EP3179166A1 - Vorrichtung und verfahren zur thermo-mechanischen behandlung von unterirdischen, geologischen formationen - Google Patents

Vorrichtung und verfahren zur thermo-mechanischen behandlung von unterirdischen, geologischen formationen Download PDF

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EP3179166A1
EP3179166A1 EP15198415.0A EP15198415A EP3179166A1 EP 3179166 A1 EP3179166 A1 EP 3179166A1 EP 15198415 A EP15198415 A EP 15198415A EP 3179166 A1 EP3179166 A1 EP 3179166A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
fuel
cylindrical container
bed
perforation
annular space
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP15198415.0A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Vladimir Stehle
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.)
Wintershall Dea GmbH
Original Assignee
Wintershall Holding GmbH
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 Wintershall Holding GmbH filed Critical Wintershall Holding GmbH
Priority to EP15198415.0A priority Critical patent/EP3179166A1/de
Publication of EP3179166A1 publication Critical patent/EP3179166A1/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
    • E21B36/00—Heating, cooling or insulating arrangements for boreholes or wells, e.g. for use in permafrost zones
    • E21B36/02—Heating, cooling or insulating arrangements for boreholes or wells, e.g. for use in permafrost zones using burners
    • 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
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23C—METHODS OR APPARATUS FOR COMBUSTION USING FLUID FUEL OR SOLID FUEL SUSPENDED IN  A CARRIER GAS OR AIR 
    • F23C13/00—Apparatus in which combustion takes place in the presence of catalytic material
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23C—METHODS OR APPARATUS FOR COMBUSTION USING FLUID FUEL OR SOLID FUEL SUSPENDED IN  A CARRIER GAS OR AIR 
    • F23C3/00—Combustion apparatus characterised by the shape of the combustion chamber
    • F23C3/002—Combustion apparatus characterised by the shape of the combustion chamber the chamber having an elongated tubular form, e.g. for a radiant tube
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23G—CREMATION FURNACES; CONSUMING WASTE PRODUCTS BY COMBUSTION
    • F23G2209/00—Specific waste
    • F23G2209/24—Contaminated soil; foundry sand

Definitions

  • the present invention relates to an apparatus and method for the thermomechanical treatment of subterranean geological formations, preferably in the development of conventional and unconventional oil reservoirs and in the stimulation of wells.
  • Known apparatus and methods for thermal treatment of deposits include burning different fuels in the well to inject the hot products of combustion into the deposit.
  • These devices also referred to as "downhole burners"
  • have a number of disadvantages such as a complicated supply of fuel and electrical ignition energy, requiring special hose cables and a complex ignition system.
  • the known systems therefore have only a low reliability.
  • WO 2007/081816 A2 and US 4,604,988 Devices and methods are known which could allow the burning of gaseous or liquid substances in a well of a deposit.
  • the described devices are relatively complex and the methods have a low flexibility, so that they offer limited opportunities to introduce heat deep into a deposit due to lower reliability, especially at great depth.
  • the probability of spontaneous failure of the combustion process is high and the bore may possibly be damaged as the combustion process is performed directly in the bore.
  • the object of the present invention is to provide a device for the thermo-mechanical treatment of subterranean geological formations and to provide a corresponding method which overcome these disadvantages and offer a reliable but at the same time simple and inexpensive technology Damage to the borehole and contamination of the deposit.
  • the present invention offers the advantages of providing a technology that is simple and cost-effective over the prior art, while being robust and reliable in order to reliably and efficiently perform thermo-mechanical treatments of subsurface geological formations.
  • damage to the wellbore lining is mitigated by the effect of high temperatures encountered with conventional downhole burners, as well as contamination of the reservoir by the introduction of soot particles from the combustion processes.
  • a stabilization of the burning of the fuel in the borehole and a simplification of the fuel ignition in the borehole is achieved.
  • a first aspect of the present invention relates to a device (3) for the thermo-mechanical treatment of subterranean geological formations.
