-
Beschreibung
-
Die Erfindunq betrifft die in-situ-Verbrennung einer unterirdischen,
ein viskoses Ö1 enthaltenden Formation zur Gewinnung von Ö1. Insbesondere bezieht
sich die Erfindung auf eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Regeln der Verbrennungstemperatur
einer Kohlenwasserstoff-Formation oder eines Kohlenwasserstoff-Reservoirs.
-
Zur Verbesserung der Gewinnung von viskosem Öl aus unterirdischen,
ein viskoses Ö1 enthaltenden Formationen wurden verschiedene ergänzende Gewinnungsmethoden
entwickelt.
-
Zu diesen Techniken zählen thermische Gewinnungsmethoden, das Fluten
mit Wasser und gemischtes Fluten.
-
Von den erwähnten Gewinnungsmethoden scheint die in-situ-Verbrennung
für die wirtschaftliche Gewinnung großer Mengen viskoser Kohlenwasserstoffablagerungen
mit der derzeit zur Verfügung stehenden Technologie am meisten erfolgversprechend
zu sein. Die Attraktivität der in-situ-Verbrennung ergibt sich daraus, daß sie relativ
wenig Energie benötigt, um die Verbrennung der Kohlenwasserstoffablagerungen aufrechtzuerhalten.
Im Gegensatz dazu erfordern andere in-situ-Techniken, wie die elektrische Widerstandsheizung
und das Einpressen von Dampf, beträchtliche Energiemengen, beispielsweise zum Erhitzen
des Dampfes an der Oberfläche, bevor er in die das viskose öl enthaltende Formation
eingeführt wird.
-
Bei der üblichen in-situ-Verbrennung werden in die Formation mindestens
zwei im wesentlichen senkrechte Bohrungen
getrieben, die innerhalb
der Formation durch einen horizontalen Abstand voneinander getrennt sind. Die eine
Bohrung wird als Injektionsbohrung, die andere als Produktionsbohrung bezeichnet.
Die Gewinnung von Öl wird durch Erhöhen der Temperatur des vor Ort neben der Injektionsbohrung
vorhandenen öls auf Verbrennungstemperaturen mittels einiger einfacher Mittel erreicht,
beispielsweise mittels einer Art üblicher Untertageerhitzer oder -brenner oder mittels
Einpressen von Dampf und anschließendes Unterstützen der Verbrennung durch Einpressen
eines sauerstoffhaltigen Gases, wie Luft, mit Sauerstoff angereicherter Luft, Sauerstoff
im Gemisch mit einem inerten Gas oder im wesentlichen reinem Sauerstoff. Anschließend
wird das Einblasen von sauerstoffhaltigem Gas fortgesetzt, um die gebildete Hochtemperaturverbrennungsfront
aufrechtzuerhalten und sie durch die Formation zur Produktionsbohrung hin zu treiben.
-
Mit ihrem Fortschreiten durch die Formation verdrängt die Verbrennungsfront
vor sich das in seiner Viskosität verminderte vorhandene Ö1 sowie andere Formationsflüssigkeiten,
wie Wasser, und auch Verbrennungsgase, die während des Verbrennungsprozesses gebildet
wurden. Die genannten Flüssigkeiten werden mittels der Produktionsbohrung aus der
Formation gewonnen.
-
Beim Einsatz eines üblichen Untertageerhitzers oder -brenners in verrohrten
Bohrlöchern ist es oft notwendig, Temperaturen zu vermeiden, die hoch genug sind,
um das in der Formation enthaltene Metall und auch den Brenner zu beschädigen. Es
ist auch erwünscht, ein Verfahren zum geregelten Erhitzen einer verrohrten oder
unverrohrten Bohrung zur Verfügung zu haben, um dementsprechend entweder eine Beeinträchtigung
der metallischen Verrohrung oder ein
Verstopfen der Formation durch
Kohlenwasserstoffe zu vermeiden.
-
In der US-PS 3 952 801 ist eine Technik zum Entzünden der Ölschieferschüttung
in einer in-situ-Ölschieferretorte beschrieben. Hier wird ein Gas-Luft-Brenner durch
eine Öffnung in einen ausgefüllten Raum über dem zu entzündenden Ölschiefer abgesenkt.
Ein Luftüberschuß wird durch die Öffnung und um den Brenner herum derart geführt,
daß dieser kühl gehalten wird, während eine Flamme von ihm auf die genannte Schüttung
aufprallt. Die Luft überträgt auch Wärme nach unten in die Schüttung und liefert
Sauerstoff für die Verbrennung von Kohlenwasserstoff in dem Schiefer. Vorzugsweise
befindet sich der Brenner in einem zylindrischen Gehäuse mit einem Flammenausgang,
welcher derart abgesenkt wird, daß eine heiße Flamme nach unten ausgestoßen wird.
