EP2932026B1 - Vorrichtung und verfahren zur bohrlochstimulation - Google Patents

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EP2932026B1
EP2932026B1 EP13799529.6A EP13799529A EP2932026B1 EP 2932026 B1 EP2932026 B1 EP 2932026B1 EP 13799529 A EP13799529 A EP 13799529A EP 2932026 B1 EP2932026 B1 EP 2932026B1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
fuel
segment
heat generator
segments
reaction
Prior art date
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Not-in-force
Application number
EP13799529.6A
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English (en)
French (fr)
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EP2932026A1 (de
Inventor
Vladimir Stehle
Konrad Siemer
Jan Hantusch
Werner ANGENENDT
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Elektro Thermit GmbH and Co KG
Original Assignee
Elektro Thermit GmbH and Co KG
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Elektro Thermit GmbH and Co KG filed Critical Elektro Thermit GmbH and Co KG
Priority to EP13799529.6A priority Critical patent/EP2932026B1/de
Publication of EP2932026A1 publication Critical patent/EP2932026A1/de
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    • E—FIXED CONSTRUCTIONS
    • E21—EARTH OR ROCK DRILLING; MINING
    • E21B—EARTH OR ROCK DRILLING; OBTAINING OIL, GAS, WATER, SOLUBLE OR MELTABLE MATERIALS OR A SLURRY OF MINERALS FROM WELLS
    • E21B43/00—Methods or apparatus for obtaining oil, gas, water, soluble or meltable materials or a slurry of minerals from wells
    • E21B43/16—Enhanced recovery methods for obtaining hydrocarbons
    • E21B43/24—Enhanced recovery methods for obtaining hydrocarbons using heat, e.g. steam injection
    • E21B43/243—Combustion in situ
    • E—FIXED CONSTRUCTIONS
    • E21—EARTH OR ROCK DRILLING; MINING
    • E21B—EARTH OR ROCK DRILLING; OBTAINING OIL, GAS, WATER, SOLUBLE OR MELTABLE MATERIALS OR A SLURRY OF MINERALS FROM WELLS
    • E21B37/00—Methods or apparatus for cleaning boreholes or wells
    • E—FIXED CONSTRUCTIONS
    • E21—EARTH OR ROCK DRILLING; MINING
    • E21B—EARTH OR ROCK DRILLING; OBTAINING OIL, GAS, WATER, SOLUBLE OR MELTABLE MATERIALS OR A SLURRY OF MINERALS FROM WELLS
    • E21B43/00—Methods or apparatus for obtaining oil, gas, water, soluble or meltable materials or a slurry of minerals from wells
    • E21B43/16—Enhanced recovery methods for obtaining hydrocarbons
    • E21B43/24—Enhanced recovery methods for obtaining hydrocarbons using heat, e.g. steam injection
    • E21B43/243—Combustion in situ
    • E21B43/247—Combustion in situ in association with fracturing processes or crevice forming processes

Definitions

  • the present invention relates to a heat generator for well stimulation comprising a tubular fuel container with two or more separate, closed segments which are arranged longitudinally behind each other and each at least partially filled with fuel, and an igniter for igniting the fuel in at least one of the segments. Furthermore, the invention relates to a method for borehole stimulation using the device according to the invention.
  • the porous rock strata may silt during the drilling and cementing process, decreasing permeability.
  • the state of stress, pressure and deformation of the rock changes, resulting in zones with increased density and low permeability forming around the hole in a circular manner in the rock.
  • paraffin, asphaltenes and high viscosity tars often deposit in the rock, reducing the productivity of the well.
  • perforation technology uses gas generators powered by solid fuels. They are designed as jacketed or uncovered explosive charges and produce hot gases after ignition, resulting in a pressure increase in the borehole and the adjacent rock layers. Usually gas generators are used in the borehole at the level of winninghorizonte to cause due to the pressure increase new perforations in the rock or to expand existing perforations.
  • the device includes tubular cylindrical explosive charges, ignition charges, and a geophysical cable, a so-called logging cable, with explosive charge fasteners.
  • the cable can be inside a winding cable, so that the gas generator can also be used for angled, directed and horizontal holes.
  • burning the cylindrical explosive charges in the bore carried a thermo-chemical treatment and an air pressure treatment of the rock. If a perforation has been carried out in advance, the perforation channels are widened and cleaned, and fine cracks are formed in the rock. At high pressure of the gas generators these processes are amplified. Under certain circumstances, extensive cracks may form.
  • a disadvantage of this method is that the escaping gases spread rapidly in the well, and consequently the amount of energy available in the area of the well to be treated is relatively small.
  • US 2008/0271894 A1 discloses an apparatus and method for creating perforations in subterranean rock layers.
  • a carrier explosive charges are mounted, which produce perforations in the adjacent rock after ignition and expand by increasing the pressure.
  • the device is provided with sealing elements which deform with increasing pressure such that they rest against the borehole wall and thereby limit the space of pressure development.
  • the device includes a tubular body in which fuel and an igniter are arranged. After ignition of the fuel, the temperature in the device rises very rapidly. Water that is in the wellbore around the device partially vaporizes, causing pressure surges. The forming vapor as well as the pressure waves cause generation or widening of perforations in the adjacent rock.
  • a device for well stimulation in which a solid fuel is arranged on a rod or a rope between two boundary elements.
  • the fuel is in the form of cylindrical charge units having an axial recess through which the rod or rope is passed.
  • structural design elements such as sleeves or packings, are disclosed which ensure that the steam which forms when the fuel burns off is directed in a targeted manner into the desired perforation area of the borehole.
  • WO 2012/150906 A1 discloses a tubular thermo-pulse generator for well stimulation in which fuel is located in an upper region of the tube and separated from a lower, empty region by a membrane.
  • the lower area is provided with openings through which wellbore fluid can flow into the interior of this tube area.
  • the membrane is destroyed so that hot burnt residues such as slag fall into the lower tube area and come into direct contact with the liquid. This enhances the development of heat and the evaporation of the borehole fluid.
  • the object was to provide a device and a method for well stimulation by means of which the permeability of the rock around a region of the well can be targeted and efficiently improved.
  • the device should be simple in construction and inexpensive to manufacture.
  • the heat generator for borehole stimulation comprises a tubular fuel container with two or more separate, closed segments, which are arranged one behind the other in the longitudinal direction and are each at least partially filled with fuel. Furthermore, the heat generator comprises at least one igniter for igniting the fuel in at least one of the segments. The ends of the segments are connected such that the fuel in a subsequent segment is ignitable due to the evolution of heat upon combustion of the fuel in a preceding segment.
  • the fuel tank is made of several parts. Its outer wall is preferably made of a material that withstands the pressure and temperature stresses during burning of the fuel.
  • the wall thickness is preferably chosen so that the fuel container is not destroyed during combustion of the fuel. Among other things, it depends on the properties of the material from which the container is made, as well as on the properties and the amount of fuel used.
  • the outer wall of the fuel container is made of a steel, in particular of a high-strength, tough steel.
  • a steel in particular of a high-strength, tough steel.
  • pipes are usually used for the production of oil or gas, as fuel containers.
  • Such pipes are usually made of steel with an inner diameter of 8 to 40 cm and a length of 1 to 15 m. Their wall thickness is usually 1 to 10 mm.
  • the heat generator according to the invention comprises at least one igniter for igniting the fuel.
  • igniter depends on the fuel used. For example, electric igniters such as electric arc igniters or spiral igniters, or chemical detonators can be used as long as they have sufficient activation energy.
  • Activation of the electrical detonators preferably occurs via a conductive cable which is routed along the logging cable or in the logging cable from the surface of the bore to the electrical detonator.
  • a "logging cable” is here understood to mean a load-bearing cable to which the heat generator can be attached and with the aid of which the heat generator can be lowered from the surface into the bore.
  • the fuel container is designed as a one-piece tube, in which the segments are separated by separating elements extending in the interior of the tube over the entire tube cross-section.
  • the separating elements are perpendicular to the longitudinal axis of the fuel container.
  • Cylindrical structures made of plastic or metal whose outer diameter is slightly larger than the inner diameter of the tube are particularly preferably used as separating elements.
  • the heat generator can be made in this case, for example, by first filling fuel into the tube and then forcing a separator into the tube to form a closed segment. This process is repeated until the intended number of segments with the desired amount of fuel is present.
  • the separating elements are designed such that they are not destroyed when the fuel burns.
  • the separating elements may be made of a material whose melting point is above the temperature range prevailing during combustion of the fuel. Depending on the fuel used, combustion temperatures of more than 1000 ° C may occur inside the heat generator. Suitable materials for the production of a separating element are, for example, steels whose alloy is chosen such that their melting point is higher than the maximum temperature to be expected on combustion of the fuel.
  • the separating elements are made of a material whose melting point is below the temperature range arising during combustion. In this case, the material thickness of the separating elements is dimensioned so that the material begins to melt, but does not melt completely.
  • the material thickness may be at least 2 cm to 5 cm for a corresponding low melting point steel alloy.
  • the separating elements are not destroyed, but slow down the moving during the burning through the respective segment reaction front.
  • the material and the dimensions of the separators are chosen so that they heat up in a temperature range sufficient to activate the reaction in the respective subsequent segment.
  • the separating elements are made of a material whose melting point is significantly lower than the temperature range prevailing during combustion of the fuel.
  • the separating elements brake the reaction front migrating through the respective segment during the burnup.
  • the Due to the high level of heat generated during the reaction the separating elements are exposed to a temperature significantly above their melting point.
  • the respective separating element melts, the melt produced during the combustion of the fuel passes into the following segment and releases so much heat that the reaction is activated there.