  • This device (3) comprises a cylindrical container (5) with a bottom region (13) and a lid region (14) and a feed tube (10) arranged concentrically in the cylindrical container (5) and which is guided through an inlet opening (8) in the lid region (FIG. 14) is guided and in the bottom region (13) within the cylindrical container (5) ends.
  • annular space (12) is formed, and in the annular space (12) at least partially a bed (6) of at least one particulate catalyst (6a) is provided.
  • at least one outlet opening (9) is provided in the lid region (14) of the cylindrical container (5).
  • the feed tube (10) has a circumferential perforation (11) at least over part of its length arranged in the cylindrical container (5).
  • thermo-mechanical treatment is understood to mean that as a result of an exothermic reaction, a reservoir matrix (1) is influenced both thermally, in particular by heat, and mechanically, in particular by increased pressure. According to the invention thus a cumulative and / or synergistic effect is achieved.
  • the cylindrical container (5) is preferably made of metal, e.g. temperature-resistant steel, in particular temperature-resistant alloys based on nickel and / or titanium, to withstand the extreme conditions (such as pressure, temperature) in a hole (2) of greater depth (up to 5 km).
  • metal e.g. temperature-resistant steel, in particular temperature-resistant alloys based on nickel and / or titanium, to withstand the extreme conditions (such as pressure, temperature) in a hole (2) of greater depth (up to 5 km).
  • Typical dimensions of the device (3) according to the invention are 10 cm to 20 cm in diameter and 100 cm to 300 cm in length.
  • the diameter is defined in particular by inner tube diameter of the bore.
  • the diameter of the device (3) according to the invention is 10% to 30% smaller than the inner diameter of the surrounding bore (2).
  • the bottom region (13) is formed with an outward pointing rounding.
  • the bottom portion (13) is further preferably made of the same material as the cylindrical container (5) and firmly connected with this cohesive or at least non-positively, ie it can be welded or screwed.
  • the lid portion (14) may also be made of the material of the cylindrical container (5), but may also comprise another material.
  • the lid region (14) is non-positively, but detachably connected to the cylindrical container (5) in order, for example, to be able to exchange the particulate catalyst (6a).
  • At least one outlet opening (9) is provided, which serves to deliver reaction products from the interior of the device (3) to the outside.
  • the feed tube (10) arranged concentrically in the cylindrical container (5) is concentrically aligned and held by the inlet opening (8) in the lid region (14) and by a corresponding holder (13b) in the bottom region (13).
  • the feed tube (10) may preferably be frictionally and reversibly connected in the lid region (14), i. It may be welded or screwed while it is mounted only positively and reversibly in the bottom region (13).
  • the feeding tube (10) according to the invention has a diameter of 3 cm to 12 cm and a length of 100 cm to 1,000 cm, wherein the feed tube (10) in any case at least 10% longer than the device (3).
  • the diameter of the feed pipe (10) corresponds in particular to the diameter of the pipe string (7).
  • the feed pipe (10) can also be made of temperature-resistant steel.
  • the annular space (12) is formed, which is further closed at the bottom by the bottom portion (13) and at the top by the lid portion (14).
  • the bed (6) of at least one particulate catalyst (6a) is provided in the annular space (12) in the annular space (12).
  • This bed (6) can occupy 60%, preferably 70% and up to 100% of the volume of the annular space (12).
  • the particulate catalyst (6a) may comprise shaped catalyst bodies consisting of active component coated high strength porous carrier particles.
  • Typical carrier particles are, for example, cylindrical (hollow or solid) with dimensions of 3 mm ⁇ 3 mm to 6 mm ⁇ 6 mm or spherical with diameters of 1 mm to 6 mm.
  • the carrier particles may preferably be formed of ceramic materials, eg alumina, zeolites and silica.
  • at least one catalytically active active component applied to the carrier particles preferably platinum and / or palladium.