-
Hier wurde ein Teil der Luft von der Luftzuführung in den oberen Teil
des Brenners gezwungen, um das Innere zu kühlen, während eine öffnung oder öffnungen
in der Nähe des Bodens oder des Brennerauslasses zusätzliche Kühl luft lieferten.
Zusätzliche Kühl luft wurde in den den Brenner umgebenden Bereich gezwungen. Diese
Luft mischte sich mit derjenigen Luft, die nach unten in das Bohrloch getrieben
wurde. Diese innere Kühlung des Brenners mit Luft, die mit der den Brenner umgebenden
Luft gemischt wurde, verminderte deutlich die Innentemperatur des Brenners. Es ist
offensichtlich, daß der Zweck dieser Methode darin lag, den Brenner zu kühlen und
Sauerstoff für die Verbrennung der Kohlenwasserstoffe in dem Schiefer zur Verfügung
zu stellen. Je heißer die Flamme ist desto besser ist es.
-
Tatsächlich wurde eine heiße Flamme auch als notwendig
angesehen.
Ein Regeln der Flammentemperatur war bei dieser bekannten Technik nicht notwendig
oder vorgeschrieben.
-
Was deshalb benötiqt wird, ist ein Verfahren und eine Vorrichtung
zum Regeln der Temperatur der von dem Brenner abgegebenen heißen Gase in einer mehr
direkten und einfachen Weise, um eine Beschädigung des Metalls in den verrohrten
Bohrlöchern sowie ein Verstopfen von Kohlenwasserstoff enthaltenden Formationen
oder Reservoirs zu vermeiden.
-
Diese Erfindung ist gerichtet auf ein Verfahren und eine Vorrichtung
zum Gewinnen von viskosen Kohlenwasserstoffen oder kohlenwasserstoffhaltigen Materialien
aus einer unterirdischen, ein viskoses kohlenwasserstoffhaltiges Material enthaltenden
Formation, die von mindestens einer Injektionsbohrung und einer im Abstand davon
getrennt angeordneten Produktionsbohrung durchdrungen ist, wobei die Injektionsbohrung
und die Produktionsbohrung in flüssiger Verbindung mit der Formation stehen. Dieses
Verfahren umfaßt das Anordnen eines Brenners unter Tage in der Injektionsbohrung,
der in der Lage ist, einen Brennstoff und ein oxidierendes Gas, das zum Erhitzen
der die Injektionsbohrung umgebenden Formation geeignet ist, zu verbrennen.
-
Das Verhältnis von Luft zu Brennstoff wird so eingestellt,daß die
Bildung einer Flamme vermieden wird, die zu heiß wird und möglicherweise das Metall
in einer verrohrten Bohrung beschädigen oder eine kohlenwasserstoffhaltige Formation
oder ein kohlenwasserstoffhaltiges Reservoir verstopfen könnte.
-
Die aus der Flamme sich ergebende Wärme wird durch Ablenken eines
geeigneten oder wesentlichen Anteils des oxidierenden Gases in die heißen abströmenden
Verbrennungsgase geregelt.
-
Der für das Erhitzen dieser kohlenstoffwasserhaltigen Formation benutzte
Brenner enthält Mittel zum Einspritzen bzw. Einblasen von Brennstoff und oxidierendem
Gas in eine zylindrische Verbrennungskammer, die außenherum innerhalb eines äußeren
Brennerschildes angeordnet ist.
-
Der in die Verbrennungskammer eintretende Brennstoff wird entzündet
und bildet die aus der Verbrennung sich ergebenden heißen Gase, welche aus der Verbrennungskammer
austreten. Es sind Maßnahmen getroffen, um eine geeignete Menge des oxidierenden
Gases von der Verbrennungskammer abzulenken. Das Mittel zur Ablenkung bewirkt, daß
das abgelenkte oxidierende Gas die Verbrennungskammer kühlt und nachfolgend mit
den heißen Verbrennungsgasen gemischt wird.
-
Durch ein derartiges Ablenken gewünschter Mengen des oxidierenden
Gases und durch das Mischen des abgelenkten Gases mit den aus der Verbrennungskammer
austretenden heißen Verbrennungsgasen wird der Brenner auf einer gewünschten Temperatur
gehalten, welche die Beeinträchtigung von in einem verrohrten Bohrloch enthaltenen
Metallen auf einem Minimum hält, und es wird auch die Bildung von kohlenwasserstoffhaltigen
Materialien, welche die Formation oder das Reservoir verstopfen könnten, vermieden.
-
Dementsprechend stellt die Erfindung eine Vorrichtung zum Erhitzen
einer kohlenwasserstoffhaltigen Formation bzw.