  • plastics having a melting temperature in the range of 150 ° C to 500 ° C or aluminum alloys having melting temperatures in the range of 600 ° C to 800 ° C are suitable for producing the separators for this embodiment.
  • the fuel container comprises two or more closed tubular containers, which form the segments and whose end faces are connected via connecting elements.
  • the tubular containers are at least partially, preferably completely, filled with fuel and their end faces are closed, for example by closure elements such as blind flanges.
  • the containers can be connected at their end faces in different ways via connecting elements.
  • An easy-to-implement way is that the containers are screwed by means of the connecting elements, for example by the containers are provided with an external thread on which a tubular connecting element is screwed with internal thread.
  • a further possibility of the connection is provided in that the ends of the containers to be connected are each provided with a flange as connecting element, and the flanges are connected to each other, e.g. by screwing. Even with union nuts or a bayonet lock, for example, connections between the tubular containers can be easily produced.
  • the end faces touch and are made of a material which ensures sufficient heat transfer for igniting the fuel in the subsequent segment.
  • the structural design of the end faces can also contribute to a good heat transfer. A large-scale edition of the two end faces is preferred in this regard.
  • the interconnected container ends are made of a material whose melting point is below the prevailing at combustion of the fuel temperature range.
  • sequential ignition of the fuel occurs by melting the respective separator and releasing so much heat in the subsequent segment that the reaction is activated there.
  • the container ends may be closed at their end faces, for example by closure elements in the form of caps or plugs, which are made of a plastic or an aluminum alloy.
  • the melting temperature of the material used is preferably from 150 ° C to 500 ° C in the case of plastic and from 600 ° C to 800 ° C in the case of the aluminum alloy.
  • the axial extent of the caps or plugs is preferably from 5 mm to 50 mm.
  • the closure elements ensure that the fuel can be safely stored and transported in the fuel container protected against environmental influences and transported before it is burned down when used in a borehole.
  • the longitudinal extent of the individual segments and the type and amount of fuel in the respective segments affect the intensity and duration of the heat development during the burning of a segment.
  • the longitudinal dimensions of the segments differ by no more than 10%, in particular not more than 1% from one another.
  • the distance of the separating elements or the length of the respective pipe sections is selected accordingly.
  • these pipe sections are preferably the same length.
  • a suitable length division is intervals of 50 cm, starting from segment lengths of one meter to five meters.
  • the longitudinal extent of the segments are selected such that they correspond to the axial extent of the bore through the perforation region.
  • the longitudinal extent of the heat generator over all segments is chosen so that it corresponds to the axial extent of the bore through the perforation region.
  • the perforation area is understood here and below to mean the area of a conveying horizon in which perforation holes and perforation channels are already present.
  • the axial extent of the perforation region corresponds to the thickness of the rock layer from which the fluid, e.g. Oil or natural gas, to be promoted.
  • the outer diameters of the segments are preferably from 8 to 15 cm, in particular from 10 to 12 cm.
  • the diameter is advantageously chosen to be 10% to 30% smaller than the inside diameter of the borehole in the area where the heat generator is used. This has a beneficial effect on the efficiency of the well's stimulation.
  • the segments have a circular cross-section.
  • other cross-sectional shapes are also covered by the invention, in which case the outside diameter is understood to be the greatest distance between two points on the cross-sectional area.
  • spacers are mounted on the outside of the heat generator, which have an extent of at least 5 mm, in particular at least 10 mm in the radial direction.
  • at least three spacers are distributed over the circumference so mounted that the heat generator in each radial direction has a predetermined minimum distance from the inner wall of the bore.
  • spacers are preferably arranged at a distance of 0.5 m to 3 m, so that the heat generator over the entire length is not in contact with the inner wall of the hole comes.
  • the spacers may be designed, for example, as ribs or finger-shaped. They are preferably made of a similar temperature-stable material as the wall of the heat carrier and firmly connected to this, eg welded.
  • a metal-thermal mixture is used as the fuel.
  • metal mixtures mixtures of metals with metal oxides are referred to here and below, which react exothermically after activation of the redox reaction to form the metal originally contained in the metal oxide.
  • a preferred subgroup are metal-thermal mixtures in which aluminum is used as the reactant of the metal oxides. Such mixtures are referred to below as “aluminothermic”.
  • a “thermite” is in particular a mixture of iron (III) oxide and aluminum, which is produced, for example, by Elektro-Thermit GmbH & Co. KG (Halle / Saale) and can be obtained there.
  • the resulting temperature range at the end of Thermitre syndrome and the released reaction enthalpy can be adjusted by appropriate choice of the reactants and optionally the addition of additives.
  • other metal-thermal mixtures such as nickel (II) oxide and magnesium, iron (III) oxide and silicon, chromium (III) oxide and magnesium, molybdenum (VI) oxide and silicon and aluminum , Vanadium (V) oxide and silicon. When these mixtures burn, temperatures of up to 2500 ° C may arise.
  • metal-thermal mixtures including iron oxide, aluminum powder, clay, and a metal-phosphate binder is disclosed in the document RU 2062194 C1 known. These mixtures have a comparatively low specific heat generation and a maximum temperature during burning of about 1930 ° C.
  • aluminothermic mixture comprising aluminum as a reducing agent and CuO, FeO, Fe 2 O 3 , Fe 3 O 4 , TiO 2 , Cr 2 O 3 and / or SiO 2 as oxidizing agent.
  • aluminothermic mixtures are inexpensive compared to other metallothermal mixtures and cover a wide range of applications with respect to the ignition temperature, the developing maximum temperature at the burning of the fuel and the burning rate.
  • a metallothermal mixture in which predominantly a slag-like reaction product is formed.
  • aluminothermic mixtures these are also referred to as "annealers”.
  • Such mixtures contain, in addition to the reaction partners required for the redox reaction, further components which dampen the reaction. Although the mixture reacts completely with appropriate release of heat, but the resulting molten metal solidifies very quickly, so it does not come to a macroscopic mass flow.
  • the reaction product is present as a metal slag foam.
  • different fuels are arranged in a segment.
  • a metallothermal mixture is arranged in an upper region of the segment, in the reaction predominantly a slag-like reaction product is formed, in particular Glühherhermit, while the lower portion of the segment is filled with a metallothermal mixture, in the reaction predominantly one liquid reaction product is formed, in particular so-called Reinthermit.
  • Reinthermit aluminothermic mixtures are referred to, which include only the metal oxide and aluminum without the addition of steel formers such as carbon or ferro-manganese.
  • the reaction products formed during the combustion of these mixtures are liquid metal and an aluminum slag.
  • the metallothermal mixture occupies a proportion of 50% to 80% of the internal volume of the relevant segment. It is particularly preferred in this embodiment to use annealing clay with a further aluminothermic mixture, in particular pure ether.
  • both solid slag-like products and liquid metal are formed in the reaction, which can serve for example for melting the separating elements or the closure elements and thus for transporting heat of reaction in a subsequent segment. At the same time as uniform a temperature range over a certain length of the fuel tank is guaranteed.
  • the fuel can be present in different forms in the segments, for example as a solid body, pasty mass or finely divided bulk material.
  • the solid body may e.g. be made by pressing with or without binder.
  • the heat generator can be made in advance in parts and transported to the well, for example, individual pipe sections that are filled with fuel. On site, the items can be easily assembled and adapted to the specific requirements, for example, by depending on requirements, a corresponding number of pipe sections are bolted together. Lengths of individual pipe sections of one to three meters are preferred from a manufacturing point of view and with a view to easy transport to the borehole. The total length of the heat generator depends on the respective requirements and can be, for example, from two to twenty meters.
  • the heat generator can be introduced by known means such as winch and Loggingtiv in the borehole and removed again from it.
  • the invention further includes a method for well stimulation in which a heat generator according to the invention is introduced into a borehole and positioned so that the uppermost segment is located at the perforation area of the bore, then the fuel is ignited in the uppermost segment, and after the ignition of the Fuel the Heat generator is pulled upwards and positioned so that the burning segment is equal to the perforation area of the bore.
  • the borehole liquid which surrounds the heat transfer medium in the region of the burned-off segment is strongly heated, preferably in temperature ranges of its boiling point.
  • the hot liquid and the resulting vapor clean the adjacent perforation area of the bore.
  • the heat generator is pulled up continuously at a speed which corresponds to the speed of the reaction front in the segment which is being burned.
  • the heat generator is pulled up in steps by the length of the segment burned up.
  • the method according to the invention for borehole stimulation is characterized in that the overall duration of pressure generation and stimulation of the rock is increased in comparison to known methods. Furthermore, the arrangement of the fuel in segments and the sequential ignition of the segments generate intermittent steam and water pressure waves in the borehole. During burning in a segment, there is a high pressure and a high temperature in the area of the perforation openings in the delivery horizon. After the reaction lapses until the reaction in the next segment ignites, the pressure and temperature in the production horizon drop again. This has a beneficial effect on the cleaning and stimulation of the perforation openings.
  • the duration and intensity of the intervals can be set individually. Design parameters are, for example, the number and length of the segments, the type and amount of fuels in the respective segments and the materials of the fuel container, the separating elements or closure elements.
  • the heat generator according to the invention is characterized by a simple construction, which is inexpensive to manufacture and easy to use.
  • the heat generator can be made to stock, possibly in individual parts, and stored without problems for a long time.
  • when using an aluminothermic mixture as a fuel occur when burned the fuel no potentially harmful gases.
  • the Fig. 1 to 4 represent schematic sectional drawings of a bore 10 in an underground deposit.
  • the bore 10 is provided with a lining 11, for example a steel pipe.
  • the liner 11 prevents loose rock adjacent to the well from falling into the wellbore and typically breaking formation pressurized formation fluids such as formation water into the well in large quantities.
