EP2460975A2

EP2460975A2 - Vorrichtung und Verfahren zur Bohrlochstimulation

Info

Publication number: EP2460975A2
Application number: EP20110191467
Authority: EP
Inventors: Vladimir Stehle
Original assignee: Wintershall Holding GmbH
Current assignee: Wintershall Dea GmbH
Priority date: 2010-12-02
Filing date: 2011-12-01
Publication date: 2012-06-06
Also published as: CA2761153A1; RU2011148955A

Abstract

Vorrichtung zur Bohrlochstimulation umfassend ein Tragelement (22) mit einem ersten Begrenzungselement (23) und einem zweiten Begrenzungselement (25), weiterhin mindestens ein Ladungspaket (30), das eine oder mehrere Ladungseinheiten (31) eines Festbrennstoffes enthält, weiterhin mindestens einen Zünder (40) zum Zünden des mindestens einen Ladungspaketes (31), wobei das Ladungspaket oder die Ladungspakete an dem Tragelement (22) zwischen den Begrenzungselementen (23, 25) angeordnet ist oder sind, dadurch gekennzeichnet, dass die Ladungseinheiten (31) als Zylinder mit einer durchgehenden axialen Aussparung ausgestaltet sind, und das Tragelement (22) als Stange oder Tau ausgebildet und durch die axialen Aussparungen geführt ist.

Description

Die vorliegende Anmeldung schließt durch Verweis die am 02. Dezember 2010 eingereichte vorläufige US-Anmeldung 61/418891 ein.
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Bohrlochstimulation umfassend ein Tragelement mit einem ersten Begrenzungselement und einem zweiten Begrenzungselement, weiterhin mindestens ein Ladungspaket, das eine oder mehrere Ladungseinheiten eines Festbrennstoffes enthält, sowie weiterhin mindestens einen Zünder zum Zünden des mindestens einen Ladungspaketes, wobei das Ladungspaket oder die Ladungspakete an dem Tragelement zwischen den Begrenzungselementen angeordnet ist oder sind. Weiterhin betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Bohrlochstimulation unter Einsatz der erfindungsgemäßen Vorrichtung.
Bei der Förderung von Fluiden wie Erdöl oder Erdgas aus unterirdischen Gesteinsschichten hängt die Produktivität einer Förderanlage in hohem Maße von der Permeabilität der Gesteinsschichten ab, die an das Bohrloch angrenzen. Je durchlässiger diese Gesteinsschichten sind, umso wirtschaftlicher lässt sich eine Lagerstätte betreiben. Sowohl bei der Erschließung als auch während der Förderung aus einer Lagerstätte kann es zu einer Verminderung der Permeabilität und somit zu nachteiligen Effekten kommen.
Bei der Herstellung von Bohrlöchern, sowohl für Produktions- als auch für Injektionsbohrungen, kann es während des Bohr- und Zementierungsprozesses zur Verschlammung der porösen Gesteinsschichten kommen, sodass die Permeabilität sinkt. Außerdem verändert sich im Umfeld der Bohrung der Spannungs-, Druck- und Deformationszustand des Gesteins, was dazu führt, dass sich kreisförmig um die Bohrung herum im Gestein Zonen mit erhöhter Dichte und niedriger Permeabilität bilden. Während der Betriebsphase der Bohrung lagern sich im Gestein häufig Paraffine, Asphaltene und hochviskose Teere ab, die die Produktivität der Bohrung verringern.
Zu den bekanntesten Methoden, einer Verringerung der Permeabilität des Bohrlochbereiches entgegenzuwirken, gehören verschiedene Perforierungstechnologien, Vibrations- und Wärmebehandlung, der Einsatz chemisch aktiver Substanzen und das Swabben. Bei einer Art von Perforierungstechnologie kommen Gasgeneratoren zum Einsatz, die mit festen Brennstoffen betrieben werden. Sie sind als ummantelte oder nicht ummantelte Sprengladungen ausgeführt und erzeugen nach der Zündung heiße Gase, die einen Druckanstieg im Bohrloch und den angrenzenden Gesteinsschichten zur Folge haben. Üblicherweise werden Gasgeneratoren im Bohrloch in Höhe der Förderhorizonte eingesetzt, um aufgrund des Druckanstiegs neue Perforationen im Gestein hervorzurufen oder bestehende Perforationen zu erweitern.
Aus der russischen Patentschrift RU 2311529 C2 ist ein Verfahren zur Bohrlochstimulation mittels eines Gasgenerators bei der Öl- und Gasförderung bekannt. Die Vorrichtung beinhaltet rohrförmige zylindrische Sprengladungen, Zündungsladungen und ein geophysikalisches Kabel, ein sogenanntes Logging-Kabel, mit Befestigungselementen für die Sprengladungen. Das Kabel kann sich innerhalb eines Wickelkabels befinden, sodass der Gasgenerator auch für abgewinkelte, gerichtete und horizontale Bohrungen eingesetzt werden kann. Beim Abbrennen der zylindrischen Sprengladungen in der Bohrung erfolgen eine thermogaschemische Behandlung und eine Luftdruckbehandlung des Gesteins. Wurde eine Perforierung vorab durchgeführt, werden die Perforationskanäle erweitert und gereinigt, und im Gestein bilden sich feine Risse. Bei hoher Druckeinwirkung der Gasgeneratoren werden diese Prozesse verstärkt. Unter Umständen können sich ausgedehnte Risse bilden. Ein Nachteil dieser Methode ist, dass sich die austretenden Gase schnell im Bohrschacht verbreiten und infolgedessen die im zu behandelnden Bereich der Bohrung zur Verfügung stehende Energiemenge relativ gering ist.
Die Patentschriften RU 2176728 C1 sowie RU 2151282 C1 offenbaren Gasgeneratoren, die mit festen Brennstoffen betrieben werden. Diese Gasgeneratoren bestehen aus rohrförmigen Sprengladungen oder aus Sprengladungen mit Längskanälen. Hierbei hängt die Länge der Sprengladung und der Durchmesser des Längskanals von einem bestimmten Verhältnis ab, das die Pulsation des Drucks der Gase beim Abbrennen der Sprengladungen bestimmt.
Ferner ist aus der Patentschrift RU 2307921 C2 eine Vorrichtung bekannt für die Perforierung von Bohrungen und die gasdynamische Behandlung von Perforationszonen direkt nach der Bildung der Perforationslöcher. Diese Vorrichtung beinhaltet einen Perforator mit Sprengladungen und zwei rohrförmigen Sprengladungen, die sich im Korpus befinden und aus hitzebeständigen gasgenerierenden Bestandteilen hergestellt sind. Ein Nachteil dieser Vorrichtung ist ihre komplizierte Konstruktion und die unzureichende Energiekonzentration der austretenden Gase in der Perforationszone der Lagerstätte.
Das Dokument US 2008/0271894 A1 offenbart eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Erzeugung von Perforationen in unterirdischen Gesteinsschichten. Um einen Träger herum sind Sprengladungen angebracht, die nach der Zündung Perforationen im anliegenden Gestein erzeugen und durch Druckerhöhung ausdehnen. Die Vorrichtung ist mit Dichtelementen versehen, die sich bei Ansteigen des Drucks derart verformen, dass sie an der Bohrlochwand anliegen und dadurch den Raum der Druckentfaltung begrenzen.
Es stellte sich die Aufgabe, eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Bohrlochstimulation bereitzustellen, mittels derer die Permeabilität des Gesteins um einen Bereich des Bohrlochs zielgerichtet und effizient verbessert werden kann. Dabei sollte die Vorrichtung einfach in der Konstruktion und kostengünstig herzustellen sein.
Diese Aufgabe wird durch den Gegenstand der Erfindung gelöst, wie er in den Ansprüchen 1 und 7 wiedergegeben ist. Weitere vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung finden sich in den jeweiligen abhängigen Ansprüchen. Ein weiterer Gegenstand der Erfindung ist in dem Verfahrensanspruch 11 und den von diesem abhängigen Ansprüchen angegeben.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Bohrlochstimulation wird im Folgenden kurz "Gasgenerator" genannt. In einer ersten erfindungsgemäßen Ausgestaltung umfasst der Gasgenerator ein Tragelement, das als Stange oder Tau ausgebildet ist. Das Tragelement ist aus einem hochwiderstandsfähigen Material gefertigt, das beim Abbrennen der Ladungspakete im Bohrloch nicht zerstört wird. In einer Ausführungsform ist das Tragelement aus Stahl gefertigt, bevorzugt aus hochfestem zähem Stahl. Das Tragelement kann mit einer Schutzhülle umgeben sein, insbesondere, wenn das Tragelement als Tau ausgeführt ist. Die Schutzhülle ist vorzugsweise aus einem hochwiderstandsfähigen Material gefertigt, besonders bevorzugt aus einem hochfesten Stahl. Die Schutzhülle verhindert, dass das Tragelement während des Abbrennens der Ladungspakete beschädigt wird. Sie kann bei Bedarf leicht ausgewechselt werden. In einer bevorzugten Ausführungsform ist das Tragelement als hohle Stange oder Rohr ausgeführt mit einem durchgängigen axialen Kanal.
An dem Tragelement sind erfindungsgemäß ein erstes Begrenzungselement und ein zweites Begrenzungselement angebracht. Sie sind ebenfalls aus einem Material gefertigt, das beim Abbrennen der Ladungspakete nicht zerstört wird. Vorzugsweise sind die Begrenzungselemente aus Stahl, insbesondere hochfestem zähem Stahl, gefertigt. Die Begrenzungselemente sind bevorzugt als Scheiben ausgestaltet mit einer zentralen axialen Bohrung, durch die das Tragelement geführt werden kann. Eine einfach herzustellende Variante der Begrenzungselemente stellen massive Stahlscheiben dar. In bevorzugten Ausführungsformen der Erfindung sind die Begrenzungselemente fest mit dem Tragelement verbunden, beispielsweise mittels Befestigungselementen wie mechanischen Halterungen, Klemmen oder Schraubverbindungen.
Die Begrenzungselemente weisen in axialer Richtung, also entlang des Tragelements, eine Ausdehnung auf, die mindestens so groß gewählt ist, dass die Begrenzungselemente während des Abbrennvorgangs nicht zerstört werden. Diese Mindestausdehnung hängt von den Materialeigenschaften der Begrenzungselemente ebenso ab wie von den Eigenschaften und der Menge des eingesetzten Brennstoffs. Vorzugsweise beträgt die Ausdehnung der Begrenzungselemente in axialer Richtung von 50% bis 100%, besonders bevorzugt von 70% bis 100%, insbesondere von 90% bis 100% des Innendurchmessers des Bohrlochs in dem Bereich, in dem der Gasgenerator eingesetzt wird. Eine derartige axiale Ausdehnung der Begrenzungselemente verhindert zuverlässig ein Verkanten der Begrenzungselemente beim Einbringen des Gasgenerators in die Bohrung.
Der Gasgenerator umfasst ferner mindestens ein Ladungspaket, das eine oder mehrere Ladungseinheiten eines Festbrennstoffes enthält. Als Festbrennstoffe kommen solche in Betracht, die aus hitzebeständigen, Gas generierenden Bestandteilen oder aus hochenergetischen thermischen Mischungen hergestellt sind, beispielsweise bekannte Sprengstoffe wie Ballistitpulver. Weitere Beispiele für Festbrennstoffe sind Mischungen, die Aluminiumpulver, Kohlepulver oder Polymethylmethacrylatpulver sowie Ammoniumnitrat oder Ammoniumperchlorat enthalten. Weiterhin geeignet sind Mischungen, deren Hauptkomponente Ammoniumchlorid ist und die darüber hinaus folgende Substanzen enthalten (Angaben in Gewichtsprozent):