-
eines kohlenwasserstoffhaltigen Reservoirs zur Verfügung, die bzw.
das von mindestens einer Injektionsbohrung durchdrungen ist, um kohlenwasserstoffhaltiges
Material daraus zu gewinnen. Die Vorrichtung umfaßt a) eine Verbrennungskammer mit
einem offenen unteren Ende; b) ein die Verbrennungskammer umgebendes, äußeres Schild;
c)
Mittel zum Einführen getrennter Ströme eines Brennstoffs und eines oxidierenden
Gases in die Verbrennungskammer; d) Mittel zum Ablenken eines Teils des oxidierenden
Fluids in den Ringraum zwischen der Verbrennungskammer und dem äußeren Schild, um
die Verbrennungskammer zu kühlen; und e) Mittel zum Abführen der Verbrennungs- und
Kühlgase aus der Verbrennungskammer und dem äußeren Schild, ohne wesentliche Rückströmung
der Gase in die Verbrennungskammer und das äußere Schild.
-
Diese Erfindung stellt auch ein Verfahren zum Gewinnen von viskosen,
kohlenwasserstoffhaltigen Materialien aus einer unterirdischen, viskoses kohlenwasserstoffhaltiges
Material enthaltenden Formation bzw. einem entsprechenden Reservoir zur Verfügung,
die bzw. das von mindestens einer Injektionsbohrung und einer im Abstand davon getrennt
angeordneten Produktionsbohrung durchdrungen ist, wobei die Injektionsbohrung und
die Produktionsbohrung in flüssiger Verbindung mit der Formation stehen. Das Verfahren
umfaßt a) das Absenken eines Brenners unter Tage in die Injektionsbohrung, wobei
der Brenner in der Lage ist, ein im wesentlichen instabiles brennbares Gemisch aus
einem Brennstoff und einem oxidierenden Gas in gewünschten Verhältnissen zu verbrennen
sowie die Formation oder das Reservoir bis zu einem gewünschten Niveau zu erhitzen.
-
b) das Zünden und Verbrennen des Gemisches in der Verbrennungskammer
des Brenners;
c) das Ablenken eines Teils des oxidierenden Gases
von der Verbrennungskammer, um diese und die davon abgeführten heißen Verbrennungsgase
zu kühlen; und d) das Erhitzen des kohlenwasserstoffhaltigen Reservoirs oder der
entsprechenden Formation mit den heißen Verbrennungsgasen während einer ausreichenden
Zeit, um zu ken, daß das kohlenwasserstoffhaltige Material ird.
-
Verrohrung; o erte Ansicht des Brenners gemäß Fig. 1.
-
Ein Brenner1 der bei der Anwendung der vorliegenden Erfindung verwendet
werden kann, ist in Fig. 1 dargestellt. Diese Figur zeigt, daß ein Brenner 10 in
einer Bohrlochverrohrung 18 abgesenkt ist. Perforationen 16 sind gleichfalls in
der Verrohrung gezeigt. Diese Verrohrung besteht oft aus Metall, um ein Einfallen
des Bohrlochs zu verhindern. Der Brenner 10 wird mittels einer Winde (nicht gezeigt)
in der Verrohrung 18 der Injektionsbohrung angeordnet und dort gehalten. Der Brenner
wird innerhalb der Verrohrung auf das gewünschte Niveau abgesenkt, von wo aus er
das kohlenwasserstoffhaltige Material beseitigen soll.
-
Bei Betrachtung aus einer Querschnittsperspektive besteht der Brenner
aus einem äußeren Rohr 14, das mit einem äußeren Schild 10 verbunden ist. Eine Packung
22 wird verwendet, um den Brenner und die angebrachten Rohre in die gewünschte Position
zu bringen. Innerhalb des äußeren Rohres 14 ist das Brennstoffrohr 30 angeordnet.
Diese
beiden Rohre erstrecken sich nach unten und enden im inneren
Brenner 12 Der innere Brenner 12 ist aus einem Hochtemperaturzement hergestellt.
Der innere Brenner 12 ist an dem Außenumfang des äußeren Rohres 14 mittels einer
Umfangsplatte 8 befestigt. Das äußere Rohr 14 enthält Öffnungen 24, durch welche
ein Teil des oxidierenden Gases, wie Sauerstoff oder Luft, strömt.
-
Ein Teil des oxidierenden Gases tritt durch die Öffnungen 24 und um
das Äußere des inneren Brenners 12 herum. Nach dem Strömen um den inneren Brenner
12 herum tritt das oxidierende Gas in die Kühlzone 34 unterhalb des inneren Brenners
12.