  • the lining 11 has a plurality of perforation openings 12.
  • ball perforation or jet perforation perforation channels 14 were generated in the delivery horizon 15. Via the perforation channels 14 to be pumped fluids, such as natural gas or petroleum, through the perforations 12 into the hole and can be promoted to the surface.
  • the inner wall of the lining 11 is cylindrical or stepwise cylindrical with a circular cross-section. In a stepwise cylindrical configuration, the diameter of the circular cross section gradually decreases in the axial direction downwards.
  • the fuel container 22 of the heat generator is connected via a suspension 21 with the logging cable 20, which can be moved via a winch on the surface.
  • Fig. 1 shows an example of a heat generator.
  • a tubular fuel container 22 is attached via a suspension 21.
  • the fuel container 22 is designed as a one-piece tube, which is bounded above and below by a closure element 25.
  • a closure element 25 In the interior, there are three separating elements 24 in the example shown, which divide the interior into four segments 23. The separating elements 24 extend over the entire pipe cross-section, so that the segments 23 are each closed.
  • the segments are completely filled with fuel 30, in this example an aluminothermic mixture comprising the components Al, FeO, Fe 2 O 3 , Fe 3 O 4 and SiO 2 .
  • an igniter 40 is mounted which is capable of igniting the fuel in this segment, for example an electric igniter such as an arc igniter or spiro igniter, or a chemical igniter whose composition makes it possible to ignite the aluminothermic mixture.
  • an electric igniter such as an arc igniter or spiro igniter
  • a chemical igniter whose composition makes it possible to ignite the aluminothermic mixture.
  • the heat generator is placed in the borehole 10 in the region of the perforation openings 12 in the delivery horizon 15.
  • the reaction in the uppermost segment is activated via the igniter 40.
  • the activation or ignition temperature depends on the composition of the aluminothermic mixture and may be from 600 ° C to 1300 ° C.
  • the highly exothermic reaction begins in the vicinity of the igniter 40 in the uppermost segment. After the initial ignition, the reaction moves downwards at a rate of about one centimeter to one meter per second depending on the concrete mixture.
  • This liquid metal can arise, for example, liquid iron in the classical Thermitretress comprising Al and Fe 2 O 3 or Al and Fe 3 O 4 as a reactant.
  • the use of annealer gives solid slag-like products.
  • thermite mixtures contain as components aluminum powder and iron oxide of a low oxidation state.
  • An example is a mixture of 76% by weight of Fe 3 O 4 and 24% by weight of Al, which reacts with release of heat to give 45% by weight of Al 2 O 3 and 55% by weight of elemental iron.
  • the reaction products have low flowability and solidify quickly.
  • the density of the thermite mixture is about 2 t / m 3 .
  • the tube wall of the fuel container 22 and the separating elements 24 are strongly heated.
  • the separating elements 24 are made of a material whose melting point is above the prevailing at the burning of the fuel temperature range.
  • the separating elements 24 are not destroyed by the Thermitre force, but brake the reaction front 31 from. However, they heat up to a temperature range which is sufficient to activate the Thermitre force in the subsequent segment. So migrates the reaction front 31 from top to bottom through the fuel container 22 until all the fuel 30 is used up.
  • the separating elements 24 are made of a material whose melting point is below the temperature range prevailing during combustion of the fuel.
  • the reaction is also activated in this case by the igniter 40 and continues first in the uppermost segment migrating down. As soon as the reaction front 31 reaches the first separation element, the reaction ceases because all the fuel has been consumed. However, due to the high heat generation during the reaction, the separator is exposed to a temperature which is above its melting point. For example, in a reaction in which liquid metal is formed, the liquid metal collects above the separator and is in direct contact with it.
  • the separating element melts and releases so much heat in the following segment that the reaction is activated there, eg by inflowing liquid metal.
  • the reaction continues in this case from segment to segment until the lower end of the fuel container 22 is reached.
  • the closure element 25 at the lower end of the fuel container 22 is preferably made of a material whose melting point is above the prevailing at the burning of the fuel temperature range. This ensures that the reaction products of the thermite reaction do not get into the borehole.
  • the fuel container 22 may be made of a steel tube, as commonly used in oil production and referred to as "tubing", for example of the type H-40, C-75, N-80 or P-105.
  • the closure member 25 and the non-melting partitions 24 in the case of the embodiment according to Fig. 1b can be made of the same steel.
  • suitable materials such as plastic, aluminum or a low melting point iron alloy.
  • Fig. 2 is another example of a heat generator shown.
  • a tubular fuel container 22 is attached via a suspension 21.
  • the fuel container 22 is composed of three closed, tubular containers which form three segments 23 of the fuel container 22.
  • the containers are connected to each other at their ends by means of connecting elements 27, for example screwed.
  • the segments are completely filled with fuel 30, in this example an aluminothermic mixture comprising the components Al, FeO, Fe 2 O 3 , Fe 3 O 4 and SiO 2 .
  • an igniter 40 is mounted, which is suitable for igniting the fuel in this segment, for example an electric igniter.
  • the tubular containers are closed at their front sides with closure elements 25.
  • the adjacent closure elements 25 of adjacent segments are made of a Made of material whose melting point is below the temperature prevailing during combustion of the fuel temperature range, for example, a suitably selected plastic or metal.
  • the heat generator is placed in the borehole 10 in the region of the perforation openings 12 in the delivery horizon 15.
  • the reaction in the uppermost segment is activated via the igniter 40.
  • the highly exothermic Thermitre quasi begins in the vicinity of the igniter 40 in the uppermost segment.
  • the reaction moves downwards at a rate of about one centimeter to one meter per second depending on the concrete mixture.
  • This liquid metal can arise, for example, liquid iron in the classical Thermitre syndrome.
  • the reaction in this segment ceases, since all the fuel has been consumed.
  • the closure element is exposed to a temperature which is above its melting point.
  • the liquid metal collects above the closure element and is in direct contact with it.
  • the closure element melts and allows liquid metal to flow onto the upper closure element of the subsequent segment.
  • This closure element also melts and allows liquid metal to penetrate into the interior of the container. This releases so much heat that the reaction in this segment is activated.
  • the reaction front 31 migrates in this way through all the segments until the lower end of the fuel container 22 is reached.
  • closure elements 25 In order to activate the reactions in the respective subsequent segments, it is not necessary for the closure elements 25 to melt completely. It suffices to melt a hole through which the hot, liquid metal can flow downwards.
  • the closure element 25 at the lower end of the fuel container 22 is preferably made of a material whose melting point is above the prevailing at the burning of the fuel temperature range. This ensures that the reaction products of the thermite reaction do not get into the borehole.
  • the individual tubular containers may be filled with different fuels.
  • the container forming the lowermost segment is completely filled with annealing bulb 33.
  • the containers located above are also filled in their upper part with Glühthermit 33, while the respective lower part is filled with a Thermitmischung 32, in the burn mainly produces liquid reaction products, in particular Reinthermit.
  • the annealer 33 occupies a proportion of 50% to 80% of the total internal volume of the container.
  • the remaining 50% to 20% of the internal volume are filled with the Thermitmischung, in the burn-off predominantly liquid reaction products.
  • solid slag-like products as well as liquid metal which melts, form during the reaction in the interior of the fuel container the closure elements and thus serves to transport heat of reaction in the subsequent segment.
  • the proportion of glow in the inner volume is preferably matched to the properties of the closure elements. The higher its melting point, the lower the proportion of glowing is chosen. If the closure elements are made, for example, from a low-melting plastic, the proportion of Glühherhermit can be up to 80%. For example, in the case of closure elements made of a higher-melting aluminum alloy, the proportion of glowing should be in the region of 50%.
  • Fig. 3 shows an embodiment of a heat generator according to the invention.
  • the fuel container 22 comprises three closed, tubular containers which form three segments 23 of the fuel container 22.
  • the containers are connected to each other at their ends by means of connecting elements 27, for example screwed.
  • the closure elements 25 on the end faces of the respective containers are made of a material whose melting point is above the temperature range prevailing during combustion of the fuel.
  • the containers are assembled such that the respective closure elements 25 of adjacent segments 23 touch each other.
  • the activation of the reaction in the respective subsequent segment is effected by heat transfer via the closure elements 25 of the container.
  • an additional pipe jacket 28 is provided at the lowermost end of the fuel container 22, which is made of a material whose melting point is above the temperature range prevailing during combustion of the fuel.
  • this measure can also be taken in all other embodiments.
  • the embodiments according to Fig. 2 and 3 Furthermore, the advantage that they can be flexibly adapted to the particular conditions of a specific hole due to their modular structure.
  • the length of the fuel container can be easily adapted to the respective geological conditions. Even fuel containers with a total length of more than 20 meters can be easily realized by the modular design.
  • Fig. 4 illustrates an embodiment of the method according to the invention for borehole stimulation.
  • a heat generator according to the invention in this example a heat generator according to Fig. 3 , is placed in a wellbore 10 and positioned so that the uppermost segment is at the level of the perforation area of the bore.
  • the thickness of the perforation zone, in Fig. 4 hatched in this example is about three meters.
  • the lengths of the tubular containers 23 are adapted to the perforation zone and each amount to three meters.
  • the design parameters for the heat generator are chosen such that the burn time per segment is about two minutes and there is a transition time to ignite the fuel in the next segment of about one minute.
  • the heat generator After ignition of the fuel in the uppermost segment, the heat generator is pulled up and positioned so that the burning segment is equal to the perforation area of the bore.
  • the heat generator is pulled up continuously at a speed which corresponds to the speed of the reaction front 31 in the segment which is being burned.
  • continuous is understood to include a time-gradual movement, for example, in a second or minute cycle.