Polyvinyl-Isopren-Kautschuk mit Epoxid-Endgruppen (7 bis 8)
Trafoöl (5,6 bis 6,5)
Diszilit-Titan (0,6 bis 1,5)
Stronziumcarbonat (0,1 bis 0,5)
Brenn-Modifizierungsmittel (0,2 bis 0,3)
aromatische Aminosäure (0,03 bis 0,11)
aromatisches Amin (0,01 bis 0,06)
Härtungskatalysator (0,01 bis 0,1)

Die Ladungseinheiten sind als Zylinder mit einer durchgehenden axialen Aussparung ausgestaltet. In einer bevorzugten Ausführungsform weisen die Ladungseinheiten einen im Wesentlichen kreisrunden Querschnitt auf. Besonders bevorzugt beträgt der Durchmesser der Ladungseinheiten von 8 bis 15 cm, insbesondere von 10 bis 12 cm. Der Durchmesser wird vorteilhaft so gewählt, dass er um 10% bis 20% kleiner ist als der Innendurchmesser des Bohrlochs in dem Bereich, in dem der Gasgenerator zum Einsatz kommt. Der Durchmesser der axialen Aussparung beträgt bevorzugt von 8 bis 15 mm, besonders bevorzugt von 10 bis 12 mm. In axialer Richtung beträgt die Höhe der einzelnen Ladungseinheiten bevorzugt von 5 bis 140 cm. Die Gesamtlänge des Ladungspakets oder der Ladungspakete wird in Abhängigkeit der axialen Ausdehnung des Perforationsbereichs des Förderhorizonts gewählt und beträgt bevorzugt von 0,5 bis 30 m. Das Ladungspaket ist oder die Ladungspakete sind an dem Tragelement zwischen den Begrenzungselementen angeordnet, indem das Tragelement durch die axialen Aussparungen der Ladungseinheiten geführt ist.
Unter dem Perforationsbereich wird hier und im Folgenden der Bereich eines Förderhorizontes verstanden, in dem Perforationslöcher und Perforationskanäle bereits vorhanden sind oder durch Einsatz des Gasgenerators erzeugt werden sollen. Häufig entspricht die axiale Ausdehnung des Perforationsbereichs der Mächtigkeit der Gesteinsschicht, aus der das Fluid, z.B. Erdöl oder Erdgas, gefördert werden soll.
Der erfindungsgemäße Gasgenerator umfasst ferner mindestens einen Zünder zum Zünden des mindestens einen Ladungspaketes. Die Wahl des Zünders hängt von dem eingesetzten Festbrennstoff ab. Geeignete Zünder sind dem Fachmann bekannt, beispielsweise Elektrolichtbogenzünder oder Spiralzünder. In einer bevorzugten Ausführungsform weist das Tragelement im Inneren einen axialen Kanal auf, durch den beispielsweise elektrische Leitungen oder andere für die Zündung der Zünder erforderliche Leitungen geführt werden können.
In einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung umfasst ein Ladungspaket mehrere Ladungseinheiten, wobei benachbarte Ladungseinheiten unterschiedliche Außendurchmesser aufweisen. Die kleineren Außendurchmesser weisen bevorzugt Werte im Bereich von 75% bis 95% des größten Außendurchmessers auf. Die axiale Ausdehnung der Ladungseinheiten mit verringertem Außendurchmesser beträgt bevorzugt von 10% bis 50% der durchschnittlichen axialen Ausdehnung der Ladungseinheiten mit nicht verringertem Außendurchmesser. Besonders bevorzugt weisen die Ladungseinheiten mit nicht verringertem Außendurchmesser jeweils die gleiche axiale Ausdehnung auf.
Weiterhin bevorzugt werden Ladungseinheiten, die einen kleineren Außendurchmesser haben, von einer Ringummantelung umfasst, die aus einem Material gefertigt ist, das beim Abbrennen der Ladungspakete nicht zerstört wird. Vorzugsweise sind die Ringummantelungen aus Stahl gefertigt, insbesondere aus hochfestem zähem Stahl. Besonders bevorzugt sind die Ringummantelungen in der gleichen axialen Ausdehnung wie die betreffende Ladungseinheit und in einer Wandstärke ausgeführt, die die Differenz der Außenradien benachbarter Ladungseinheiten ausgleicht, sodass das vollständige Ladungspaket über seine Länge im Wesentlichen denselben Außenradius aufweist.
In einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Gasgenerators ist in axialer Richtung der gesamte Raum zwischen den Begrenzungselementen mit einem Ladungspaket ausgefüllt. Der Zünder ist oder mehrere Zünder sind derart angeordnet, dass bei der Zündung der Abbrand des Ladungspakets in einem in axialer Richtung mittigen Bereich beginnt und sich in Richtung des ersten und zweiten Begrenzungselements fortsetzt.
In einer alternativen Ausgestaltung der Erfindung umfasst der Gasgenerator zwei Ladungspakete, die voneinander beabstandet an dem Tragelement angeordnet sind. An oder in jedem Ladungspaket ist mindestens ein Zünder vorhanden, sodass die Ladungspakete gleichzeitig oder zeitlich nacheinander gezündet werden können. Besonders bevorzugt sind die beiden Ladungspakete im Wesentlichen gleich lang und so gestaltet, dass beim Abbrennen von beiden Seiten nahezu dieselben Energiemengen freigesetzt werden. Der Abstand zwischen den beiden einander zugewandten Enden der Ladungspakete ist vorzugsweise maximal so groß wie die axiale Ausdehnung des Perforationsbereichs in der Bohrung.
In einer weiterhin bevorzugten Ausbildung der Erfindung umfasst der Gasgenerator weiterhin mindestens eine Dichtungspackung aus leicht fließfähigem Feststoff sowie mindestens ein zusätzliches Begrenzungselement, das in axialer Richtung außerhalb des Zwischenraums zwischen erstem Begrenzungselement und zweitem Begrenzungselement an dem Tragelement angebracht ist. In einer Ausgestaltung ist ein zusätzliches Begrenzungselement in axialer Richtung oberhalb des ersten Begrenzungselements fest mit dem Tragelement verbunden, und eine Dichtungspackung ist zwischen dem zusätzlichen Begrenzungselement und dem ersten Begrenzungselement angeordnet. In einer weiteren Ausgestaltung ist ein zusätzliches Begrenzungselement in axialer Richtung unterhalb des zweiten Begrenzungselements fest mit dem Tragelement verbunden, und eine Dichtungspackung ist zwischen dem zusätzlichen Begrenzungselement und dem zweiten Begrenzungselement angeordnet. Bevorzugt sind Dichtungspackungen sowohl am oberen Ende als auch am unteren Ende vorgesehen. In diesen vorteilhaften Ausgestaltungen ist das erste Begrenzungselement und/oder das zweite Begrenzungselement in axialer Richtung entlang des Tragelements beweglich gelagert.
Das zusätzliche Begrenzungselement kann aus unterschiedlichen Materialien gefertigt sein, bevorzugt ist es aus einem Metall, insbesondere einem hochfestem zähen Stahl gefertigt. Seine Form kann dem des ersten oder zweiten Begrenzungselements entsprechen, beispielsweise eine Scheibe mit einer zentralen Bohrung, durch die das Tragelement geführt ist. In einer bevorzugten Ausgestaltung ist das erste Begrenzungselement und/oder das zweite Begrenzungselement derart gestaltet, dass sein Durchmesser auf der dem Dichtungselement zugewandten Seite kleiner ist als der Durchmesser auf der dem Ladungspaket zugewandten Seite. Weiterhin bevorzugt ist das zusätzliche Begrenzungselement derart gestaltet, dass sein Durchmesser auf der dem Dichtungselement zugewandten Seite kleiner ist als der Durchmesser auf der nach außen gerichteten Seite. Besonders bevorzugt sind sowohl erstes und/oder zweites Begrenzungselement als auch das jeweilige zusätzliche Begrenzungselement derart gestaltet. Besonders vorteilhaft ist eine derartige Ausgestaltung in Form eines Kegelstumpfes.
Die Dichtungspackungen werden so gewählt, dass sie einerseits beim Einbau in den Gasgenerator und während des Einbringens in die Bohrung stabil bleiben, andererseits bei sich aufbauendem Druck aufgrund des Abbrennens der Festbrennstoff-Ladungen aber ihre Festigkeit verlieren. Aufgrund der Druckentwicklung wird die Dichtungspackung in axialer Richtung gestaucht, der fließfähige Feststoff weicht radial zur Seite aus und bildet eine dichtende Schicht, die den gesamten Querschnitt des Bohrlochs in diesem Bereich ausfüllt. Der Feststoff kann auch in die Ringräume um das Begrenzungselement, das Ladungspaket und/oder das zusätzliche Begrenzungselement fließen. Durch die Wahl eines Feststoffs mit hohem Reibungskoeffizient, vorzugsweise gepressten Sand, kann die Menge an Feststoff, die in die Ringräume fließt verringert werden. Die Menge an Feststoff, die in die Ringräume fließt, kann weiter verringert werden, indem das Begrenzungselement und/oder das zusätzliche Begrenzungselement wie oben beschrieben mit reduziertem Durchmesser, vorzugsweise konisch, ausgestaltet wird.
Die Menge des fließfähigen Feststoffes wird so bemessen, dass über eine bestimmte Dauer des Abbrennvorgangs der Ladungspakete eine Dichtwirkung aufrecht erhalten wird. Bevorzugt beträgt die Länge einer Dichtungspackung von 0,5 bis 1,5 m. Der Außendurchmesser der Dichtungspackungen ist bevorzugt nicht größer als der Außendurchmesser der Begrenzungselemente. Die Dichtungspackung kann ummantelt sein, beispielsweise mit einer reißfesten Kunststofffolie. Der Vorteil der Ausführungsformen mit Dichtpackung liegt darin, dass sich gegenüber nicht abgedichteten Varianten bei ansonsten gleichen Bedingungen ein höheres Druckniveau erreichen lässt.
In einer weiteren erfindungsgemäßen Ausführungsform umfasst der Gasgenerator weiterhin zwei Hülsen, die aus einem Material gefertigt sind, das beim Abbrennen der Ladungspakete nicht zerstört wird. Vorzugsweise sind die Hülsen aus Stahl, insbesondere hochfestem zähem Stahl, gefertigt. Die Hülsen umschließen in radialer Richtung die Ladungspakete. Die erste Hülse ist mit einem Ende gasdicht an dem ersten Begrenzungselement angebracht, die zweite Hülse ist mit einem Ende gasdicht an dem zweiten Begrenzungselement angebracht. Die jeweils anderen Enden der Hülsen sind einander zugewandt. Die gasdichte Anbringung der Hülsenenden an dem jeweiligen Begrenzungselement kann beispielsweise durch eine Schweißverbindung erfolgen. Die Wandstärke der Hülsen wird so gewählt, dass die Hülsen beim Abbrennen der Ladungspakete nicht zerstört werden. Sie ist abhängig von den Eigenschaften des Materials, aus dem die Hülsen gefertigt sind, von den Abmessungen der Ladungspakete sowie von den Eigenschaften und der Menge des eingesetzten Festbrennstoffs.