-
Der andere Teil des oxidierenden Gases strömt in dem äußeren Rohr
14 nach unten und tritt in die Verbrennungskammer 26 des inneren Brenners 12 ein.
-
Ein Zünder (nicht dargestellt) wird in der Nähe des Brenners plaziert
und dient zum Zünden des aus den Rohren 14 und 30 austretenden Gemisches aus dem
oxidierenden Gas und dem Brennstoff. Ein für diesen Zweck geeigneter Zünder ist
in der US-PS 3 880 235 beschrieben. Beim Zünden verbrennt das Gemisch aus Brennstoff
und oxidierendem Gas und entwickelt eine Temperatur von etwa 1.093O C (2.0000 F).
-
Diese Temperatur ist viel zu hoch für einen Kontakt mit der Verrohrung
18 und anderen darin enthaltenen Rohrmaterialien.
-
Um die aus der Verbrennungskammer 26 austretenden Verbrennungsgase
zu kühlen, strömt das im äußeren Rohr 14 befindliche oxidierende Gas, welches durch
die Öffnungen 24 über der Umfangsplatte 8 hindurchgedrungen ist, um den inneren
Brenner 12 und mischt sich mit den Verbrennungsgasen
aus der Verbrennungskammer
(26). Dieses Gas ist wesentlich kühler als die Verbrennungsgase, welche aus der
Verbrennungskammer (26) austreten, wodurch sich eine Abkühlung der Verbrennungsgase
auf eine Temperatur von 427 bis 5380 C (800 bis 1.0000 F) ergibt. Ein Thermoelement
(20) wird zur Messung der Temperatur an der Außenoberfläche des Brenners (10) benutzt.
-
Nach dem Abkühlen auf die gewünschte Temperatur verlassen die gekühlten
Gase die Kühizone (34) über eine Austrittsdüse (28) zur Verrohrung (18) in der Nähe
der Perforationen (16). Um ein Kühlen des Brenners zu gestatten, sind die Öffnungen
(24) so bemessen, daß eine ausreichende Menge des oxidierenden Gases dort hindurch
in den Ringraum zwischen dem inneren Brenner (12) und dem äußeren Schild (10) strömt.
Die Temperatur im Breich des Bohrlochs und der Verrohrung wird während einer Zeit,
die ausreicht, um das kohlenwasserstoffhaltige Material darin zu verbrennen, auf
einer Temperatur von etwa 427 bis 5380 C (800 bis 1.0000 F) gehalten. Wie in den
Zeichnungen dargestellt ist, ist die Kühizone (34) nach unten offen, so daß es dort
keine Rückströmung der Verbrennungs-und Kühlgase in die Verbrennungskammer (26)
gibt. Beim Verbrennen des kohlenwasserstoffhaltigen Materials schreitet die Feuerfront
durch die Formation voran, um genügend Verbrennungsgase und kohlenwasserstoffhaltiges
Material, welches dann abgeführt werden kann, zu erzeugen.
-
Brennstoffe, die bei der Anwendung der Erfindung eingesetzt werden
können, sind z.B. Methan, Äthan, Propan, Butan und Gemische davon. Für den gewünschten
Brennstoff können auch Kohlenmonoxid, Wasserstoff und Schwefelwasserstoff angewandt
werden.
-
Die oxidierenden Gase oder Fluide, welche für Verbrennungszwecke verwendet
werden können, sind z.B. Luft und Sauerstoff.
-
Um das gewünschte Erhitzen und den gewünschten Kühleffekt zu erreichen,
kann das Verhältnis zwischen Luft und Brennstoff von etwa 1 -'etwa 50 bis etwa 1
- etwa 65 Teilen Luft pro Teil Brennstoff während der Verbrennung eingestellt werden.
Vorzugsweise wird das Brennstoff-Luft-Gemisch während der Verbrennung auf einem
Verhältnis von etwa 1 Teil Brennstoff zu etwa 57 Teilen Luft gehalten. Die Benutzung
dieser Brennstoff-Luft-Verhältnisse führt zu einer stabilen Verbrennung des Brennstoffs,
wo die getrennten Ströme der eingeblasenen Fluide oder Gase nicht stabil sind. Ein
instabiles Gemisch, wie es hier definiert ist, bedeutet ein Gemisch aus Brennstoff
und Luft oder Sauerstoff, das nicht kontinuierlich die Verbrennung unterhält. Im
Ergebnis können im wesentlichen niedrige Brennstoffgemische verwendet und verbrannt
werden, worin im allgemeinen diese Gemische nicht brennbar sind. Es ist selbstverständlich,
daß die gewünschten Brennstoffe entweder mit Sauerstoff allein oder mit Gemischen
aus Sauerstoff und anderen Gasen oder mit Luft eingesetzt werden können.
-
- Leerseite -