  • the heat generator is pulled upwards step by step in the respective subsequent segment by the length of the segment burnt, in the example by three meters.

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Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft einen Wärmegenerator zur Bohrlochstimulation umfassend ein rohrförmiges Brennstoffbehältnis mit zwei oder mehr voneinander getrennten, geschlossenen Segmenten, die in Längsrichtung hintereinander angeordnet und jeweils zumindest teilweise mit Brennstoff gefüllt sind, sowie einen Zünder zum Zünden des Brennstoffs in mindestens einem der Segmente. 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.
  • 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.
  • In der russischen Patentschrift RU 2291289 C2 werden eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Bohrlochstimulation beschrieben. Die Vorrichtung beinhaltet einen rohrförmigen Körper, in dem Brennstoff sowie ein Zünder angeordnet sind. Nach Zündung des Brennstoffs steigt die Temperatur in der Vorrichtung sehr schnell an. Wasser, das sich in dem Bohrloch um die Vorrichtung herum befindet, verdampft teilweise, was zu Druckstößen führt. Der sich bildende Dampf sowie die Druckwellen bewirken eine Erzeugung bzw. Weitung von Perforationen in dem angrenzenden Gestein.
  • Aus dem Dokument EP 2 460 975 A2 ist eine Vorrichtung zur Bohrlochstimulation bekannt, bei der an einer Stange oder einem Tau zwischen zwei Begrenzungselementen ein Festbrennstoff angeordnet ist. Der Brennstoff liegt als zylinderförmige Ladungseinheiten vor, die eine axiale Aussparung aufweisen, durch die die Stange oder das Tau geführt ist. In speziellen Ausführungsformen sind konstruktive Gestaltungselemente wie Hülsen oder Dichtungspackungen offenbart, die dafür sorgen, dass der beim Abbrand des Brennstoffs sich bildende Dampf gezielt in den gewünschten Perforationsbereich des Bohrlochs gelenkt wird.
  • Das Dokument WO 2012/150906 A1 offenbart einen rohrförmigen Thermo-Pulsgenerator zur Bohrlochstimulation, bei dem sich Brennstoff in einem oberen Bereich des Rohres befindet und durch eine Membran von einem unteren, leeren Bereich getrennt ist. Der untere Bereich ist mit Öffnungen versehen, durch die Bohrlochflüssigkeit ins Innere dieses Rohrbereichs strömen kann. Beim Abbrand des Brennstoffs wird die Membran zerstört, sodass heiße Abbrandreste wie Schlacke in den unteren Rohrbereich fallen und in unmittelbaren Kontakt mit der Flüssigkeit kommen. Dadurch werden die Wärmeentwicklung und das Verdampfen der Bohrlochflüssigkeit verstärkt.
  • Obwohl bereits etliche Ansätze zur Bohrlochstimulation bekannt sind, besteht noch Bedarf zur Verbesserung und Effizienzsteigerung bei der Förderung von Erdöl oder Erdgas aus unterirdischen Lagerstätten.
  • 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 Anspruch 1 wiedergegeben ist. Weitere vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung finden sich in den abhängigen Ansprüchen. Ein weiterer Gegenstand der Erfindung ist in dem Verfahrensanspruch 9 und den von diesem abhängigen Ansprüchen angegeben.
  • Erfindungsgemäß umfasst der Wärmegenerator zur Bohrlochstimulation ein rohrförmiges Brennstoffbehältnis mit zwei oder mehr voneinander getrennten, geschlossenen Segmenten, die in Längsrichtung hintereinander angeordnet und jeweils zumindest teilweise mit Brennstoff gefüllt sind. Weiterhin umfasst der Wärmegenerator mindestens einen Zünder zum Zünden des Brennstoffs in mindestens einem der Segmente. Die Enden der Segmente sind derart verbunden, dass der Brennstoff in einem nachfolgenden Segment aufgrund der Wärmeentwicklung beim Abbrand des Brennstoffs in einem vorhergehenden Segment zündbar ist.
  • Das Brennstoffbehältnis ist mehrteilig ausgeführt. Seine Außenwand ist vorzugsweise aus einem Material gefertigt, das den Druck- und Temperaturbelastungen während des Abbrands des Brennstoffs standhält. Die Wandstärke wird vorzugsweise so gewählt, dass das Brennstoffbehältnis beim Abbrand des Brennstoffs nicht zerstört wird. Sie ist unter anderem abhängig von den Eigenschaften des Materials, aus dem das Behältnis gefertigt ist, sowie von den Eigenschaften und der Menge des eingesetzten Brennstoffs.
  • In einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist die Außenwand des Brennstoffbehältnisses aus einem Stahl gefertigt, insbesondere aus einem hochfesten, zähen Stahl. Weiterhin bevorzugt ist die Verwendung von Rohren, wie sie üblicherweise zur Förderung von Öl oder Gas eingesetzt werden, als Brennstoffbehältnisse. Derartige Rohre sind meist aus Stahl gefertigt mit einem Innendurchmesser von 8 bis 40 cm und einer Länge von 1 bis 15 m. Ihre Wandstärke beträgt üblicherweise 1 bis 10 mm.
  • Der erfindungsgemäße Wärmegenerator umfasst mindestens einen Zünder zum Zünden des Brennstoffs. Die Wahl des Zünders hängt von dem eingesetzten Brennstoff ab. So können beispielsweise elektrische Zünder wie Elektrolichtbogenzünder oder Spiralzünder, oder chemische Zünder eingesetzt werden, solange sie eine ausreichende Aktivierungsenergie aufweisen.
  • Als chemische Zünder sind beispielsweise Mischungen geeignet, die bei Temperaturen zündbar sind, die unterhalb der Zündtemperatur des Brennstoffs im Wärmegenerator liegen. Beispiele geeigneter Zünder sind Mischungen aus (Massenanteile in Prozent in Klammern):
    • SiO2 / Mg (55 / 45),
    • MnO2 / Al-Puder / Al-Pulver / Mg (68 / 7,5 / 7,5 / 17),
    • BaO2 / Mg (88 / 12).
  • Diese Gemische werden mit Hilfe von elektrischen Impulsen gezündet, beispielsweise mit den oben genannten elektrischen Zündern.
  • Die Aktivierung der elektrischen Zünder erfolgt bevorzugt über ein leitfähiges Kabel, das entlang des Logging-Kabels oder in dem Logging-Kabel integriert von der Oberfläche der Bohrung bis zu dem elektrischen Zünder geführt ist. Unter einem "Logging-Kabel" wird hierbei ein tragfähiges Kabel verstanden, an dem der Wärmegenerator befestigt und mit dessen Hilfe der Wärmegenerator von der Oberfläche in die Bohrung abgesenkt werden kann.
  • Bei einem beispielhaften Wärmegenerator, der nicht Gegenstand der Erfindung ist, ist das Brennstoffbehältnis als einstückiges Rohr ausgestaltet, bei dem die Segmente durch im Inneren des Rohres über den gesamten Rohrquerschnitt sich erstreckende Trennelemente voneinander getrennt sind. Vorzugsweise verlaufen die Trennelemente senkrecht zur Längsachse des Brennstoffbehältnisses. Besonders bevorzugt werden als Trennelemente zylinderförmige Gebilde aus Kunststoff oder Metall verwendet, deren Außendurchmesser geringfügig größer ist als der Innendurchmesser des Rohres. Der Wärmegenerator kann in diesem Fall beispielsweise dadurch hergestellt werden, dass zunächst Brennstoff in das Rohr eingefüllt wird und anschließend ein Trennelement in das Rohr gedrückt wird, sodass sich ein geschlossenes Segment bildet. Dieser Vorgang wird wiederholt, bis die vorgesehene Anzahl an Segmenten mit der gewünschten Menge an Brennstoff vorliegt.
  • Beispielsweise sind die Trennelemente derart gestaltet, dass sie beim Abbrand des Brennstoffs nicht zerstört werden. Die Trennelemente können aus einem Material gefertigt sein, dessen Schmelzpunkt oberhalb des beim Abbrand des Brennstoffs herrschenden Temperaturbereichs liegt. Je nach eingesetztem Brennstoff können beim Abbrand im Inneren des Wärmegenerators Temperaturen von weit über 1000°C entstehen. Zur Herstellung eines Trennelements geeignete Materialien sind beispielsweise Stähle, deren Legierung so gewählt ist, dass ihr Schmelzpunkt höher liegt als die beim Abbrand des Brennstoffs zu erwartende Höchsttemperatur. In einem anderen Beispiel sind die Trennelemente aus einem Material gefertigt, dessen Schmelzpunkt unterhalb des beim Abbrand entstehenden Temperaturbereichs liegt. In diesem Fall wird die Materialstärke der Trennelemente so dimensioniert, dass das Material zwar zu schmelzen beginnt, jedoch nicht vollständig durchschmilzt. Die Materialstärke kann beispielsweise mindestens 2 cm bis 5 cm bei einer entsprechenden Stahllegierung mit niedrigem Schmelzpunkt betragen. Bei beiden Varianten werden die Trennelemente nicht zerstört, sondern bremsen die während des Abbrands durch das jeweilige Segment wandernde Reaktionsfront ab. Das Material und die Dimensionierung der Trennelemente sind so gewählt, dass sie sich bis in einen Temperaturbereich erhitzen, der ausreicht, um die Reaktion im jeweils nachfolgenden Segment zu aktivieren.