Im Folgenden werden die Hülsen auch als "Gehäuse" bezeichnet. Ein Gasgenerator ohne Hülsen wird entsprechend als "gehäuselos" bezeichnet.
Um ein Verkanten des Gasgenerators beim Einbringen in das Bohrloch zu verhindern, wird bei gehäuselosen Gasgeneratoren die axiale Ausdehnung des ersten und zweiten Begrenzungselements vorzugsweise in den oben angegebenen Bereichen gewählt. Bei Gasgeneratoren mit Gehäuse können die Begrenzungselemente demgegenüber in ihrer axialen Ausdehnung kleiner ausgeführt werden, da durch die axiale Ausdehnung der Hülse ein Verkanten des Gasgenerators im Bohrloch bereits weitestgehend vermieden wird. Die axiale Mindestausdehnung der Begrenzungselemente zum Schutz vor Zerstörung während des Abbrennvorgangs wird jedoch auch bei Gasgeneratoren mit Gehäuse nicht unterschritten.
Bei einer ersten Ausprägung eines erfindungsgemäßen Gasgenerators mit Gehäuse ist zwischen den Begrenzungselementen ein durchgängiges Ladungspaket angeordnet. In diesem Fall umschließen die Hülsen vorzugsweise das Ladungspaket in axialer Richtung nicht vollständig. Das bedeutet, dass zwischen den einander zugewandten Enden der Hülsen ein Abstand besteht. Dieser Abstand wird besonders bevorzugt so gewählt, dass er maximal so groß ist wie die axiale Ausdehnung des Perforationsbereichs in der Bohrung.
In einer bevorzugten Variante dieser Ausführungsform sind die Ladungseinheiten, die von den Hülsen umfasst werden, derart ausgewählt, dass ihre Brenngeschwindigkeit höher ist als die der Ladungseinheiten, die in radialer Richtung nicht von den Hülsen umfasst werden. Nach der Zündung der Ladungspakete, die nicht von den Hülsen umfasst werden, entfaltet sich aufgrund des Abbrennens eine erste Druckwelle, die sich in die Perforationsöffnungen ausbreitet. Sobald die Ladungspakete in den Hülsen durch den Abbrand gezündet werden, entsteht eine zweite Druckwelle, die aufgrund der höheren Brenngeschwindigkeit größer ist als die erste Druckwelle. Auf diese Weise können gezielt Druckimpulse erzeugt werden, die effizient vorhandene Perforationskanäle weiten und neue entstehen lassen.
Bei einer zweiten Ausprägung eines erfindungsgemäßen Gasgenerators mit Gehäuse umfasst der Gasgenerator zwei Ladungspakete, die am jeweiligen Begrenzungselement anliegen und einen Zwischenraum zwischen ihren einander zugewandten Enden aufweisen. In diesem Fall umfassen die Hülsen das jeweilige Ladungspaket vorzugsweise auch in axialer Richtung vollständig. Bevorzugt ist der Abstand zwischen den einander zugewandten Enden der beiden Hülsen maximal so groß wie die axiale Ausdehnung des Perforationsbereichs in der Bohrung.
In einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung eines erfindungsgemäßen Gasgenerators mit Gehäuse sind die einander zugewandten Enden der Hülsen voneinander beabstandet. In jeder Hülse ist ein Ladungspaket angeordnet, das am jeweiligen Begrenzungselement anliegt und die Hülse in axialer Richtung nur teilweise ausfüllt. Der Gasgenerator umfasst weiterhin zwei Druckkolben, die an dem Tragelement in axialer Richtung beweglich angebracht sind. Bevorzugt weisen die Druckkolben eine zentrale axiale Bohrung auf, durch die das Tragelement geführt ist. Ein Ende des jeweiligen Druckkolbens ragt in das offene Ende der entsprechenden Hülse, vorzugsweise liegt das Ende des Druckkolbens an dem in der Hülse befindlichen Ladungspaket an. Das andere Ende des jeweiligen Druckkolbens ragt bevorzugt über das offene Ende der Hülse hinaus und weist einen Außendurchmesser auf, der größer ist als der Innendurchmesser der Hülse an ihrem offenen Ende. Besonders bevorzugt ist der Außendurchmesser des Druckkolbens auch größer als der Außendurchmesser der Hülse an ihrem offenen Ende, sodass der Druckkolben in radialer Richtung über das Ende der Hülse hinausragt. Der Außendurchmesser des Druckkolbens beträgt bevorzugt von 80% bis 95% des Innendurchmessers des Bohrlochs an der Stelle, an der der Gasgenerator eingesetzt wird.
Die einander zugewandten Stirnseiten der Druckkolben weisen einen axialen Abstand auf, der vorteilhaft so groß gewählt wird, dass er der axialen Ausdehnung des Perforationsbereichs in der Bohrung entspricht. Der Abstand kann jedoch auch geringer gewählt werden, beispielsweise bei ausgedehnten Perforationsbereichen. In einer bevorzugten Ausgestaltung sind die einander zugewandten Stirnseiten der Druckkolben eben geformt. In einer besonders bevorzugten Ausgestaltung sind die Stirnseiten konkav geformt, sodass der axiale Abstand zwischen den radial äußeren Rändern der gegenüberliegenden Stirnseiten geringer ist als der axiale Abstand zwischen ihren Mittelpunkten. Die Druckkolben können aus unterschiedlichen Materialien gefertigt sein, solange sie während des Abbrennens der Ladungspakete nicht zerstört werden. Bevorzugt sind die Druckkolben aus einem Metall, insbesondere einem hochfesten zähen Stahl gefertigt.
In jedem Ladungspaket befindet sich bei dieser Ausführungsform ein Zünder, vorzugsweise ist der Zünder an dem Ende des Ladungspakets angebracht, das dem Druckkolben zugewandt ist. Nach Zündung der Ladungspakete wird durch die Gasentwicklung ein Druck erzeugt, der die beiden Druckkolben aufeinander zu bewegt. Diese Art von Gasgenerator wird vorzugsweise eingesetzt, wenn sich nach Einbringen des Gasgenerators in das Bohrloch im Perforationsbereich zwischen den Stirnseiten der Druckkolben eine Flüssigkeit befindet, beispielsweise Wasser. Nach der Zündung der Ladungspakete bewirken die sich aufeinander zu bewegenden Druckkolben Druckwellen, die im Zentrum des Zwischenraums kollidieren und sich in die Perforationsöffnungen ausbreiten. Diese Art der Druckerzeugung ist sehr effektiv im Hinblick auf die Erweiterung bestehender Perforationskanäle sowie die Bildung neuer Perforationen im Nahbereich des Bohrlochs. Die Gasgeneratoren mit konkav gestalteten Druckkolben-Stirnseiten sind in dieser Hinsicht besonders vorteilhaft.
Eine alternative Ausgestaltung der Erfindung betrifft einen Gasgenerator, der ein als Stange oder Tau ausgebildetes Tragelement mit einem ersten Begrenzungselement und einem zweiten Begrenzungselement umfasst. Eine erste Hülse ist mit einem Ende gasdicht an dem ersten Begrenzungselement angebracht, eine zweite Hülse ist mit einem Ende gasdicht an dem zweiten Begrenzungselement angebracht. Die jeweils anderen, offenen Enden der Hülsen sind einander zugewandt. Die Hülsen sind jeweils mit einer Trennwand versehen, die sich in axialer Richtung vom offenen Ende der Hülse in Richtung Begrenzungselement erstreckt und die Hülsen in jeweils zwei Kammern trennt. Zwischen dem Begrenzungselement und der Trennwand besteht ein Abstand. Über diesen Zwischenraum sind die beiden Kammern in jeder Hülse miteinander verbunden. Der Abstand zwischen Begrenzungselement und Trennwand ist bevorzugt so bemessen, dass die Fläche, über die die beiden Kammern miteinander verbunden sind, im Wesentlichen der Querschnittsfläche der Kammern entspricht. Besonders bevorzugt sind die Querschnittsflächen der beiden Kammern in der jeweiligen Hülse im Wesentlichen gleich groß. Dadurch wird ein gleichmäßiger Abbrennvorgang ermöglicht.
Pro Hülse ist jeweils eine Kammer an dem dem Begrenzungselement gegenüberliegenden Ende durch eine Abdeckung verschlossen. Die Hülsen sind aus einem Material gefertigt, das beim Abbrennen des Festbrennstoffs nicht zerstört wird. Die Kammern sind jeweils zum Teil oder komplett mit einem Festbrennstoff ausgefüllt. Pro Hülse ist mindestens ein Zünder derart angeordnet, dass der Festbrennstoff in den Hülsen gleichzeitig oder zeitlich nacheinander gezündet werden kann. Bevorzugt ist eine gleichzeitige Zündung. Die Zünder, beispielsweise konventionelle elektrische Zünder, sind vorzugsweise am Eingang der jeweils offenen Kammer angebracht.
Durch die Aufteilung des von der Hülse umschlossenen Volumens in zwei Kammern lässt sich die Dauer des Abbrennvorgangs verlängern. Im Vergleich zu einem Gasgenerator mit Hülse ohne Trennwand verringert sich bei Einsatz desselben Festbrennstoffs die Intensität der Druckentwicklung. Ein Gasgenerator dieser Art kann daher vorteilhaft eingesetzt werden, wenn der Perforationsbereich des Förderhorizonts schonend behandelt werden soll. Vorzugsweise wird dieser Gasgenerator eingesetzt, wenn der verwendete Brennstoff eine hohe Abbrenngeschwindigkeit aufweist oder große Gasvolumina beim Abbrennen freigesetzt werden.
In einer weiteren Ausführungsform umfasst der erfindungsgemäße Gasgenerator weiterhin ein erstes Endanschlagelement und ein zweites Endanschlagelement, die beide fest mit dem Tragelement verbunden sind. Bei dieser Ausführungsform sind die Begrenzungselemente axial verschiebbar an dem Tragelement in axialer Richtung zwischen den Endanschlagelementen angebracht. Gegebenenfalls an den Begrenzungselementen angebrachte Hülsen und Ladungspakete sind dabei ebenfalls axial verschiebbar ausgestaltet
