DE69819887T2

DE69819887T2 - Verfahren zur stimulierung einer ölbohrung

Info

Publication number: DE69819887T2
Application number: DE69819887T
Authority: DE
Inventors: Olav Ellingsen
Original assignee: Eureka Oil ASA
Current assignee: Eureka Oil ASA
Priority date: 1997-01-16
Filing date: 1998-01-15
Publication date: 2004-09-02
Anticipated expiration: 2018-01-16
Also published as: CA2278024A1; BR9807081A; DE69819887D1; NO970194L; AU5782498A; ATE254716T1; WO1998031918A1; EP0981679A1; US6250386B1; NO970194D0; NO304898B1; CA2278024C; EP0981679B1

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren für die Stimulation von Ölbohrlöchern durch das Verwenden von Schallwellen, die von dem Ölbohrloch mittels einer hydraulisch betriebenen Schallquelle oder eines hydraulisch betriebenen Hammers emittiert werden.
Bis heute ist es wegen der speziellen Haftkräfte, die das Öl in der Formation zurückhalten, nur möglich, Teile des in den unterirdischen Ölreservoiren gefunden Öls zu gewinnen. Diese sind eine Kombination von Kapillarkräften, Adhäsionskräften, Kohäsionskräften und hydraulischen Kräften.
Der größte Anteil des Öls verbleibt im Reservoir, bis eine neue Technologie die Restölgewinnungseffizienz durch das Beeinflussen der Haftkräfte, die das Öl in der Formation einschließen, verbessern kann.
Da die Reserven in einem Ölreservoir gewaltige ökonomische Ressourcen darstellen, ist es von größtem Interesse, Verfahren und eine Anlage zu entwickeln, um in der Lage zu sein, die Effizienz der Restölgewinnung zu verbessern.
Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Werkzeug zu zeigen, das die Restölgewinnungseffizienz verbessert und den Beginn der Ölförderung aus Ölbohrlöchern ermöglicht, bei denen die Förderung schon zum Stillstand gekommen ist oder rapide abfällt. Dies wird mit Hilfe von Schallwellen erreicht, bei denen ermittelt wurde, dass die beste Wirkung erzielt wird, wenn die Schallwellen von dem Ölförder-Bohrloch erzeugt und an die Formation gesendet werden.
Gemäß der Erfindung wird ein Verfahren für die Schallstimulation von Ölbohrlöchern vorgeschlagen, dadurch gekennzeichnet, dass ein vertikal schwingender Vibrator (Hammer) in dem Bohrloch angeordnet wird, der dadurch durch das aus dem Ölbohrloch geförderte Öl betrieben wird, dass ein Teil des Öls von einer Hydraulikleistungseinheit an der Oberfläche in den Vibrator gepumpt wird, wobei das Auslassöl aus dem Vibrator in das Ölbohrloch durchgelassen und mit dem aus der Ölformation geförderten Öl zurückbefördert wird. Der Vibrator erzeugt dadurch elastische Schallwellen, dass ein Tauchkolben darin gegen ein Erweiterungsstück schlägt und die Schallwellen als elastische Schallwellen mit einer Folgefrequenz von wenigen hundert bis zu mehreren hundert Schallwellen pro Minute in das Reservoir schickt, wobei die Frequenz in der Wellenfolge z. B. aus der Resonanzeigenfrequenz des Stoßes von dem Tauchkolben, die im Bereich von 100 Hz bis zu gerade einigen wenigen Hz ermittelt wurde, gebildet wird. Eine intensive Forschung wird weltweit im Gebiet der so genannten sekundären Restölgewinnung ausgeführt, um Verfahren zum Erhöhen der Ölausbeute zu ermitteln. Diese beinhalten Verfahren, die sich von der Chemikalieneinspritzung, der elektrischen Stimulation, zur elektromagnetischen Stimulation und außerdem bis zu verschiedenen Verfahren der akustischen Stimulation erstrecken. Das Interesse ist insbesondere auf die Bedingungen gerichtet, welche die Oberflächenspannung zwischen dem Öl und dem Wasser umgeben, wobei Versuche gemacht wurden, die hier betroffenen Probleme durch das Injizieren von Tensiden und grenzflächenaktiven Stoffen zu lösen.
Die vorliegende Erfindung ist außerdem zur Verwendung in Verbindung mit solchen Verfahren und im Zusammenhang mit der elektrischen und der elektromagnetischen Stimulation geeignet, die z. B. in dem norwegischen Patent 161 697 und in dem US-Patent 5.282.508 beschrieben sind.
Das Folgende ist ein Bericht darüber, wie die Schallwellen die Ölförderung beeinflussen und was durch Laborversuche bezüglich der Stimulation von dreidimensionalen Ölreservoiren erfunden wurde.
Die Bewegungsmechanismen in einem Reservoir können wie folgt sein:

1. Fluid- und Grundmasseerweiterung.
2. Wasserverdrängung
3. Gasverdrängung
4. Lösungsgasverdrängung

Die vorliegende Erfindung kann in Verbindung mit all diesen Mechanismen verwendet werden.
In Verbindung mit dem in dem Öl aufgelösten Gas dehnt sich das Gas, während der Druck fällt oder während das Reservoir erwärmt wird und der Druck unter dem kritischen Punkt liegt, in Form von kleinen Blasen in dem Öl aus.
Die Gasblasen verdrängen das Öl, wobei sie bewirken, dass das Öl in dem Reservoir in der Richtung des Druckabfalls fließt.
Die Öltröpfchen sind oft von Wasser umgeben, und es existieren sehr wenige Partikel, an denen die Blasen wachsen können. In diesem Fall gibt es eine Erhöhung des Blasenbildungspunkts in Übereinstimmung mit der Erhöhung des Siedepunkts, wobei der Druck, bei dem die Blasen gebildet werden, wesentlich niedriger ist, als sich aus der vorhandenen Temperatur scheinbar schließen lässt.
Deshalb muss der Druck verringert werden, so dass die Blasen beginnen können, an den Mikrobläschen, die in allen Flüssigkeiten gefunden werden, zu wachsen. Es wurde gezeigt, dass akustische Schwingungen die Erhöhung des Blasenbildungspunkts beeinflussen, so dass das Sieden leichter beginnen kann. Außerdem hindert die Grenzflächenspannung zwischen dem Öl und dem Gas das Öl daran, in dem Reservoir zu fließen. Diese Grenzflächenspannungen sind relativ niedrig und verringern sich, während sich der Druck erhöht. Sogar mit schwachen Schwingungen wird deshalb eine große Wirkung erzielt.
Laborversuche haben gezeigt, dass es in einer Gesteinsgrundmasse, in welcher der Ölfluss aufgehört hat, möglich ist, das Fließen mit einer so schwachen Schwingung wie 0,04 g neu beginnen zu lassen. Damit wurde eine Restölgewinnung von 80% des Restöls erreicht.
Die Erklärung dafür ist, dass, wenn der Ölfluss aufgehört hat, ein Gleichgewichtszustand erreicht ist, der mittels schwacher akustischer Stimulation geändert werden kann.
Da sich die Schallschwingungen in einer radialen Richtung von dem Bohrloch ausbreiten und da das Öl in Richtung des Bohrlochs fließt, wird mit dem Verbrauch eines minimalen Energiebetrags eine optimale Wirkung erreicht.
Weiterhin wurde festgestellt, dass das Öl und andere Fluide leichter durch ein poröses Medium fließen, wenn das Medium durch Schwingungen beeinflusst wird.
Dies erklärt, warum sich sogar ein als eine newtonsche Flüssigkeit betrachtetes Fluid so verhält, als ob es ein thixotropes Fluid in kleinen Tröpfchen wäre. In dem Grenzbereich zwischen dem fließenden Fluid und den umliegenden Poren werden die Moleküle als Folge höherer oder niedrigerer Polarität "ausgerichtet".
Wenn das Fluid zum Vibrieren gebracht wird, werden so genannte Kapillarwellen in dem Fluid erzielt, so dass die Moleküle keine Zeit haben, heteropolare Verknüpfungen zu bilden. Das thixotrope Gel wird dünner, wobei das Öl ungehinderter fließt.
Die Schallenergie, die in dem Reservoir absorbiert wird, wird in Wärme umgewandelt und erhöht dadurch als Folge der teilweisen Verdampfung den Gasdruck. Dies verursacht ebenfalls eine verbesserte Restölgewinnung.
Es ist ein großer Vorteil, dass die Wärme in dem Reservoir selbst erzeugt wird und dass sie folglich nicht mittels Wärmeleitung, Dampfzufuhr und dergleichen in die Formation übertragen werden muss.
Wenn Wasser in die Förderbohrlöcher eingedrungen ist, ist es oft der Fall, dass aufgrund der Wirkung von Kapillarkräften große Ölmengen in dem Reservoir eingeschlossen sind. Eine intensive Forschung wurde durchgeführt, um Tenside zu entwickeln, die diese Kapillarkräfte verringern können. Es wird angenommen, dass ein mit der Verwendung von Tensiden gekoppeltes akustisches Verfahren vorteilhaft ist, da das Verfahren sehr gut dafür geeignet ist, die Grenzflächenspannungen zwischen dem Öl und dem Gas zu senken.
Es war mittels akustischer Stimulation möglich, Öl aus von Wasser eingeschlossenem Öl zu gewinnen, wobei es jedoch notwendig war, leistungsfähige Schwingungen (5–10 g) zu verwenden, wobei die Schwingungsrichtung die Gleiche wie die Fließrichtung war.
In dem oben genannten US-Patent 5.282.508 sind eine Anzahl verschiedener Ausführungsformen von Vibratoren für das Stimulieren eines Ölreservoirs in Verbindung mit der elektrischen Stimulation beschrieben. Diese Vibratoren werden elektrisch betrieben, wobei jedoch ermittelt wurde, dass der Betrieb von Vibratoren, die Elektroenergie verwenden, in einer Umgebung eines Ölbohrlochs größere praktische Probleme hinsichtlich der Isolierung aufwirft, da die verwendeten Spannungen etwa 1500 Volt betragen. Somit gibt es einen Bedarf, einen Vibrator zu entwickeln, der mittels einer anderen Energiequelle als der Elektrizität betrieben werden kann. Das Natürlichste war, an die Verwendung von Hydraulik oder Gas zu denken, das Problem, das sich bei der Verwendung eines herkömmlichen Vibr4ators, wie er z. B. beim Verpfählen oder bei Hydraulikhämmern an Baggern verwendet wird, ergibt, ist jedoch, dass zwei Ölversorgungsleitungen verwendet werden müssen. Im Fall von kurzen Abständen ist es möglich, zwei Leitungen zu verwenden, wenn jedoch ein Ölbohrloch von mehreren tausend Metern betroffen ist, ist dies wegen des Druckverlusts in der Leitung unmöglich.
Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Ausführungsform zeigen, bei der es nur notwendig ist, eine Zuführungsleitung für das Öl zu verwenden, und bei der das Rücklauföl in der eigentlichen Förderverrohrung in dem Ölbohrloch heraufgebracht wird. Um dies zu erreichen, müssen die folgenden Bedingungen erfüllt werden. Es muss eine Leistungseinheit an der Oberfläche vorhanden sein, die dem Vibrator ununterbrochen Drucköl zuführt. Da dies wegen des Abstands zum Vibrator nicht mit einem Ventil von der Oberfläche gesteuert werden kann, muss es darin einen Akkumulator geben, der das Drucköl ansammelt, bei dem der Druck jedoch außerdem den Vibrator auslöst. Dies wird mittels eines speziellen Ventils erreicht, das aufgeht, wenn der Druck in dem Akkumulator einen bestimmten Pegel erreicht. Das Ventil ist in der Weise konstruiert, dass es am Ende des Hubs alterniert, d. h., wenn der Tauchkolben infolge einer im hydraulischen System wegen des plötzlichen Halts des Tauchkolbens gebildeten Druckspitze gegen ein Expansionsrohr schlägt. Die fest eingestellte Öffnung des Ventils bestimmt die Geschwindigkeit des Tauchkolbens, während die Zuführungsmenge des Drucköls die Folgefrequenz bestimmt.
Die Funktion des Vibrators kann wie folgt beschrieben werden:
Wenn der Einspeisedruck der Pumpe und die Einstellung des Ventils auf p (Bar) eingestellt sind, ist die Kraft des Kolbens durch F = pA bestimmt, wobei A die aktive Kolbenoberfläche ist, die gleich A = n(D² – d²)/4 ist. Der Kolben und der Tauchkolben haben eine Beschleunigung von a = F/G, wobei G die Masse des Kolbens und des Tauchkolbens in Kilogramm ist. Die Geschwindigkeit des Tauchkolbens bei dem Stoß wird durch v = (2gs)^0,5 berechnet, wobei s die Strecke des Kolbenhubs in Metern ist. Die Zeit des Hubs wird durch t = v/a erhalten. Am Punkt des Aufschlags haben der Kolben und der Tauchkolben eine kinetische Energie E = Gv²/2 (Nm) angesammelt. Die Leistung in dem Stoß wird durch den Impulssatz P = E/Δt ausgedrückt, wobei Δt die Bremszeit des Kolbens ist. Tests haben gezeigt, dass es mit gemäßigten Dimensionen möglich ist, etwa 3000 Nm anzusammeln, wobei es bei einer Bremszeit von etwa 10 Minuten möglich ist, im Augenblick des Stoßes eine Leistung von 300.000 W zu erzielen.
Der Vibrator kann, neben der Verwendung als Vibrator für das Stimulieren eines Ölbohrlochs, mit der Absicht, mehr Öl aus dem Reservoir zu gewinnen, als eine ununterbrochen arbeitende seismische Schallquelle für die Kartierung des Reservoirs und um auszuwerten, wie sich die Fluide darin verändern, während das Öl in dem Reservoir fließt, genutzt werden. Dies ist, mit der Absicht die Gesamtrestölgewinnung aus dem Reservoir zu optimieren, – besonders bei Offshore-Ölbohrlöchern – für die Planung der Förderung aus jedem einzelnen Bohrloch von großer Wichtigkeit.
Die Erfindung wird ausführlicher anhand der Zeichnung beschrieben, in der
1 den Vibrator gemäß der Erfindung zeigt, wobei
1(a) ein Umriss des Vibrators ist; und
1(b) ein Schnitt durch ihn ist;
2 das Ergebnis einer Prüfung darstellt, das den von der Mitte des Bohrlochs gemessenen Beschleunigungsfortschritt zeigt.
Der eigentliche Vibrator und all seine Komponenten sind an dem Ende der Verrohrung a), in der eine herkömmliche Wellenanhebpumpe angebracht ist, die Öl aus dem Bohrloch an die Oberfläche befördert, aufgehängt. In dem Gehäuse b) ist ein Hohlraum c) geschaffen, der als Akkumulator für das Öl, das aus dem Zuleitungsrohr d) dort zugeführt wird, wirkt. Der Akkumulator ist mit einem Gas vorgefüllt, das vorzugsweise Stickstoff ist und das, wenn es durch das Öl verdichtet wird, als eine Feder wirkt.
Das Öl fließt aus dem Akkumulator nach unten zu einem speziellen Ventil e), das in der Weise angeordnet ist, dass es Öl aus dem Akkumulator zulässt, wenn der Druck in dem Akkumulator den maximalen Belastungsdruck erreicht. Das Öl wird danach an die Oberseite des Kolbens f) geleitet und presst diesen zusammen mit dem Tauchkolben g) nach unten. Wenn der Tauchkolben gegen das Erweiterungsrohr h) schlägt, schlägt dies wiederum gegen das Futterrohr im Ölbohrloch und schickt die Schallwellen nach außen. Der Stoß führt zu einer Druckspitze in dem hydraulischen System, die bewirkt, dass das Ventil alterniert und Öl an die Unterseite des Kolbens f) leitet, was diesen und den Tauchkolben wieder anhebt. Während des Hubs fällt der Druck in dem Akkumulator etwas, wenn sich dieser jedoch erneut aufbaut, wird ein neuer Hub durchgeführt. Die Hubfrequenz wird folglich durch die zugeführte Ölmenge gesteuert, und diese wiederum wird von der Förderpumpe reguliert.
Das Rücklauföl oder genauer das Auslassöl von den Hüben tritt, wie gezeigt ist, an der Seite des Ventils in das Bohrloch aus.
An dem Akkumulator hat das Gehäuse b) einen verengten Teil i), der beim Anbringen der ersten Förderungsverrohrung als ein Griff für ein Werkzeug an der Oberfläche wirkt.
An der Oberseite der Kolbenstange j) gibt es eine Öffnung l) an der Spitze der Bohrung k) in dem Gehäuse, die dem Öl aus der Formation ermöglicht, mit den Hüben ein- und auszu"atmen".

