatz 1. Per definitionem bedeuten Porenvolumina des injizierten
Dampfes von niederer Qualität Porenvolumina Wasser bei 15,60C umgewandelt in Wasserdampf
von niederer Qualität bei Injizier-Temperatur und -druck.