  • In einem zweiten Beispiel, das nicht Gegenstand der Erfindung ist, sind die Trennelemente aus einem Material gefertigt, dessen Schmelzpunkt deutlich unterhalb des beim Abbrand des Brennstoffs herrschenden Temperaturbereichs liegt. Auch bei dieser Ausführungsform bremsen die Trennelemente die während des Abbrands durch das jeweilige Segment wandernde Reaktionsfront ab. Allerdings sind die Trennelemente aufgrund der hohen Wärmeentwicklung während der Reaktion einer Temperatur ausgesetzt, die deutlich oberhalb ihres Schmelzpunktes liegt. Das jeweilige Trennelement schmilzt, die bei dem Abbrand des Brennstoffs entstehende Schmelze gelangt in das nachfolgende Segment und setzt so viel Wärme frei, dass die Reaktion dort aktiviert wird. Zur Herstellung der Trennelemente für diese Ausführungsform geeignete Materialien sind beispielsweise Kunststoffe mit einer Schmelztemperatur im Bereich von 150°C bis 500°C oder Aluminiumlegierungen mit Schmelztemperaturen im Bereich von 600°C bis 800°C.
  • Bei dem erfindungsgemäßen Wärmegenerator umfasst das Brennstoffbehältnis zwei oder mehr geschlossene rohrförmige Behälter, die die Segmente bilden und deren Stirnseiten über Verbindungselemente verbunden sind.
  • Die rohrförmigen Behälter sind zumindest teilweise, vorzugsweise vollständig, mit Brennstoff gefüllt und ihre Stirnseiten sind verschlossen, beispielsweise durch Verschlusselemente wie Blindflansche. Die Behälter können an ihren Stirnseiten auf unterschiedliche Arten über Verbindungselemente verbunden sein. Eine einfach zu realisierende Art besteht darin, dass die Behälter mittels der Verbindungselemente verschraubt werden, beispielsweise indem die Behälter mit einem Außengewinde versehen sind, auf das ein rohrförmiges Verbindungselement mit Innengewinde geschraubt wird. Eine weitere Möglichkeit der Verbindung ist dadurch gegeben, dass die zu verbindenden Enden der Behälter jeweils mit einem Flansch als Verbindungselement versehen sind, und die Flansche miteinander verbunden werden, z.B. durch Verschraubung. Auch mit Überwurfmuttern oder einem Bajonettverschluss beispielsweise lassen sich Verbindungen zwischen den rohrförmigen Behältern leicht herstellen.
  • Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass sich die Stirnseiten berühren und aus einem Material gefertigt sind, das eine ausreichende Wärmeübertragung zum Zünden des Brennstoffs in dem nachfolgenden Segment gewährleistet. Neben einer geeigneten Materialauswahl kann auch die konstruktive Gestaltung der Stirnseiten einen Beitrag zu einem guten Wärmeübergang leisten. Eine großflächige Auflage der beiden Stirnseiten ist in dieser Hinsicht bevorzugt. Weiterhin ist bevorzugt, die Verschraubung derart auszuführen, dass die benachbarten Stirnseiten fest aufeinander gepresst sind.
  • Bei einer weiteren Ausführungsform des Wärmegenerators sind die miteinander verbundenen Behälterenden aus einem Material gefertigt, dessen Schmelzpunkt unterhalb des beim Abbrand des Brennstoffs herrschenden Temperaturbereichs liegt. Wie bei der Ausführungsform mit einstückigem Rohr erfolgt die sequenzielle Zündung des Brennstoffs dadurch, dass das jeweilige Trennelement schmilzt und im nachfolgenden Segment so viel Wärme freisetzt, dass die Reaktion dort aktiviert wird. Die Behälterenden können an ihren Stirnseiten beispielsweise durch Verschlusselemente in Form von Kappen oder Stopfen verschlossen sein, die aus einem Kunststoff oder aus einer Aluminiumlegierung gefertigt sind. Die Schmelztemperatur des verwendeten Materials beträgt vorzugsweise von 150°C bis 500°C im Falle von Kunststoff und von 600°C bis 800°C im Falle der Aluminiumlegierung. Die axiale Ausdehnung der Kappen oder Stopfen beträgt vorzugsweise von 5 mm bis 50 mm. Die Verschlusselemente sorgen dafür, dass der Brennstoff sicher und vor Umwelteinflüssen geschützt in dem Brennstoffbehälter gelagert und transportiert werden kann, bevor er beim Einsatz in einem Bohrloch abgebrannt wird.
  • Die Längsausdehnung der einzelnen Segmente sowie die Art und Menge des Brennstoffs in den jeweiligen Segmenten beeinflussen die Intensität und Dauer der Wärmeentwicklung während des Abbrands eines Segments. In einer bevorzugten Ausgestaltung unterscheiden sich die Längsausdehnungen der Segmente um nicht mehr als 10%, insbesondere nicht mehr als 1% voneinander. Dazu wird der Abstand der Trennelemente oder die Länge der jeweiligen Rohrabschnitte entsprechend gewählt. Bei einer Ausführungsform mit separaten geschlossenen Rohrabschnitten als Segmenten sind diese Rohrabschnitte bevorzugt gleich lang. Im Hinblick auf eine effiziente und kostengünstige Bereitstellung von erfindungsgemäßen Wärmegeneratoren ist eine Vorfertigung von Segmenten mit unterschiedlichen Längen in Form eines Baukastensystems vorteilhaft. Eine geeignete Längeneinteilung sind Intervalle von 50 cm, beginnend von Segmentlängen von einem Meter bis fünf Meter.
  • Besonders bevorzugt sind die Längsausdehnungen der Segmente so gewählt, dass sie der axialen Ausdehnung der Bohrung durch den Perforationsbereich entsprechen. In einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist die Längsausdehnung des Wärmegenerators über alle Segmente insgesamt so gewählt, dass sie der axialen Ausdehnung der Bohrung durch den Perforationsbereich entspricht. Unter dem Perforationsbereich wird hier und im Folgenden der Bereich eines Förderhorizontes verstanden, in dem Perforationslöcher und Perforationskanäle bereits vorhanden sind. Häufig entspricht die axiale Ausdehnung des Perforationsbereichs der Mächtigkeit der Gesteinsschicht, aus der das Fluid, z.B. Erdöl oder Erdgas, gefördert werden soll.
  • Die Außendurchmesser der Segmente betragen vorzugsweise von 8 bis 15 cm, insbesondere von 10 bis 12 cm. Der Durchmesser wird vorteilhaft so gewählt, dass er um 10% bis 30% kleiner ist als der Innendurchmesser des Bohrlochs in dem Bereich, in dem der Wärmegenerator zum Einsatz kommt. Dies wirkt sich vorteilhaft auf die Effizienz der Stimulation des Bohrlochs aus.
  • Bevorzugt weisen die Segmente einen kreisrunden Querschnitt auf. Es sind allerdings auch andere Querschnittsformen durch die Erfindung erfasst, wobei in einem solchen Fall der Außendurchmesser als der größte Abstand zweier Punkte auf der Querschnittsfläche verstanden wird.
  • Bei einer vorteilhaften Ausführungsform sind auf der Außenseite des Wärmegenerators Abstandhalter angebracht, die in radialer Richtung eine Ausdehnung von mindestens 5 mm, insbesondere mindestens 10 mm aufweisen. Vorzugsweise sind in Umfangsrichtung betrachtet mindestens drei Abstandhalter derart über den Umfang verteilt angebracht, dass der Wärmegenerator in jeder radialen Richtung einen vorgegebenen Mindestabstand zur Innenwand der Bohrung aufweist. In axialer Richtung sind Abstandhalter vorzugsweise in einem Abstand von 0,5 m bis 3 m angeordnet, sodass der Wärmegenerator über die gesamte Länge nicht in Kontakt mit der Innenwand der Bohrung kommt. Die Abstandhalter können beispielsweise als Rippen oder fingerförmig ausgestaltet sein. Sie sind vorzugsweise aus einem ähnlich temperaturstabilen Material wie die Wand des Wärmeträgers gefertigt und fest mit dieser verbunden, z.B. verschweißt.
  • In bevorzugten Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Wärmegenerators wird als Brennstoff eine metallothermische Mischung eingesetzt. Als "metallothermische Mischungen" werden hier und im Folgenden Gemische von Metallen mit Metalloxiden bezeichnet, die sich nach Aktivierung der Redox-Reaktion exotherm unter Bildung des ursprünglich im Metalloxid enthaltenen Metalls umsetzen. Eine bevorzugte Untergruppe bilden metallothermische Gemische, bei denen Aluminium als Reaktionspartner der Metalloxide verwendet wird. Derartige Gemische werden im Folgenden als "aluminothermisch" bezeichnet. Als "Thermit" wird insbesondere ein Gemisch aus Eisen(III)-Oxid und Aluminium bezeichnet, das beispielsweise von der Elektro-Thermit GmbH & Co. KG (Halle/Saale) hergestellt wird und dort bezogen werden kann.
  • Der bei Ablauf der Thermitreaktion entstehende Temperaturbereich sowie die freiwerdende Reaktionsenthalpie können durch entsprechende Wahl der Reaktionspartner sowie gegebenenfalls dem Zusatz von Additiven eingestellt werden. Aus der Patentschrift RU 2291289 C2 sind neben den oben genannten Thermit-Mischungen weitere metallothermische Mischungen bekannt wie Nickel(II)-oxid und Magnesium, Eisen(III)-oxid und Silizium, Chrom(III)-oxid und Magnesium, Molybdän(VI)-oxid und Silizium und Aluminium, Vanadium(V)-oxid und Silizium. Beim Abbrand dieser Mischungen können Temperaturen bis zu 2500°C entstehen. Eine weitere Klasse von metallothermischen Mischungen, welche Eisenoxid, Aluminiumpulver, Tonerde und ein Metall-Phosphat-Bindemittel beinhalten, ist aus dem Dokument RU 2062194 C1 bekannt. Diese Mischungen weisen eine vergleichsweise geringe spezifische Wärmeerzeugung und eine Maximaltemperatur beim Abbrand von etwa 1930°C auf.
  • Zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens besonders geeignet ist eine aluminothermische Mischung, die Aluminium als Reduktionsmittel sowie CuO, FeO, Fe2O3, Fe3O4, TiO2, Cr2O3 und/oder SiO2 als Oxidationsmittel umfasst. Derartige aluminothermische Mischungen sind im Vergleich zu anderen metallothermischen Mischungen kostengünstig und decken einen breiten Einsatzbereich ab im Hinblick auf die Zündtemperatur, die beim Abbrand des Brennstoffs sich entwickelnde Maximaltemperatur sowie die Abbrandgeschwindigkeit.
  • In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung wird eine metallothermische Mischung eingesetzt, bei der vorwiegend ein schlackeartiges Reaktionsprodukt entsteht. Im Falle von aluminothermischen Mischungen werden diese auch als "Glühthermit" bezeichnet. Derartige Mischungen enthalten neben den für die Redox-Reaktion erforderlichen Reaktionspartnern weitere Komponenten, die die Reaktion dämpfen. Die Mischung reagiert zwar vollständig durch unter entsprechender Wärmefreisetzung, aber die entstehende Metallschmelze erstarrt sehr schnell, sodass es nicht zu einem makroskopischen Stofffluss kommt. Das Reaktionsprodukt liegt als Metall-Schlacke-Schaum vor. Diese Mischungen bieten insbesondere dann Vorteile, wenn das Reaktionsvolumen im Wesentlichen konstant bleiben soll, beispielsweise um über eine bestimmte Länge eines Segments eine weitgehend konstante Außentemperatur des Brennstoffbehältnisses einzustellen.
  • Bei einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung werden unterschiedliche Brennstoffe in einem Segment angeordnet. Besonders bevorzugt ist eine Ausführungsform, bei der in einem oberen Bereich des Segments eine metallothermische Mischung angeordnet ist, bei deren Reaktion vorwiegend ein schlackeartiges Reaktionsprodukt entsteht, insbesondere Glühthermit, während der untere Bereich des Segments mit einer metallothermischen Mischung gefüllt ist, bei deren Reaktion vorwiegend ein flüssiges Reaktionsprodukt entsteht, insbesondere sogenanntes Reinthermit. Als "Reinthermit" werden aluminothermische Mischungen bezeichnet, die lediglich das Metalloxid und Aluminium umfassen ohne Zusatz von Stahlbildnern wie Kohlenstoff oder Ferro-Mangan. Als Reaktionsprodukte entstehen beim Abbrand dieser Mischungen flüssiges Metall und eine Aluminiumschlacke. Ganz besonders bevorzugt nimmt die metallothermische Mischung, bei deren Reaktion vorwiegend ein schlackeartiges Reaktionsprodukt entsteht, einen Anteil von 50% bis 80% des Innenvolumens des betreffenden Segments ein. Besonders bevorzugt wird bei dieser Ausführungsform Glühthermit mit einer weiteren aluminothermischen Mischung, insbesondere Reinthermit, eingesetzt. Bei dieser Ausgestaltung der Erfindung bilden sich bei der Reaktion sowohl feste schlackeartige Produkte als auch flüssiges Metall, das beispielsweise zum Schmelzen der Trennelemente oder der Verschlusselemente und somit zum Transport von Reaktionswärme in ein nachfolgendes Segment dienen kann. Gleichzeitig wird ein möglichst gleichförmiger Temperaturbereich über eine bestimmte Länge des Brennstoffbehältnisses gewährleistet.
  • Der Brennstoff kann in unterschiedlicher Form in den Segmenten vorliegen, beispielsweise als fester Körper, pastöse Masse oder feinteiliges Schüttgut. Der feste Körper kann z.B. durch Pressung mit oder ohne Bindemittel hergestellt sein.
  • Der Wärmegenerator kann vorab in Einzelteilen gefertigt und zum Bohrloch transportiert werden, beispielsweise einzelne Rohrabschnitte, die mit Brennstoff gefüllt sind. Vor Ort können die Einzelteile einfach montiert und auf die konkreten Anforderungen angepasst werden, beispielsweise indem je nach Bedarf eine entsprechende Anzahl an Rohrabschnitten miteinander verschraubt werden. Längen einzelner Rohrabschnitte von einem bis drei Metern sind aus fertigungstechnischer Sicht und im Hinblick auf einen einfachen Transport zum Bohrloch bevorzugt. Die Gesamtlänge des Wärmegenerators hängt von den jeweiligen Anforderungen ab und kann beispielsweise von zwei bis zwanzig Metern betragen. Der Wärmegenerator kann mit bekannten Mitteln wie Winde und Loggingkabel in das Bohrloch eingebracht und wieder daraus entnommen werden.
  • Die Erfindung umfasst ferner ein Verfahren zur Bohrlochstimulation, bei dem ein erfindungsgemäßer Wärmegenerator in ein Bohrloch eingebracht und so positioniert wird, dass sich das oberste Segment in Höhe des Perforationsbereichs der Bohrung befindet, anschließend der Brennstoff im obersten Segment gezündet wird, und nach der Zündung des Brennstoffs der Wärmegenerator nach oben gezogen und so positioniert wird, dass sich das in Abbrand befindliche Segment in Höhe des Perforationsbereichs der Bohrung befindet.
  • Aufgrund der Wärmeentwicklung durch den Abbrand des Brennstoffs wird die Bohrlochflüssigkeit, die den Wärmeträger im Bereich des im Abbrand befindlichen Segments umgibt, stark erhitzt, vorzugsweise in Temperaturbereiche ihres Siedepunktes. Durch die heiße Flüssigkeit und den entstehenden Dampf wird der angrenzende Perforationsbereich der Bohrung gereinigt.
  • In einer bevorzugten Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens wird der Wärmegenerator kontinuierlich mit einer Geschwindigkeit nach oben gezogen, die der Geschwindigkeit der Reaktionsfront in dem in Abbrand befindlichen Segment entspricht.
  • In einer weiteren bevorzugten Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens wird der Wärmegenerator nach Zündung des Brennstoffs im jeweils nachfolgenden Segment stufenweise um die Länge des in Abbrand befindlichen Segments nach oben gezogen.
  • Das erfindungsgemäße Verfahren zur Bohrlochstimulation zeichnet sich dadurch aus, dass die Gesamtdauer der Druckerzeugung und Stimulation des Gesteins im Vergleich zu bekannten Verfahren gesteigert wird. Ferner werden durch die Anordnung des Brennstoffs in Segmenten und die sequenzielle Zündung der Segmente intervallartige Dampf- und Wasserdruckwellen im Bohrloch erzeugt. Während des Abbrands in einem Segment herrschen ein hoher Druck und eine hohe Temperatur im Bereich der Perforationsöffnungen im Förderhorizont vor. Nach Erlöschen der Reaktion bis zum Zünden der Reaktion im nächsten Segment fallen Druck und Temperatur im Förderhorizont wieder ab. Dies wirkt sich förderlich auf die Reinigung und Stimulation der Perforationsöffnungen aus. Durch entsprechende Wahl der Auslegungsparameter für den Wärmegenerator können die Dauer und Intensität der Intervalle individuell eingestellt werden. Auslegungsparameter sind beispielsweise die Anzahl und Länge der Segmente, die Art und Menge der Brennstoffe in den jeweiligen Segmenten sowie die Materialien des Brennstoffbehältnisses, der Trennelemente oder Verschlusselemente.
  • Der erfindungsgemäße Wärmegenerator zeichnet sich durch eine einfache Konstruktion aus, die kostengünstig herzustellen und leicht anzuwenden ist. Der Wärmegenerator lässt sich auf Vorrat anfertigen, gegebenenfalls in Einzelteilen, und ohne Probleme über längere Zeit lagern. Insbesondere beim Einsatz einer aluminothermischen Mischung als Brennstoff treten beim Abbrand des Brennstoffs keine potenziell schädlichen Gase aus.
  • 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:
    ein Hintergrundbeispiel eines Wärmegenerators
    Fig. 2:
    ein weiteres Hintergrundbeispiel eines Wärmegenerators
    Fig. 3:
    eine Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Wärmegenerators
    Fig. 4:
    Variante eines erfindungsgemäßen Verfahrens zur Bohrlochstimulation
    Liste der verwendeten Bezugszeichen
    • 10
    Bohrung
    11
    Auskleidung
    12
    Perforationsöffnungen
    14
    Perforationskanäle
    15
    Förderhorizont
    20
    Logging-Kabel
    21
    Aufhängung des Brennstoffbehältnisses
    22
    Brennstoffbehältnis
    23
    Segment
    24
    Trennelement
    25
    Verschlusselement
    26
    Behälter
    27
    Verbindungselement
    28
    Rohrmantel
    30
    Brennstoff
    31
    Reaktionsfront
    32
    "Reinthermit"
    33
    "Glühthermit"
    40
    Zünder
  • Die Fig. 1 bis 4 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 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 Brennstoffbehältnis 22 des Wärmegenerators 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 ein Beispiel eines Wärmegenerators. An einem Logging-Kabel 20 ist über eine Aufhängung 21 ein rohrförmiges Brennstoffbehältnis 22 befestigt. Das Brennstoffbehältnis 22 ist als einstückiges Rohr ausgestaltet, das nach oben und unten durch ein Verschlusselement 25 begrenzt wird. Im Innenraum befinden sich in dem dargestellten Beispiel drei Trennelemente 24, die den Innenraum in vier Segmente 23 aufteilen. Die Trennelemente 24 erstrecken sich über den gesamten Rohrquerschnitt, sodass die Segmente 23 jeweils geschlossen sind. Die Segmente sind vollständig mit Brennstoff 30 gefüllt, in diesem Beispiel eine aluminothermische Mischung, die die Komponenten Al, FeO, Fe2O3, Fe3O4 und SiO2 umfasst.