  • porous carrier particles having a large internal surface area can be mixed with an aqueous solution of a metal salt. Step by step, the carrier particles impregnated in this way are dried and finally calcined, whereby the active component can be converted into the metal or the metal oxide.
  • catalysts in addition to the invention particularly preferred platinum, palladium, manganese, potassium and metals, metal oxides and metal salts of the elements copper, cadmium, iron, gold, silver, nickel, vanadium can be used.
  • the particulate catalysts (6a) according to the invention can be used fully functional for at least one year.
  • the feed pipe (10) has a circumferential perforation (11) over at least part of its length arranged in the cylindrical container (5).
  • the diameter or the cross section of the individual openings of the circumferential perforation (11) is smaller than the diameter of the particles of the particulate catalysts (6a).
  • length arranged in the cylindrical container (5) is meant the length between the lid portion (14) in which the feeding tube (10) is fixed, and the holder (13b) in the bottom portion (13). This length is 80% to 100% of the length of the device (3) or 80% to 110% of the length of the cylindrical container (5).
  • the part of its length over which the feed pipe (10) is provided with the peripheral perforation (11) is 5% to 50%, preferably 10% to 20%.
  • the circumferential perforation (11) can have different geometric shapes. Slit-shaped and / or circular openings of the peripheral perforation (11) are preferred according to the invention.
  • the special feature of the circumferential perforation (11) leads to the advantage that fuel (17) supplied through the feed pipe (10) is more evenly distributed to the bed (6) of the at least one particulate catalyst (6a), so that the reaction in the Batch can be performed more consistently and thus more stable.
  • the perforation (11) of the feed tube (10) is arranged in a section facing the bottom region (13).
  • the bottom region (13) facing portion is the vertically lower portion or the end of the feed tube (10) understood, which is adjacent to the vertically lower portion of the bed (6) of the at least one particulate catalyst (6a).
  • This lower section is preferably 5% to 50%, preferably 10% to 20%, of the length of the feed tube (10).
  • the annular space (12) can be delimited at least partially towards the lid region (14) by an upper dividing wall (25a), which in particular at least partially has a perforation (20a).
  • the upper partition wall (25a) thus limits the bed (6) of the at least one particulate catalyst (6a) towards the lid region (14), so that discharge of the particulate catalyst (6a) is prevented. Discharged particulate catalyst (6a) could disadvantageously clog the outlet port (9), for example.
  • the shape of the openings of the perforation (20a) corresponds to the shape of the openings circumferential perforation (11), as described above.
  • the annular space (12) towards the bottom area (13) may at least partially be delimited by a lower partition (25b), which in particular at least partially has a perforation (20b).
  • the lower partition wall (25b) limits the bed (6) of the at least one particulate catalyst (6a) to the bottom area (13) and thus supports the bed (6).
  • the perforation (20b) whose perforation diameter is smaller than the diameter of the particulate catalyst (6a) ensures gas exchange to the bottom region (13).
  • the Kamer (16) can also serve the partial cooling of the combustion products, if the overheating of the Bohrlochnah Kunststoffes not is desired.
  • the shape of the openings of the perforation (20b) corresponds to the shape of the openings circumferential perforation (11), as described above.
  • a development of the device (3) according to the invention provides that an upper annular chamber (16) is provided between the upper partition wall (25a) and the lid region (14).
  • the length of the chamber (16) is preferably from 5% to 100% of the length of the annulus (12), i. the combustion chamber.
  • a longer chamber (16) can be provided for the case in which the cooling is necessary.
  • the upper annular chamber (16) can receive and collect reaction products from the annulus (12) so that the pressure in them rises before being discharged outside the device (3).
  • a lower annular chamber (15) is provided between the lower dividing wall (25b) and the bottom area (13).
  • the length of the chamber (15) is preferably from 5% to 100% of the length of the annulus (12), i. the combustion chamber.
  • the lower annular chamber (15) facilitates a uniform distribution of fuel (17) supplied through the feed pipe (10) to the bed (6) of the at least one particulate catalyst (6a) provided in the annular space (12).