In einer bevorzugten Ausgestaltung dieser Ausführungsform umfasst der Gasgenerator zwei Ladungspakete sowie zwei Hülsen, die die Ladungspakete in radialer Richtung vollständig umschließen. Die Hülsen sind jeweils mit einem Begrenzungselement gasdicht verbunden. Die axiale Ausdehnung der Hülsen ist mindestens so groß wie die der Ladungspakete. Die Begrenzungselemente und Hülsen werden auf dem Tragelement so angebracht, dass zwischen den einander zugewandten Enden der Hülsen kein oder nur ein geringfügiger Abstand besteht. Besonders bevorzugt ist eine Anordnung, bei der kein Abstand besteht. Die Hülsen sind an den einander zugewandten Enden miteinander derart verbunden, dass bei einer Zündung der Ladungspakete der entstehende Druck ausreicht, dass sich die beiden Hülsen voneinander trennen. Eine derartige Verbindung kann beispielsweise durch eine Punktschweißung erfolgen. Eine weitere Möglichkeit stellt ein Verbindungselement dar, das aufgrund seiner Materialeigenschaften oder Materialstärke bei einem definierten Druck versagt, sodass die Verbindung gelöst wird, beispielsweise in Form eines dünnen Befestigungsrings. Ein derartiger Befestigungsring kann beispielsweise aus einem Gummi oder Kunststoff gefertigt sein und kraftschlüssig, formschlüssig und/oder stoffschlüssig mit den Hülsen verbunden sein.
Bei dieser Ausführungsform kommt es nach der Zündung aufgrund des ansteigenden Drucks zu einer Relativbewegung der beiden Ladungspakete in ihren Hülsen. Sie bewegen sich, abhängig von der durch den Abbrand der Ladungspakete bedingten Druckentwicklung, in axialer Richtung entlang des Tragelements voneinander weg, bis die Begrenzungselemente ihre jeweiligen Endanschlagelemente erreichen. Ein Vorteil dieses erfindungsgemäßen Gasgenerators besteht darin, dass die Ladungspakete vor dem Einbringen in das Bohrloch hermetisch abgedichtet werden können, sodass eine gegebenenfalls in dem Bohrloch vorhandene Flüssigkeit oder aggressive Medien nicht vor der Zündung an die Ladungspakete gelangen können. Ein weiterer Vorteil ist darin zu sehen, dass der Festbrennstoff in den Ladungspaketen weitgehend vor Hitze geschützt ist, was insbesondere bei tiefen Bohrungen vorteilhaft ist, bei denen üblicherweise Temperaturen von ca. 150°C erreicht werden. Aufgrund der konstruktiven Gestaltung dieser Ausführungsform können Festbrennstoffe verwendet werden, die bei gehäuselosen Gasgeneratoren unter denselben Einsatzbedingungen nicht möglich wären. Somit vergrößert sich die Auswahl an einsetzbaren Festbrennstoffen.
Bevorzugt weisen die beiden Begrenzungselemente einen kreisförmigen Querschnitt auf, wobei der Durchmesser von 70 bis 95 %, besonders bevorzugt von 75 bis 90 %, insbesondere von 80 bis 85 % des Bohrlochdurchmessers beträgt. Als relevanter Bohrlochdurchmesser ist der kleinste Durchmesser vom Eingang des Bohrlochs an der Erdoberfläche bis in den Perforationsbereich, in dem der Gasgenerator eingesetzt werden soll, anzusehen. Bei einer streng zylindrischen Bohrung ist der Bohrlochdurchmesser in axialer Richtung im Wesentlichen identisch, bei einer konischen Bohrung nimmt er üblicherweise vom Bohrlocheingang nach unten ab, insbesondere bei tiefen Bohrungen.
Die Wahl des Querschnitts in den bevorzugten Bereichen hat den Vorteil, dass einerseits die Vorrichtung einfach durch Absenken in ein Bohrloch eingebracht werden kann, und andererseits die Druckausbreitung aufgrund der Gasentwicklung beim Abbrennen der Ladungspakete größtenteils auf den Raum zwischen den beiden Begrenzungselementen begrenzt wird. Bei einem größeren Durchmesser der Begrenzungselemente besteht die Gefahr des Verkantens des Gasgenerators beim Absenken in das Bohrloch. Bei einem kleineren Durchmesser wird der Ringspalt zwischen Begrenzungselement und Bohrlochwand so groß, dass signifikante Mengen an Gas durch den Ringspalt entweichen, wodurch der Druck im Raum zwischen den Begrenzungselementen niedrigere Werte annimmt.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform eines Gasgenerators mit zwei Ladungspaketen ist in axialer Richtung zwischen den Ladungspaketen ein Behälter vorgesehen, der mindestens eine Flüssigkeit enthält, die geeignet ist, die Permeabilität des Gesteins im Perforationsbereich zu erhöhen. Ein Beispiel für eine derartige Flüssigkeit ist Salzsäure in wässriger Lösung. Der Behälter ist bei der Montage des Gasgenerators sowie während dessen Einbringens in die Bohrung verschlossen. Er ist derart konstruiert, dass er nach der Zündung der Ladungspakete aufgrund des sich entwickelnden Drucks zerstört wird und die in ihm enthaltene Flüssigkeit freigibt. Diese wird durch den Druck in die Perforationsöffnungen gepresst und trägt dort zu einer Verbesserung der Permeabilität des Gesteins bei.
Der erfindungsgemäße Gasgenerator kann vorab gefertigt und in komplettiertem Zustand an das Bohrloch transportiert werden. Er kann aber auch vor Ort vor dem Einbringen in das Bohrloch aus vorgefertigten Einzelteilen zusammengesetzt werden. Diese Vorgehensweise bietet sich insbesondere für die gehäuselosen Varianten an. Beispielsweise kann in einem solchen Fall zunächst das zweite, in axialer Richtung untere Begrenzungselement mittels eines Befestigungselements mit dem Tragelement verbunden werden. Anschließend können die einzelnen Ladungseinheiten auf dem Tragelement angeordnet werden, indem das Tragelement durch die axialen Aussparungen geführt wird. An der vorgesehenen Stelle können ein Zünder an einer Ladungseinheit montiert und die Leitungen für den Zünder durch einen Hohlraum des Tragelements nach oben geführt werden. Abschließend kann das erste Begrenzungselement auf die oberste Ladungseinheit gelegt und mittels eines weiteren Befestigungselements fest mit dem Tragelement verbunden werden. Der fertig gestellte Gasgenerator wird üblicherweise über eine Aufhängung am sogenannten Logging-Kabel befestigt und in die Bohrung eingebracht.
In einer bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens zur Bohrlochstimulation wird ein erfindungsgemäßer Gasgenerator in ein Bohrloch eingebracht und so positioniert, dass sich der Bereich des Gasgenerators, in dem nach Zündung der Ladungspakete der überwiegende Gasaustritt stattfindet, in Höhe des Perforationsbereichs der Bohrung befindet.
Bei einer weiterhin bevorzugten Ausführungsform wird ein Gasgenerator eingesetzt, der in axialer Richtung einen Zwischenraum zwischen den Ladungspaketen aufweist. Bevor die Ladungspakete gleichzeitig gezündet werden, wird der Zwischenraum zwischen den Ladungspaketen im Bohrloch mit einer Flüssigkeit gefüllt. Besonders bevorzugt handelt es sich bei dieser Flüssigkeit um Wasser. Häufig ist ein Bohrloch ohnehin mit Lagerstättenwasser gefüllt, sodass das Füllen des Zwischenraumes automatisch beim Eintauchen des Gasgenerators in den Perforationsbereich vonstatten geht. In anderen Fällen, in denen im Perforationsbereich kein oder nicht genügend Wasser vorliegt, kann durch das Bohrloch eine Flüssigkeit aufgegeben werden, um den Zwischenraum des Gasgenerators zu füllen. Nach Zündung der Ladungspakete wird die im Zwischenraum befindliche Flüssigkeit aufgrund der Druckentwicklung komprimiert und in die Perforationsöffnungen gepresst. Die Erweiterung der Perforationskanäle wird dadurch unterstützt.
Bei einer bevorzugten Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird vor der Zündung der Ladungspakete der Absolutdruck der Flüssigkeit im Bohrloch erhöht. Eine Druckerhöhung kann beispielsweise dadurch erfolgen, dass kurz vor der Zündung der Ladungspakete in das Bohrloch solange eine Flüssigkeit, z.B. Wasser, aufgegeben wird, bis der gewünschte Druck im Perforationsbereich erreicht ist. Diese Vorgehensweise wird bevorzugt angewandt, wenn der Nahbereich des Gesteins um die Bohrung wenig permeabel ist. In diesem Fall ist der maximal zu erreichende Druck im Perforationsbereich begrenzt durch die Hydrostatik der Flüssigkeitssäule im Bohrloch.
Der erfindungsgemäße Gasgenerator ermöglicht es, Perforationsöffnungen in einem Förderhorizont gezielt zu erweitern ohne dabei die Auskleidung der Bohrung zu schädigen. Dies trägt zu einer Erhöhung der Sicherheit bei, insbesondere bei geologisch schwierigen Bedingungen wie hohen Lagerstättentemperaturen. Durch den Abbrand der Festbrennstoff-Ladungen in Richtung der Begrenzungselemente wird in einem begrenzten Raum ein hoher Druck aufrechterhalten, was dazu führt, dass vorhandene Perforationsöffnungen erweitert oder neue gebildet werden. Das Verfahren kann auch auf Gaslagerstätten mit geringer Permeabilität eingesetzt werden, oder in Fällen, in denen Wasser führende Schichten oder andere Faktoren die Anwendung des bekannten Hydrofracings einschränken.
Ist im Bereich der Perforationsöffnungen Wasser vorhanden, bewirkt der Abbrand des Festbrennstoffs in beide Richtungen eine Kompression des Wasservolumens, das sich zwischen den Ladungen befindet. Im Perforationsbereich entsteht dadurch ein Druck, der den des Hydrofracings übersteigt. Hierdurch entstehen Risse in einem Umfeld von mehreren Metern von der Bohrung. Dieser positive Effekt kann noch gesteigert werden, indem vor der Zündung der Ladungen der Wasserdruck in der Bohrung erhöht wird. Das erfindungsgemäße Verfahren trägt somit zur Effizienzsteigerung und Produktivitätssteigerung bei und kann sowohl bei Injektionsbohrungen als auch bei Produktionsbohrungen vorteilhaft eingesetzt werden.
Der erfindungsgemäße Gasgenerator zeichnet sich durch eine einfache Konstruktion aus, die kostengünstig herzustellen ist. Wesentliche Teile wie das Tragelement und die Begrenzungselemente sowie gegebenenfalls die Hülsen sind aufgrund ihrer Materialeigenschaften zur Wiederverwendung geeignet, was ebenfalls zu Kosteneinsparungen beiträgt.
Anhand der Zeichnungen wird im Folgenden die Erfindung weiter erläutert, wobei die Zeichnungen als Prinzipdarstellungen zu verstehen sind. Sie stellen keine Beschränkung der Erfindung, beispielsweise im Hinblick auf konkrete Abmessungen oder Ausgestaltungsvarianten von Bauteilen dar. Der besseren Darstellbarkeit halber sind sie insbesondere im Hinblick auf Längen- und Breitenverhältnisse in der Regel nicht maßstäblich. Es zeigen:

Fig. 1:: Ausführungsform eines erfindungsgemäßen gehäuselosen Gasgenerators
Fig. 2:: erfindungsgemäßer gehäuseloser Gasgenerator während des Abbrennvorgangs
Fig. 3:: Ausführungsform eines erfindungsgemäßen gehäuselosen Gasgenerators mit unterschiedlichen Durchmessern benachbarter Ladungseinheiten
Fig. 4:: Ausführungsform eines erfindungsgemäßen gehäuselosen Gasgenerators mit voneinander beabstandeten Ladungspaketen
Fig. 5:: Ausführungsform eines erfindungsgemäßen gehäuselosen Gasgenerators mit Dichtungspackung
Fig. 6:: erfindungsgemäßer gehäuseloser Gasgenerator mit Dichtungspackung während des Abbrennvorgangs
Fig. 7:: Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Gasgenerators mit Gehäuse
Fig. 8:: erfindungsgemäßer Gasgenerator mit Gehäuse während des Abbrennvorgangs
Fig. 9:: Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Gasgenerators mit Gehäuse und Druckkolben
Fig. 10:: Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Gasgenerators mit Gehäuse und Druckkolben mit konkaver Stirnseite während des Abbrennvorgangs
Fig. 11:: Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Gasgenerators mit Gehäuse und vor der Zündung geschlossener Außenhülle
Fig. 12:: Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Gasgenerators mit Gehäuse und Trennwand in dem Gehäuse
Fig. 13:: erfindungsgemäßer Gasgenerator mit Gehäuse und Trennwand während des Abbrennvorgangs
Fig. 14:: Querschnitte zu der Ausführungsform gemäß Fig. 12 und 13