  • Im obersten Segment ist ein Zünder 40 angebracht, der geeignet ist, den Brennstoff in diesem Segment zu entzünden, beispielsweise ein elektrischer Zünder wie Lichtbogenzünder oder Spiralzünder, oder ein chemischer Zünder, der aufgrund seiner Zusammensetzung geeignet ist, die aluminothermische Mischung zu entzünden.
  • Der Wärmegenerator wird im Bohrloch 10 im Bereich der Perforationsöffnungen 12 im Förderhorizont 15 platziert. Um die Bohrlochstimulation zu starten, wird über den Zünder 40 die Reaktion im obersten Segment aktiviert. Die Aktivierungs- bzw. Zündtemperatur ist abhängig von der Zusammensetzung der aluminothermischen Mischung und kann von 600°C bis 1300°C betragen. Die stark exotherme Reaktion beginnt in der Umgebung des Zünders 40 im obersten Segment. Nach der Initialzündung bewegt sich die Reaktion abhängig von der konkreten Mischung mit einer Geschwindigkeit von etwa einem Zentimeter bis einem Meter pro Sekunde nach unten. Dabei kann flüssiges Metall entstehen, beispielsweise flüssiges Eisen bei der klassischen Thermitreaktion, die Al und Fe2O3 oder Al und Fe3O4 als Reaktionspartner umfasst. Bei der Verwendung von Glühthermit entstehen feste schlackeartige Produkte.
  • Handelsübliche Thermitmischungen enthalten als Komponenten Aluminiumpulver und Eisenoxid einer niedrigen Oxidationsstufe. Ein Beispiel ist eine Mischung aus 76 Gew.-% Fe3O4 und 24 Gew.-% Al, die unter Freisetzung von Wärme zu 45 Gew.-% Al2O3 und 55 Gew.-% elementarem Eisen reagiert. Die Reaktionsprodukte haben ein nur geringes Fließvermögen und werden schnell fest. Die Dichte der Thermitmischung beträgt ca. 2 t/m3.
  • Durch die freiwerdende Reaktionswärme werden die Rohrwand des Brennstoffbehältnisses 22 sowie die Trennelemente 24 stark erhitzt. In der mittleren Abbildung (Fig. 1b) ist eine Ausführungsform der Erfindung skizziert, bei der die Trennelemente 24 aus einem Material gefertigt sind, dessen Schmelzpunkt oberhalb des beim Abbrand des Brennstoffes herrschenden Temperaturbereichs liegt. Die Trennelemente 24 werden durch die Thermitreaktion nicht zerstört, sondern bremsen die Reaktionsfront 31 ab. Sie erhitzen sich allerdings bis in einen Temperaturbereich, der ausreicht, um die Thermitreaktion im nachfolgenden Segment zu aktivieren. So wandert die Reaktionsfront 31 von oben nach unten durch das Brennstoffbehältnis 22, bis sämtlicher Brennstoff 30 aufgebraucht ist.
  • In der rechten Abbildung (Fig. 1c) ist eine weiteres Beispiel skizziert, bei der die Trennelemente 24 aus einem Material gefertigt sind, dessen Schmelzpunkt unterhalb des beim Abbrand des Brennstoffes herrschenden Temperaturbereichs liegt. Die Reaktion wird auch in diesem Fall durch den Zünder 40 aktiviert und setzt sich zunächst im obersten Segment nach unten wandernd fort. Sobald die Reaktionsfront 31 das erste Trennelement erreicht, erlischt die Reaktion, da sämtlicher Brennstoff verbraucht ist. Allerdings ist das Trennelement aufgrund der hohen Wärmeentwicklung während der Reaktion einer Temperatur ausgesetzt, die oberhalb seines Schmelzpunktes liegt. Bei einer Reaktion beispielsweise, bei der flüssiges Metall entsteht, sammelt sich das flüssige Metall oberhalb des Trennelements und steht mit diesem in unmittelbarem Kontakt. Das Trennelement schmilzt und setzt im nachfolgenden Segment so viel Wärme frei, dass die Reaktion dort aktiviert wird, z.B. durch einströmendes flüssiges Metall. Wie im Beispiel der indirekten Wärmeübertragung setzt sich die Reaktion auch in diesem Fall von Segment zu Segment fort, bis das untere Ende des Brennstoffbehältnisses 22 erreicht ist. Das Verschlusselement 25 am unteren Ende des Brennstoffbehältnisses 22 ist vorzugsweise aus einem Material gefertigt, dessen Schmelzpunkt oberhalb des beim Abbrand des Brennstoffes herrschenden Temperaturbereichs liegt. Damit wird sichergestellt, dass die Reaktionsprodukte der Thermitreaktion nicht in das Bohrloch gelangen.
  • Das Brennstoffbehältnis 22 kann aus einem Stahlrohr hergestellt sein, wie es üblicherweise in der Erdölförderung eingesetzt und als "Tubing" bezeichnet wird, beispielsweise vom Typ H-40, C-75, N-80 oder P-105. Das Verschlusselement 25 und die nicht schmelzenden Trennelemente 24 im Falle der Ausführungsform gemäß Fig. 1b können aus demselben Stahl gefertigt sein. Für die Trennelemente 24 der Ausführungsform gemäß Fig. 1c, die beim Abbrand des Brennstoffs zerstört werden, eignen sich Materialien wie Kunststoff, Aluminium oder eine Eisenlegierung mit niedrigem Schmelzpunkt.
  • In Fig. 2 ist ein weiteres Beispiel eines Wärmegenerators dargestellt. An einem Logging-Kabel 20 ist über eine Aufhängung 21 ein rohrförmiges Brennstoffbehältnis 22 befestigt. Das Brennstoffbehältnis 22 ist aus drei geschlossenen, rohrförmigen Behältern zusammengesetzt, die drei Segmente 23 des Brennstoffbehältnisses 22 bilden. Die Behälter sind an ihren Stirnseiten über Verbindungselemente 27 miteinander verbunden, beispielsweise verschraubt. Die Segmente sind vollständig mit Brennstoff 30 gefüllt, in diesem Beispiel eine aluminothermische Mischung, die die Komponenten Al, FeO, Fe2O3, Fe3O4 und SiO2 umfasst.
  • Im obersten Segment ist ein Zünder 40 angebracht, der geeignet ist, den Brennstoff in diesem Segment zu entzünden, beispielsweise ein elektrischer Zünder.
  • Die rohrförmigen Behälter sind an ihren Stirnseiten mit Verschlusselementen 25 verschlossen. Die aneinander grenzenden Verschlusselemente 25 benachbarter Segmente sind aus einem Material gefertigt, dessen Schmelzpunkt unterhalb des beim Abbrand des Brennstoffes herrschenden Temperaturbereichs liegt, beispielsweise aus einem geeignet gewählten Kunststoff oder Metall.
  • Der Wärmegenerator wird im Bohrloch 10 im Bereich der Perforationsöffnungen 12 im Förderhorizont 15 platziert. Um die Bohrlochstimulation zu starten, wird über den Zünder 40 die Reaktion im obersten Segment aktiviert. Die stark exotherme Thermitreaktion beginnt in der Umgebung des Zünders 40 im obersten Segment. Nach der Initialzündung bewegt sich die Reaktion abhängig von der konkreten Mischung mit einer Geschwindigkeit von etwa einem Zentimeter bis einem Meter pro Sekunde nach unten. Dabei kann flüssiges Metall entstehen, beispielsweise flüssiges Eisen bei der klassischen Thermitreaktion.
  • Sobald die Reaktionsfront 31 das untere Verschlusselement 25 des ersten Segments erreicht, erlischt die Reaktion in diesem Segment, da sämtlicher Brennstoff verbraucht ist. Allerdings ist das Verschlusselement aufgrund der hohen Wärmeentwicklung während der Reaktion einer Temperatur ausgesetzt, die oberhalb seines Schmelzpunktes liegt. Bei einer Reaktion beispielsweise, bei der flüssiges Metall entsteht, sammelt sich das flüssige Metall oberhalb des Verschlusselements und steht mit diesem in unmittelbarem Kontakt. Das Verschlusselement schmilzt und lässt flüssiges Metall auf das obere Verschlusselement des nachfolgenden Segments fließen. Auch dieses Verschlusselement schmilzt und lässt flüssiges Metall in das Innere des Behälters eindringen. Dabei wird so viel Wärme freigesetzt, dass die Reaktion in diesem Segment aktiviert wird. Die Reaktionsfront 31 wandert auf diese Weise durch sämtliche Segmente, bis das untere Ende des Brennstoffbehältnisses 22 erreicht ist. Um die Reaktionen in den jeweils nachfolgenden Segmenten zu aktivieren, ist es nicht erforderlich, dass die Verschlusselemente 25 komplett schmelzen. Es genügt, wenn ein Loch geschmolzen wird, durch das das heiße, flüssige Metall nach unten fließen kann. Das Verschlusselement 25 am unteren Ende des Brennstoffbehältnisses 22 ist vorzugsweise aus einem Material gefertigt, dessen Schmelzpunkt oberhalb des beim Abbrand des Brennstoffes herrschenden Temperaturbereichs liegt. Damit wird sichergestellt, dass die Reaktionsprodukte der Thermitreaktion nicht in das Bohrloch gelangen.