Claims

Verfahren für die Stimulation eines Ölreservoirs oder eines Ölbohrlochs unter Verwendung einer Schallquelle für die verbesserte Restölgewinnung und/oder seismische Kartierung des Reservoirs, dadurch gekennzeichnet, dass die Schallquelle betrieben wird, während Öl von dem Ölbohrloch durch eine Hydraulikleistungseinheit an der Oberfläche mit Druck beaufschlagt wird, und dass das Öl über eine Versorgungsleitung zu einem in der Schallquelle befindlichen Akkumulator geleitet wird, wobei die Schallquelle ein Gehäuse aufweist, in dem ein Ventil vorgesehen ist, das dann, wenn der Druck in dem Akkumulator einen bestimmten Pegel erreicht hat, eine Ölzufuhr an der Oberseite eines Kolbens zulässt, wobei die Ölzufuhr den Kolben und einen Tauchkolben nach unten presst, so dass er gegen ein Expansionsrohr schlagen kann, das die von dem Stoß herrührenden Schallwellen in das Reservoir schickt, und dass eine Druckspitze durch den Stoß erzeugt wird, die das Ventil dazu veranlasst, die Richtung so zu verändern, dass das Öl von der Unterseite des Kolbens ankommt und den Kolben zusammen mit dem Tauchkolben anhebt, damit sie für einen neuen Hub bereit sind.