Liste der verwendeten Bezugszeichen

10 ... Bohrung
11 ... Auskleidung
12 ... Perforationsöffnungen
13 ... Innenwand der Auskleidung
14 ... Perforationskanäle
15 ... Förderhorizont
20 ... Logging-Kabel
21 ... Aufhängung des Tragelements
22 ... Tragelement
23 ... erstes Begrenzungselement
24 ... erstes Befestigungselement
25 ... zweites Begrenzungselement
26 ... zweites Befestigungselement
27 ... erstes Fixierelement
28 ... zweites Fixierelement
29 ... zusätzliches Begrenzungselement
30 ... Ladungspaket
31 ... Ladungseinheit
32 ... Ringummantelung um Ladungseinheit
33 ... Festbrennstoff-Füllung
40 ... Zünder
51 ... erste Hülse
52 ... zweite Hülse
53 ... Verbindung zwischen den Hülsen
54 ... Trennwand der ersten Hülse
55 ... Trennwand der zweiten Hülse
56 ... Abdeckung der ersten Hülse
57 ... Abdeckung der zweiten Hülse
61 ... erster Druckkolben
62 ... zweiter Druckkolben
70 ... Dichtungspackung

Strukturell ähnliche Elemente, die in einer Ausführungsform mehrfach enthalten sind, werden mit denselben Bezugszeichen und angehängten Buchstaben unterschieden, beispielsweise Ladungspakete 30a und 30b, Ladungseinheiten 31 a bis 31 i, Festbrennstoff-Füllungen 33a bis 33d, Zünder 40a und 40b.
Die Fig. 1 bis 9 stellen schematische Schnittzeichnungen einer Bohrung 10 in einer unterirdischen Lagerstätte dar. Die Bohrung 10 ist mit einer Auskleidung 11 versehen, beispielsweise einem Stahlrohr. Die Auskleidung 11 verhindert, dass an die Bohrung angrenzendes loses Gestein in das Bohrloch fällt und üblicherweise unter Druck stehende Formationsfluide wie Formationswasser in großen Mengen in die Bohrung durchbrechen. Die Auskleidung 11 weist mehrere Perforationsöffnungen 12 auf. Durch bekannte Verfahren wie Kugelperforation oder Jetperforation wurden Perforationskanäle 14 im Förderhorizont 15 erzeugt. Über die Perforationskanäle 14 strömen zu fördernde Fluide, z.B. Erdgas oder Erdöl, durch die Perforationsöffnungen 12 in die Bohrung und können an die Oberfläche gefördert werden.
Die Innenwand 13 der Auskleidung 11 ist zylindrisch oder stufenweise zylindrisch ausgestaltet mit einem kreisrunden Querschnitt. Bei einer stufenweise zylindrischen Ausgestaltung verringert sich der Durchmesser des kreisrunden Querschnitts stufenweise in axialer Richtung nach unten. Das Tragelement 22 des Gasgenerators ist über eine Aufhängung 21 mit dem Logging-Kabel 20 verbunden, das über eine Winde an der Oberfläche bewegt werden kann. Letztere ist in den Abbildungen nicht dargestellt, entsprechende Vorrichtungen sind dem Fachmann bekannt.
Fig. 1 zeigt eine Ausführungsform eines erfindungsgemäßen gehäuselosen Gasgenerators. An dem Tragelement 22 ist eine Scheibe als erstes Begrenzungselement 23 über ein erstes Befestigungselement 24 fest angebracht. Am unteren Ende des Tragelements 22 ist eine weitere Scheibe als zweites Begrenzungselement 25 über ein zweites Befestigungselement 26 fest angebracht. Zwischen den beiden Begrenzungselementen 23, 25 ist ein Ladungspaket 30 angeordnet, das in der Fig. 1 aus vier einzelnen Ladungseinheiten 31 a, 31 b, 31 c und 31 d zusammengesetzt ist. Die Ladungseinheiten sind als Zylinder mit einer axialen Aussparung ausgestaltet, durch die das Tragelement 22 geführt ist. In axialer Richtung mittig ist ein Zünder 40 vorgesehen, der bei Zündung die benachbarten Ladungseinheiten 31 b und 31 c zum Abbrennen bringt.
Die axiale Ausdehnung des Förderhorizonts 15 hängt von den geologischen Verhältnissen ab und liegt typischerweise in einem Bereich von 1 bis 30 m, wobei auch Ausdehnungen von weniger als 1 m oder mehr als 30 m möglich sind. Fig. 1 stellt eine bevorzugte Ausführungsform eines Gasgenerators dar, bei dem die Länge des Ladungspakets 30 größer ist als die axiale Ausdehnung des Förderhorizonts 15. Der Gasgenerator ist so angeordnet, dass der Punkt, der in axialer Richtung mittig zwischen den beiden Begrenzungselementen 23 und 25 liegt, in etwa der Mitte der axialen Ausdehnung der Perforationsöffnungen 12 entspricht. Bei Förderhorizonten mit einer axialen Ausdehnung des Perforationsbereichs von mehr als 20 m kann es aus Gründen der Handhabung beim Zusammenbau und dem Einbringen in das Bohrloch sinnvoll sein, Gasgeneratoren einzusetzen, bei denen die Länge des Ladungspakets geringer ist als die axiale Ausdehnung des Förderhorizonts. In einem solchen Fall würde der Förderhorizont abschnittsweise behandelt.
Wird das Ladungspaket gezündet, so brennen die Ladungseinheiten von der Mitte her nach oben und unten in Richtung der Begrenzungselemente 23, 25 ab. Diese Situation stellt Fig. 2 schematisch dar. Durch das Abbrennen entsteht eine große Menge an Gas, das sich in alle Richtungen ausbreitet. Dadurch, dass die Ringspalte zwischen dem jeweiligen Begrenzungselement 23, 25 und der Innenwand 13 der Auskleidung 11 eng sind und nur wenig Gas durchlassen, drückt das Gas in die bereits bestehenden Perforationskanäle 14. Diese werden dadurch geweitet und von Ablagerungen gereinigt. Je nach Höhe des Drucks und den Eigenschaften des Gesteins bilden sich auch neue Kanäle oder bestehende Kanäle verästeln sich. Die Abbrenndauer der Ladungseinheiten hängt von der chemischen Zusammensetzung der konkret eingesetzten Festbrennstoffe und der Gesamtlänge des Ladungspakets ab. Sie kann zwischen einigen Sekunden und mehreren Minuten variieren. Bei der Auslegung der Ladungspakete ist häufig ein Kompromiss erforderlich zwischen einem schnellen, effizienten Abbrennen einerseits und der weitgehenden Vermeidung einer Schädigung der Bohrung oder ihrer Auskleidung aufgrund zu hoher Druckentwicklung andererseits.
Der Verlauf der Druckentwicklung während des Abbrennens kann dadurch beeinflusst werden, dass mehrere Ladungseinheiten mit unterschiedlichen Durchmessern eingesetzt werden. Fig. 3 zeigt ein derartiges Beispiel, bei dem neun Ladungseinheiten 31 a bis 31 i zwischen zwei Begrenzungselementen 23, 25 angeordnet sind. Die Ladungseinheiten 31 weisen unterschiedliche Durchmesser und Längen in axialer Richtung auf. Im konkreten Beispiel sind die Ladungseinheiten zur mittleren Ladungseinheit 31 e in axialer Richtung symmetrisch, d.h. die Ladungseinheiten 31 a und 31 i, 31b und 31 h, 31 c und 31 g sowie 31 d und 31f sind jeweils paarweise identisch ausgestaltet. Der Zünder 40 ist mittig in der Ladungseinheit 31 e angebracht. Nach Zündung brennen die Ladungseinheiten wie im Beispiel der Fig. 2 gezeigt von der Mitte ausgehend nach außen in Richtung der Begrenzungselemente 23, 25 ab. Das Abbrennen von Ladungseinheiten mit geringerem Durchmesser erzeugt eine geringere Gasmenge und somit einen geringeren Druck als das Abbrennen von Ladungseinheiten mit größerem Durchmesser. Dadurch können gezielt Druckpulsationen erzeugt werden. Die Ringummantelungen 32b bis 32h verstärken diesen Effekt.
Die Druckstöße der Gase bewirken eine Resonanzschwingung im Perforationsbereich des Förderhorizonts, was die Relaxation der Zonen mit höherem Gebirgsdruck im Förderhorizont, das Öffnen der Risse und eine Verbesserung der Permeabilität im Bohrlochbereich begünstigt. Durch Auswahl der Parameter wie Durchmesser und Länge der Ladungseinheiten sowie ihrer Anordnung in axialer Richtung zwischen den Begrenzungselementen kann das stoßweise Abbrennen der Ladungen optimiert werden.
Fig. 4 illustriert einen erfindungsgemäßen Gasgenerators mit voneinander beabstandeten Ladungspaketen 30a und 30b. Ein erstes Ladungspaket 30a, das in diesem Beispiel aus nur einer Ladungseinheit besteht, ist zwischen dem ersten Begrenzungselement 23 und einem ersten Fixierelement 27 angeordnet. Ein zweites Ladungspaket 30b, das ebenfalls aus nur einer Ladungseinheit besteht, ist zwischen dem zweiten Begrenzungselement 25 und einem zweiten Fixierelement 28 angeordnet. Die Fixierelemente 27, 28 sind an dem Tragelement 22 befestigt und dienen dazu, die Ladungspakete gegen Herausfallen oder Verrutschen entlang des Tragelements 22 zu sichern. Sie sind aus einem Material gefertigt, das sich beim Abbrennen der Ladungen zersetzt, beispielsweise aus einem Kunststoff wie Polyethylen, Polypropylen oder Polyamid. Sie können auch aus einem Brennstoff gefertigt sein, beispielsweise einem brennbaren Kunststoff.
Der axiale Abstand zwischen den Fixierelementen 27 und 28 wird bevorzugt so gewählt, dass er nicht größer ist als die axiale Ausdehnung des Perforationsbereichs im Förderhorizont. Der Gasgenerator wird vorzugsweise derart in dem Bohrloch platziert, dass sich die Perforationsöffnungen im Bereich des Zwischenraumes zwischen den Fixierelementen 27, 28 und somit nicht im direkten Einflussbereich der Ladungspakete befinden. Jedes Ladungspaket 30a, 30b ist mit einem eigenen Zünder 40a, 40b versehen, die signaltechnisch derart verbunden sind, dass sie gleichzeitig gezündet werden können. Nach gleichzeitiger Zündung beider Ladungspakete brennen diese in Richtung der jeweiligen Begrenzungselemente 23, 25 ab, sodass sich ein Abbrennvorgang einstellt, der dem in Fig. 2 dargestellten gleicht. Durch die Druckentwicklung weiten sich bestehende Perforationskanäle oder es bilden sich neue. Dieser Effekt kann verstärkt werden, wenn sich in dem Zwischenraum zwischen den Ladungspaketen eine Flüssigkeit, beispielsweise Wasser, befindet, die durch den sich entwickelnden Druck in die Perforationsöffnungen im Förderhorizont gepresst wird.
In Fig. 5 und Fig. 6 sind Ausführungsformen eines erfindungsgemäßen Gasgenerators mit einer Dichtungspackung dargestellt, wobei aus Gründen der Übersichtlichkeit jeweils nur der obere Teil des Gasgenerators abgebildet ist. Fig. 5 stellt die Situation vor der Zündung dar. Auf dem Ladungspaket 30 ist das erste Begrenzungselement 23 angebracht, das in diesem Beispiel als zylindrische Scheibe gestaltet ist und dessen Außendurchmesser größer als der Außendurchmesser des Ladungspakets 30 ist. Oberhalb des ersten Begrenzungselements 23 ist eine Dichtungspackung 70 angeordnet, die einen fließfähigen Feststoff enthält, beispielsweise gepressten Sand. Oben auf der Dichtungspackung 70 befindet sich ein zusätzliches Begrenzungselement 29, das ebenfalls als zylindrische Scheibe gestaltet ist. Dieses ist mittels des ersten Befestigungselements 24 fest mit dem Tragelement 22 verbunden.
Fig. 6 zeigt die Situation während des Abbrennvorgangs des Ladungspakets 30. In diesem Beispiel sind das erste Begrenzungselement 23 sowie das zusätzliche Begrenzungselement 29 in Form eines Kegelstumpfes gefertigt, beispielsweise aus massivem hochfestem Stahl. Das Ladungspaket 30 und das erste Begrenzungselement 23 sind in axialer Richtung beweglich an dem Tragelement 22 angebracht. Nach Zündung des Ladungspakets 30 brennt dieses ab, wobei Gas entsteht. Aufgrund der damit verbundenen Druckerhöhung bewegt sich das Ladungspaket 30 mit dem ersten Begrenzungselement 23 in Richtung des zusätzlichen Begrenzungselements 29. Dabei wird die Dichtungspackung 70 in axialer Richtung komprimiert, was zur Folge hat, dass der fließfähige Feststoff radial zur Seite ausweicht. Der Feststoff wird auch in die Ringräume zwischen den Begrenzungselementen 23, 29 und der Innenwand der Bohrung gedrückt, was durch die gestrichelten Pfeile in Fig. 6 angedeutet wird. Aufgrund der Reibung des Feststoffes und der Gestaltung der Begrenzungselemente 23, 29 wird ein Ausfließen des Feststoffes in Richtung des Ladungspakets 30 bzw. nach oben über das zusätzliche Begrenzungselement 29 hinaus weitgehend vermieden.
Der fließfähige Feststoff füllt den gesamten Querschnitt des Bohrlochs aus und bildet dadurch eine Dichtung, die das entstehende Gas daran hindert, aus dem Raum um das Ladungspaket 30 zu entweichen. Der Einsatz einer Dichtungspackung 70 trägt somit zu einer Druckerhöhung während des Abbrennens des Festbrennstoffs bei, was sich vorteilhaft auf die Effizienz der Bohrlochstimulation auswirkt.