  • Die einzelnen rohrförmigen Behälter können mit unterschiedlichen Brennstoffen gefüllt sein. In einer bevorzugten Ausgestaltung ist der Behälter, der das unterste Segment bildet, vollständig mit Glühthermit 33 ausgefüllt. Die darüber befindlichen Behälter sind in ihrem jeweils oberen Teil ebenfalls mit Glühthermit 33 gefüllt, während der jeweils untere Teil mit einer Thermitmischung 32 gefüllt ist, bei deren Abbrand vorwiegend flüssige Reaktionsprodukte entstehen, insbesondere Reinthermit.
  • Vorzugsweise nimmt das Glühthermit 33 einen Anteil von 50% bis 80% des gesamten Innenvolumens des Behälters ein. Die restlichen 50% bis 20% des Innenvolumens sind mit der Thermitmischung gefüllt, bei deren Abbrand vorwiegend flüssige Reaktionsprodukte entstehen. Bei dieser Ausgestaltung der Erfindung bilden sich bei der Reaktion im Inneren des Brennstoffbehältnisses sowohl feste schlackeartige Produkte als auch flüssiges Metall, das zum Schmelzen der Verschlusselemente und somit zum Transport von Reaktionswärme in das nachfolgende Segment dient. Der Anteil an Glühthermit am Innenvolumen wird bevorzugt auf die Eigenschaften der Verschlusselemente abgestimmt. Je höher deren Schmelzpunkt ist, umso geringer wird der Anteil an Glühthermit gewählt. Sind die Verschlusselemente beispielsweise aus einem niedrig schmelzenden Kunststoff gefertigt, kann der Anteil an Glühthermit bis zu 80% betragen. Bei Verschlusselementen aus einer höher schmelzenden Aluminiumlegierung beispielsweise sollte der Anteil an Glühthermit im Bereich von 50% liegen.
  • Fig. 3 zeigt eine Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Wärmegenerators. Wie bei der Ausführungsform gemäß Fig. 2 umfasst das Brennstoffbehältnis 22 drei geschlossene, rohrförmige Behälter, die drei Segmente 23 des Brennstoffbehältnisses 22 bilden. Die Behälter sind an ihren Stirnseiten über Verbindungselemente 27 miteinander verbunden, beispielsweise verschraubt. Die Verschlusselemente 25 an den Stirnseiten der jeweiligen Behälter sind aus einem Material gefertigt, dessen Schmelzpunkt oberhalb des beim Abbrand des Brennstoffes herrschenden Temperaturbereichs liegt. In dieser Ausführungsform sind die Behälter derart zusammengesetzt, dass sich die jeweiligen Verschlusselemente 25 benachbarter Segmente 23 berühren. Die Aktivierung der Reaktion im jeweils nachfolgenden Segment erfolgt durch Wärmeübertragung über die Verschlusselemente 25 der Behälter.
  • Um das Austreten von flüssigem Metall oder anderen Reaktionsprodukten weiter zu minimieren, ist am untersten Ende des Brennstoffbehältnisses 22 ein zusätzlicher Rohrmantel 28 vorgesehen, der aus einem Material gefertigt ist, dessen Schmelzpunkt oberhalb des beim Abbrand des Brennstoffes herrschenden Temperaturbereichs liegt. Diese Maßnahme lässt sich selbstverständlich auch bei allen anderen Ausführungsformen ergreifen.
  • Neben den bereits genannten Vorteilen weisen die Ausführungsformen gemäß Fig. 2 und 3 weiterhin den Vorteil auf, dass sie aufgrund ihres modulartigen Aufbaus flexibel an die jeweiligen Gegebenheiten einer konkreten Bohrung angepasst werden können. So kann beispielsweise die Länge des Brennstoffbehältnisses problemlos an die jeweiligen geologischen Bedingungen angepasst werden. Auch Brennstoffbehältnisse mit einer Gesamtlänge von mehr als 20 Metern sind durch die Modulbauweise problemlos zu realisieren.
  • Fig. 4 verdeutlicht eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Bohrlochstimulation. Ein erfindungsgemäßer Wärmegenerator, in diesem Beispiel ein Wärmegenerator gemäß Fig. 3, wird in ein Bohrloch 10 eingebracht und so positioniert, dass sich das oberste Segment in Höhe des Perforationsbereichs der Bohrung befindet. Die Mächtigkeit der Perforationszone, in Fig. 4 schraffiert dargestellt, beträgt in diesem Beispiel ca. drei Meter. Die Längen der rohrförmigen Behälter 23 sind der Perforationszone angepasst und betragen jeweils drei Meter. Die Auslegungsparameter für den Wärmegenerator sind so gewählt, dass die Abbrenndauer pro Segment etwa zwei Minuten beträgt, und sich eine Übergangszeit zum Zünden des Brennstoffs im nächsten Segment von etwa einer Minute ergibt.
  • Nach der Zündung des Brennstoffs im obersten Segment wird der Wärmegenerator nach oben gezogen und so positioniert, dass sich das in Abbrand befindliche Segment in Höhe des Perforationsbereichs der Bohrung befindet. In einer Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens wird der Wärmegenerator kontinuierlich mit einer Geschwindigkeit nach oben gezogen, die der Geschwindigkeit der Reaktionsfront 31 in dem in Abbrand befindlichen Segment entspricht. Unter dem Begriff "kontinuierlich" wird dabei auch eine zeitlich stufenweise Bewegung verstanden, beispielsweise im Sekunden- oder Minutentakt.
  • In einer weiteren Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens wird der Wärmegenerator nach Zündung des Brennstoffs im jeweils nachfolgenden Segment stufenweise um die Länge des in Abbrand befindlichen Segments nach oben gezogen, im Beispiel um drei Meter. Dadurch lässt sich erreichen, dass die Bohrung außerhalb des Perforationsbereiches hinsichtlich Druck- und Temperaturbelastung geschont wird, und der Perforationsbereich optimal mit Druck- und Temperaturintervallen beaufschlagt wird.

Claims (11)

  1. Wärmegenerator zur Bohrlochstimulation in einem Perforationsbereich einer Bohrung umfassend ein rohrförmiges Brennstoffbehältnis (22) mit zwei oder mehr voneinander getrennten, geschlossenen Segmenten (23), die in Längsrichtung hintereinander angeordnet und jeweils zumindest teilweise mit Brennstoff (30, 32, 33) gefüllt sind, sowie mindestens einen Zünder (40) zum Zünden des Brennstoffs in mindestens einem der Segmente (23), dadurch gekennzeichnet, dass das Brennstoffbehältnis (22) zwei oder mehr geschlossene rohrförmige Behälter umfasst, die die Segmente (23) bilden und deren Stirnseiten über Verbindungselemente (27) verbunden sind, so dass der Brennstoff in einem nachfolgenden Segment aufgrund der Wärmeentwicklung beim Abbrand des Brennstoffs in einem vorhergehenden Segment zündbar ist, wobei sich die Stirnseiten berühren und aus einem Material gefertigt sind, das eine ausreichende Wärmeübertragung zum Zünden des Brennstoffs (30, 32, 33) in dem nachfolgenden Segment (23) gewährleistet.
  2. Wärmegenerator nach Anspruch 1, wobei die miteinander verbundenen Behälterenden aus einem Material gefertigt sind, dessen Schmelzpunkt unterhalb des beim Abbrand des Brennstoffs (30, 32, 33) herrschenden Temperaturbereichs liegt.
  3. Wärmegenerator nach einem der Ansprüche 1 oder 2, wobei sich die Längsausdehnungen der Segmente (23) um nicht mehr als 10%, insbesondere nicht mehr als 1% voneinander unterscheiden.
  4. Wärmegenerator nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die Längsausdehnungen der Segmente (23) so gewählt sind, dass sie der axialen Ausdehnung der Bohrung durch den Perforationsbereich entsprechen.
  5. Wärmegenerator nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die Längsausdehnung des Wärmegenerators über alle Segmente so gewählt ist, dass sie der axialen Ausdehnung der Bohrung durch den Perforationsbereich entspricht.
  6. Wärmegenerator nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei es sich bei dem Brennstoff (30, 32, 33) um eine metallothermische Mischung handelt.
  7. Wärmegenerator nach Anspruch 6, wobei der Brennstoff (30, 32, 33) Aluminium als Reduktionsmittel sowie CuO, FeO, Fe2O3, Fe3O4, TiO2 Cr2O3 und / oder SiO2 als Oxidationsmittel umfasst.
  8. Wärmegenerator nach Anspruch 7, wobei in einem oberen Bereich eines Segments (23) eine metallothermische Mischung (33) angeordnet ist, bei deren Reaktion vorwiegend ein schlackeartiges Reaktionsprodukt entsteht, und der untere Bereich des Segments (23) mit einer metallothermischen Mischung (32) gefüllt ist, bei deren Reaktion vorwiegend ein flüssiges Reaktionsprodukt entsteht.
  9. Verfahren zur Bohrlochstimulation, dadurch gekennzeichnet, dass ein Wärmegenerator nach einem der Ansprüche 1 bis 8 in ein Bohrloch eingebracht und so positioniert wird, dass sich das oberste Segment in Höhe des Perforationsbereichs der Bohrung befindet, anschließend der Brennstoff im obersten Segment gezündet wird, und nach der Zündung des Brennstoffs der Wärmegenerator nach oben gezogen und so positioniert wird, dass sich das in Abbrand befindliche Segment in Höhe des Perforationsbereichs der Bohrung befindet.
  10. Verfahren nach Anspruch 9, wobei der Wärmegenerator kontinuierlich mit einer Geschwindigkeit nach oben gezogen wird, die der Geschwindigkeit der Reaktionsfront in dem in Abbrand befindlichen Segment entspricht.
  11. Verfahren nach Anspruch 9, wobei der Wärmegenerator nach Zündung des Brennstoffs im jeweils nachfolgenden Segment stufenweise um die Länge des in Abbrand befindlichen Segments nach oben gezogen wird.
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