Fig. 7 zeigt eine erste Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Gasgenerators mit Gehäuse. Ein Ladungspaket mit drei Ladungseinheiten 31 a, 31 b, 31 c ist zwischen dem erstem Begrenzungselement 23 und dem zweiten Begrenzungselement 25 angeordnet. Mittig in der mittleren Ladungseinheit 31 b befindet sich ein Zünder 40 zum Zünden des Ladungspakets. Eine erste zylindrische Hülse 51 umschließt das Ladungspaket in radialer Richtung vollständig. Sie ist derart befestigt, dass sie in axialer Richtung gasdicht mit dem ersten Begrenzungselement 23 abschließt. Eine zweite zylindrische Hülse 52 umschließt das Ladungspaket auf der gegenüberliegenden Seite in radialer Richtung vollständig. Sie ist derart befestigt, dass sie in axialer Richtung gasdicht mit dem zweiten Begrenzungselement 25 abschließt. Die beiden nicht geschlossenen Enden der ersten Hülse 51 und der zweiten Hülse 52 sind einander zugewandt. Die Hülsen 51, 52 sind aus einem Material gefertigt, das beim Abbrennen des Ladungspakets nicht zerstört wird, beispielsweise aus einem hochfesten zähen Stahl.
In der Ausführungsform gemäß Fig. 7 sind die beiden offenen Enden in axialer Richtung voneinander beabstandet, sodass ein Zwischenraum entsteht, in dem das Ladungspaket in radialer Richtung nicht von einer Hülse umfasst ist. Vor der Zündung des Ladungspakets wird der Gasgenerator vorteilhaft derart in der Bohrung platziert, dass in axialer Richtung die Mitte des Zwischenraums zwischen den offenen Enden der Hülsen 51, 52 in etwa der Mitte des Bereichs der Perforationskanäle 14 des Förderhorizonts 15 entspricht. In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung entspricht die Länge des Zwischenraums zwischen den offenen Enden der Hülsen 51, 52 im Wesentlichen der Länge des Bereichs der Perforationskanäle 14 des Förderhorizonts 15.
Nach der Zündung brennen die Ladungseinheiten ausgehend vom Zünder 40 jeweils in Richtung der Begrenzungselemente 23, 25 ab, vergleichbar der Darstellung in Fig. 2. Der Unterschied zu der oben beschriebenen gehäuselosen Ausführungsform besteht darin, dass durch die Hülsen 51, 52 die Gasentwicklung auf den Zwischenraum zwischen den Hülsen konzentriert wird. Dies wird durch die Darstellung in Fig. 8 illustriert. Durch die örtliche Konzentration auf diesen Bereich kann ein konstant höheres Druckniveau über die Abbrenndauer erzielt werden. Die örtliche Konzentration bewirkt überdies, dass die Bohrung bzw. ihre Auskleidung nur begrenzt den hohen Drücken ausgesetzt ist und die übrigen Bereiche, z.B. außerhalb des Perforationsbereichs, vor einer möglichen Schädigung geschützt sind.
In Fig. 9 ist eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen Gasgenerators mit Gehäuse und Druckkolben dargestellt. Ein erstes Begrenzungselement 23 ist mit einer ersten Hülse 51 gasdicht verbunden und an dem Tragelement 22 befestigt. im Inneren der ersten Hülse 51 befindet sich ein erstes Ladungspaket 30a, das an seinem unteren Ende mit einem Zünder 40a versehen ist. Weiterhin ist in der Hülse 51 ein erster Druckkolben 61 angeordnet, dessen oberes Ende bis an das Ladungspaket 30a heranreicht und der entlang des Tragelements 22 beweglich ist. In axialer Richtung ragt der Druckkolben 61 über das offene Ende der Hülse 51 hinaus. Der Außendurchmesser des Druckkolbens 61 ist in diesem Bereich größer als der Außendurchmesser der Hülse 51. Analog ist ein zweiter Druckkolben 62 in einer zweiten Hülse 52 beweglich angebracht. Die Stirnseiten der beiden Druckkolben 61, 62 sind voneinander beabstandet, wobei der konkrete Abstand in Abhängigkeit des Perforationsbereiches gewählt wird.
Fig. 10 zeigt eine weitere Ausführungsform des erfindungsgemäßen Gasgenerators mit Gehäuse und Druckkolben in einem Zustand nach der Zündung der Ladungspakete. Im Unterschied zur Ausführungsform gemäß Fig. 9 sind die Stirnseiten in diesem Beispiel konkav ausgebildet. Aufgrund der Gasentwicklung während des Abbrennvorgangs werden die Druckkolben 61, 62 in Richtung des offenen Endes der jeweiligen Hülse 51, 52 gedrückt. Der Zwischenraum zwischen den Stirnseiten ist mit einer Flüssigkeit gefüllt. Häufig ist bereits eine Flüssigkeit in der Bohrung vorhanden, bevor der Gasgenerator eingebracht wird, z.B. im Fall von Lagerstättenwasser. Falls keine oder nicht genügend Flüssigkeit vorhanden ist, kann sie auch über das Bohrloch eingefüllt werden. Über die beiden Druckkolben 61, 62 werden Druckwellen erzeugt, die im Zwischenraum kollidieren und Druckwellen auslösen, die sich in die Perforationskanäle 14 erstrecken. Diese Art der Bohrlochstimulation ist sehr effektiv im Hinblick auf die Erweiterung und Neubildung von Perforationskanälen 14.
Fig. 11 zeigt eine weitere Ausführungsform des erfindungsgemäßen Gasgenerators mit Gehäuse. Das erste Begrenzungselement 23 ist gasdicht mit einer ersten Hülse 51 verbunden. Die Hülse 51 umschließt ein erstes Ladungspaket, das im dargestellten Beispiel zwei Ladungseinheiten 31 a, 31 b umfasst. Das zweite Begrenzungselement 25 ist gasdicht mit einer zweiten Hülse 52 verbunden. Diese umschließt ein zweites Ladungspaket, das ebenfalls zwei Ladungseinheiten 31 c, 31 d umfasst. Hülsen 51, 52 und Ladungseinheiten 31 a, 31 b, 31 c, 31 d sind so dimensioniert, dass zwischen den offenen Enden der Hülsen nur ein geringer Abstand besteht. Die einander gegenüberliegenden Ladungseinheiten 31 b und 31 c der beiden Ladungspakete können voneinander beabstandet sein oder sich berühren. Sie sind allerdings nicht fest miteinander verbunden.
Über den Zwischenraum zwischen den offenen Enden sind die beiden Hülsen 51, 52 aneinander befestigt. Die Verbindung 53 zwischen den Hülsen kann beispielsweise durch eine Punktverschweißung erfolgen. Die Verbindung 53 kann auch durch ein Verbindungselement sichergestellt werden, das aufgrund seiner Materialeigenschaften oder Materialstärke bei einem definierten Druck versagt, sodass die Verbindung gelöst wird. Ein Beispiel hierfür ist ein dünner Befestigungsring, der aus einem Gummi oder Kunststoff gefertigt und kraftschlüssig, formschlüssig und/oder stoffschlüssig mit den Hülsen verbunden sein kann.
Im Unterschied zu der Ausführungsform gemäß Fig. 7 sind im vorliegenden Fall die Begrenzungselemente 23, 25 in der Ausgangsposition nicht mit ihren jeweiligen Befestigungselementen 24, 26 im Kontakt. Die Begrenzungselemente 23, 25 mit den daran befestigten Hülsen und Ladungspaketen sind beweglich an dem Tragelement 22 angebracht. Dies kann beispielsweise erreicht werden durch Klemmen an den Begrenzungselementen 23, 25, die eine bestimmte Haltekraft aufbringen. Die Haltekraft wird so gewählt, dass sie ausreicht, ein Verrutschen während des Einbringens des Gasgenerators in das Bohrloch zu verhindern, aber nicht ausreicht, dem Druck während des Abbrennvorgangs standzuhalten.
Der Zünder 40 ist so angeordnet, dass bei Zündung sowohl das erste als auch das zweite Ladungspaket gezündet werden. Nach der Zündung wird durch die Gasentwicklung und den dadurch hervorgerufenen Druckanstieg die Verbindung 53 zerstört, und die beiden Ladungspakete in ihren Hülsen bewegen sich axial entlang des Tragelements 22 in Richtung ihrer jeweiligen Befestigungselemente 24, 26. Diese dienen als Endanschläge, die die Bewegungen der Ladungspakete stoppen und den Abstand zwischen den Hülsen auf ein vorbestimmtes Maß begrenzen. Die Befestigungselemente 24, 26 werden vorteilhaft so angeordnet, dass der Abstand zwischen den offenen Enden der Hülsen nicht größer ist als der Perforationsbereich.
In der Ausgangsposition vor der Zündung wird der Gasgenerator so im Bohrloch platziert, dass sich nach der Auseinanderbewegung der Ladungspakete die Mitte des Zwischenraums zwischen den Hülsen 51, 52 in axialer Richtung in etwa mittig im Bereich der Perforationskanäle 14 des Förderhorizonts 15 befindet. Die Situation des weiteren Abbrennens der Ladungspakete entspricht der in Fig. 8 gezeigten.
Die Ausführungsform gemäß Fig. 11 kann vorteilhaft eingesetzt werden, wenn die Ladungspakete vor äußeren Einflüssen geschützt werden sollen, die sie schädigen könnten, beispielsweise in der Bohrung vorhandene aggressive Wässer oder hohe Temperaturen in heißen Bohrungen. Für den Einsatz in heißen Bohrungen lässt sich der erfindungsgemäße Gasgenerator noch dadurch verbessern, dass die Hülsen in radialer Richtung innen oder außen mit einer Isolierung gegen die Wärmestrahlung versehen werden.
In Fig. 12 ist eine weitere Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Gasgenerators mit Gehäuse dargestellt. An dem ersten Begrenzungselement 23 ist eine erste Hülse 51 gasdicht befestigt. Die Hülse 51 ist in ihrem Inneren mit einer Trennwand 54 versehen, die sich in axialer Richtung vom offenen Ende in Richtung des Begrenzungselements 23 erstreckt und die Hülse in zwei Kammern trennt. Zwischen dem Begrenzungselement 23 und der Trennwand 54 besteht ein Abstand, sodass die Kammern in der Hülse 51 verbunden sind. Der Abstand ist so gewählt, dass die Fläche, über die die Kammern verbunden sind, im Wesentlichen der Querschnittsfläche der einzelnen Kammern entspricht. Die im Beispiel der Fig. 12 dargestellte rechte Kammer der ersten Hülse 51 ist an dem dem Begrenzungselement 23 gegenüber liegenden Ende durch eine Abdeckung 56 verschlossen.
Analog ist an dem zweiten Begrenzungselement 25 eine zweite Hülse 52 gasdicht befestigt. Die Hülse 52 ist in ihrem Inneren mit einer Trennwand 55 versehen, die sich in axialer Richtung vom offenen Ende in Richtung des Begrenzungselements 25 erstreckt und die Hülse in zwei Kammern trennt. Zwischen dem Begrenzungselement 25 und der Trennwand 55 besteht ein Abstand, sodass die Kammern in der Hülse 52 verbunden sind. Der Abstand ist so gewählt, dass die Fläche, über die die Kammern verbunden sind, im Wesentlichen der Querschnittsfläche der einzelnen Kammern entspricht. Die im Beispiel der Fig. 12 dargestellte rechte Kammer der zweiten Hülse 52 ist an dem dem Begrenzungselement 25 gegenüber liegenden Ende durch eine Abdeckung 57 verschlossen. Die halbseitig geschlossenen Enden der ersten Hülse 51 und der zweiten Hülse 52 sind einander zugewandt.
Die Kammern der Hülsen sind mit einem Festbrennstoff ausgefüllt, beispielsweise Ballistitpulver. Wie in den vorgenannten Beispielen sind die Hülsen aus einem Material gefertigt, das beim Abbrennen des Festbrennstoffs nicht zerstört wird. In dem in Fig. 12 dargestellten Beispiel sind die stirnseitig geschlossenen Kammern mit Festbrennstoff-Füllungen 33b, 33d vollständig ausgefüllt. Ebenso sind die stirnseitig offenen Kammern mit Festbrennstoff-Füllungen 33a, 33c vollständig ausgefüllt. In jeder Hülse ist ein Zünder 40a bzw. 40b jeweils an der offenen Seite der Kammer angebracht. Die Zünder 40a, 40b können so angesteuert werden, dass die jeweiligen Festbrennstoff-Füllungen 33a und 33c gleichzeitig oder zeitlich nacheinander gezündet werden.
Nach der Zündung brennen zunächst die Festbrennstoff-Füllungen 33a, 33c in den stirnseitig offenen Kammern in Richtung ihrer jeweiligen Begrenzungselemente 23, 25 ab. Sobald das Ende der jeweiligen Trennwand 54, 55 erreicht ist, werden auch die Festbrennstoff-Füllungen 33b, 33d in den stirnseitig geschlossenen Kammern gezündet und brennen in Richtung der Abdeckungen 56, 57 ab. Fig. 13 stellt schematisch eine Situation dar, in der die Festbrennstoff-Füllungen 33b, 33d in den stirnseitig geschlossenen Kammern bereits zum Teil abgebrannt sind.
In Fig. 14 sind Querschnitte durch die zweite Hülse 52 dargestellt, die in den Fig. 12 und 13 mit A - A bis D - D gekennzeichnet sind. Der Schnitt A - A liegt axial im Bereich des Zwischenraums zwischen der Trennwand 55 und dem zweiten Begrenzungselement 25 und stellt den Zustand vor der Zündung dar, in dem in beiden Kammern der Hülse noch eine Festbrennstoff-Füllung 33c, 33d vorhanden ist. Der Schnitt B - B liegt axial im Bereich der Trennwand, die im vorliegenden Beispiel den Querschnitt der Hülse in zwei gleich große Teile teilt. Schnitt C - C entspricht hinsichtlich der Lage dem Schnitt B - B, allerdings zeigt er die Situation, in der die Festbrennstoff-Füllung 33c der stirnseitig offenen Kammer bereits abgebrannt ist. Schnitt D - D zeigt ebenfalls diese Situation und entspricht in seiner axialen Lage dem Schnitt A - A.

Claims

Vorrichtung zur Bohrlochstimulation umfassend ein Tragelement (22) mit einem ersten Begrenzungselement (23) und einem zweiten Begrenzungselement (25), weiterhin mindestens ein Ladungspaket (30), das eine oder mehrere Ladungseinheiten (31) eines Festbrennstoffes enthält, weiterhin mindestens einen Zünder (40) zum Zünden des mindestens einen Ladungspaketes (31), wobei das Ladungspaket oder die Ladungspakete an dem Tragelement (22) zwischen den Begrenzungselementen (23, 25) angeordnet ist oder sind, dadurch gekennzeichnet, dass die Ladungseinheiten (31) als Zylinder mit einer durchgehenden axialen Aussparung ausgestaltet sind, und das Tragelement (22) als Stange oder Tau ausgebildet und durch die axialen Aussparungen geführt ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei benachbarte Ladungseinheiten (31) unterschiedliche Außendurchmesser aufweisen.
Vorrichtung nach Anspruch 2, wobei die kleineren Außendurchmesser Werte im Bereich von 75% bis 95% des größten Außendurchmessers aufweisen, und die axiale Ausdehnung der Ladungseinheiten mit verringertem Außendurchmesser von 10% bis 50% der axialen Ausdehnung der Ladungseinheiten mit nicht verringertem Außendurchmesser betragen.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei der in axialer Richtung der gesamte Raum zwischen den Begrenzungselementen (23, 25) mit einem Ladungspaket ausgefüllt ist, und der oder die Zünder (40) derart angeordnet ist oder sind, dass bei der Zündung der Abbrand des Ladungspakets (30) in einem in axialer Richtung mittigen Bereich beginnt und sich in Richtung des ersten und zweiten Begrenzungselements (23, 25) fortsetzt.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3 umfassend zwei Ladungspakete (30a, 30b), wobei die beiden Ladungspakete voneinander beabstandet an dem Tragelement (22) angeordnet sind und an oder in jedem Ladungspaket (30a, 30b) mindestens ein Zünder (40a, 40b) vorhanden ist, sodass die Ladungspakete gleichzeitig oder zeitlich nacheinander gezündet werden können.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei die Vorrichtung weiterhin mindestens eine Dichtungspackung (70) aus leicht fließfähigem Feststoff sowie mindestens ein zusätzliches Begrenzungselement (29) umfasst, das in axialer Richtung außerhalb des Zwischenraums zwischen erstem und zweitem Begrenzungselement (23, 25) an dem Tragelement (22) angebracht ist, und wobei die Dichtungspackung (70) zwischen dem zusätzlichen Begrenzungselement (29) und dem ersten und/oder dem zweiten Begrenzungselement (23, 25) angeordnet ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, die weiterhin zwei Hülsen (51, 52) umfasst, die aus einem Material gefertigt sind, das beim Abbrennen der Ladungspakete (30) nicht zerstört wird, wobei die Hülsen in radialer Richtung die Ladungspakete umschlie-βen, die erste Hülse (51) mit einem Ende gasdicht an dem ersten Begrenzungselement (23) angebracht ist, die zweite Hülse (52) mit einem Ende gasdicht an dem zweiten Begrenzungselement (25) angebracht ist, und die jeweils anderen Enden der Hülsen (51, 52) einander zugewandt sind.
Vorrichtung nach Anspruch 7, wobei die beiden offenen Enden der Hülsen (51, 52) voneinander beabstandet sind, weiterhin in beiden Hülsen ein Ladungspaket (30a, 30b) vorhanden ist, das an dem jeweiligen Begrenzungselement (23, 25) anliegt und in axialer Richtung die Hülse nur teilweise ausfüllt, und wobei in jeder Hülse (51, 52) ein Druckkolben (61, 62) in axialer Richtung beweglich angebracht ist, der über das offene Ende der jeweiligen Hülse (51, 52) hinausragt und einen Außendurchmesser aufweist, der größer ist als der Innendurchmesser der jeweiligen Hülse an ihrem offenen Ende.
Vorrichtung zur Bohrlochstimulation umfassend ein als Stange oder Tau ausgebildetes Tragelement (22) mit einem ersten Begrenzungselement (23) und einem zweiten Begrenzungselement (25), dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung weiterhin zwei Hülsen (51, 52) umfasst, die erste Hülse (51) mit einem Ende gasdicht an dem ersten Begrenzungselement (23) angebracht ist, die zweite Hülse (52) mit einem Ende gasdicht an dem zweiten Begrenzungselement (25) angebracht ist, und die jeweils anderen Enden der Hülsen (51, 52) einander zugewandt sind, wobei die Hülsen mit einer Trennwand (54, 55) versehen sind, die sich in axialer Richtung vom offenen Ende in Richtung Begrenzungselement (23, 25) erstreckt und die Hülsen in jeweils zwei Kammern trennt, wobei zwischen dem Begrenzungselement (23, 25) und der Trennwand (54, 55) ein Abstand besteht, sodass die Kammern in jeder Hülse verbunden sind, und wobei jeweils eine der Kammern am dem Begrenzungselement gegenüberliegenden Ende verschlossen ist, wobei weiterhin die Kammern jeweils zum Teil oder komplett mit einem Festbrennstoff ausgefüllt sind, ferner mindestens ein Zünder (40a, 40b) pro Hülse (51, 52) so angeordnet ist, dass der Festbrennstoff in den Hülsen gleichzeitig oder zeitlich nacheinander gezündet werden kann, wobei die Hülsen aus einem Material gefertigt sind, das beim Abbrennen des Festbrennstoffs nicht zerstört wird.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 9, wobei zwischen den einander zugewandten Enden der Hülsen (51, 52) in axialer Richtung ein Abstand besteht, der maximal so groß ist wie die axiale Ausdehnung des Perforationsbereichs in der Bohrung.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, die weiterhin ein erstes Endanschlagelement und ein zweites Endanschlagelement umfasst, die beide fest mit dem Tragelement (22) verbunden sind, wobei die Begrenzungselemente (23, 25) axial verschiebbar an dem Tragelement in axialer Richtung zwischen den Endanschlagelementen angebracht sind.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 11, wobei die Begrenzungselemente (23, 25) jeweils einen kreisförmigen Querschnitt aufweisen, dessen Durchmesser von 70 bis 95 %, bevorzugt von 75 bis 90 %, insbesondere von 80 bis 85 % des Bohrlochdurchmessers beträgt.
Verfahren zur Bohrlochstimulation dadurch gekennzeichnet, dass eine Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 12 in ein Bohrloch eingebracht und so positioniert wird, dass sich der Bereich der Vorrichtung, in dem nach Zündung der Ladungspakete der überwiegende Gasaustritt stattfindet, in Höhe des Perforationsbereichs der Bohrung befindet.
Verfahren nach Anspruch 13, wobei bei einer Vorrichtung mit beabstandeten Ladungspaketen im Zwischenraum zwischen den Ladungspaketen ein Behälter vorgesehen ist, der mindestens eine Flüssigkeit enthält, die geeignet ist, die Permeabilität des Gesteins im Perforationsbereich zu erhöhen, und wobei nach der Zündung der Ladungspakete der Behälter aufgrund des sich entwickelnden Drucks zerstört wird und die Flüssigkeit freigibt.
Verfahren nach Anspruch 13 oder 14, wobei vor der Zündung der Ladungspakete der Absolutdruck der Flüssigkeit im Bohrloch erhöht wird.