  • the perforation (20b) of the lower partition wall (25b) is advantageous. In this embodiment, all the fuel particles remain in the annulus (12) for the same time, ensuring reaction stabilization.
  • the perforation (11) of the feed tube (10) may be at least partially disposed in the lower annular chamber (15).
  • the at least one outlet opening (9) in the lid region (14) has a valve (23).
  • the valve (23) according to the invention may be a check valve to prevent the ingress of atmosphere from the borehole (2) into the device (3). Furthermore, the valve (23) may be an overpressure valve in order to direct the collected reaction products (18) at a specific pressure in a targeted and bundled manner against the reservoir matrix (1).
  • the valve (23) according to the invention can be adjusted in particular so that when the fuel (17) is burned off, the combustion products are released repeatedly (when the pressure in the chamber (16)) is increased. Thus, a pressure increase or a pressure drop is also generated in the borehole (2). This increases the efficiency of well stimulation and the displacement of combustion products into the reservoir matrix (1).
  • the feed pipe (10) can in particular be connectable to a flexible pipe string (7) via a connecting element (19) arranged outside the lid region (14).
  • the device (3) is supplied with fuel (17) from above ground by means of a flexible pipe string (7).
  • the diameter of the flexible pipe string (7) also corresponds to the diameter of the feed pipe (10). It has therefore been found advantageous to provide a connecting element (19) for reversibly reversing the flexible tubing string (7) with the device (3), i. the supply pipe (10) to connect.
  • the flexible pipe string (7) is advantageous in stimulating the borehole (2), since in this case the use of the device (3) according to the invention is short-term.
  • the connecting element (19) may be, for example, a flange.
  • the device (3) according to the embodiments described above can be regarded as a fixed bed reactor, in the educts (fuel (17)) fed continuously and the products (combustion products (18), water vapor) are continuously removed.
  • a free space (22) can be provided between the bed (6) of the at least one particulate catalyst (6a) and the upper dividing wall (25a) provided in the annular space (12).
  • the clearance (22) is preferably 5% to 10% of the annulus (12), i. the reactor volume,.
  • annulus (12) may also be divided by multiple walls (multi-level or multi-space reactor), each section being filled with catalyst (6).
  • Another variant consists of an annular space (12) with two sections, one section of which is filled with the particulate catalyst (6a) for the fuel (17) and the other section with the particulate catalyst (6b) for hydrogen peroxide.
  • annular space (12) is only partially filled with the bed (6) of the at least one particulate catalyst (6a) and consequently the free space (22) is present, depending on the supplied amount of the fuel (17) and the corresponding mass flow in the annular space (12) a fluidized bed of the at least one particulate catalyst (6a) are formed.
  • the reaction of the fuel (17) in a fluidized bed can be performed even more efficiently.
  • the device (3) according to this specific embodiment can therefore be regarded as a fluidized-bed reactor in which educts (fuel (17)) and at least partially products (combustion products (18), water vapor) fluidize the at least one particulate catalyst (6a) into a fluidized bed.
  • the bed (6) provided in the annular space (12) comprises at least two different particulate catalysts (6a, 6b).
  • These different particulate catalysts (6a, 6b) may in particular have different catalytically active components in order to catalyze different constituents present in the fuel (17). Specific embodiments of the various constituents of the fuel (17) will be discussed in connection with the method described below.
  • the device (3) according to the invention in its embodiments and developments described above can advantageously in the development of conventional and unconventional oil deposits, but especially of deposits with heavy oil, shale oil and bitumen, as well as in the stimulation of the oil inflow in the Drill holes are used in production.
  • a second aspect of the present invention relates to a method of thermo-mechanical treatment of subterranean geological formations.
  • a device (3) according to the invention as described above, is introduced into a bore (2).
  • the hole was previously sunk by a conventional method.
  • a fuel (17) is introduced into the device (3), whereupon in a step c) a catalytic combustion of the fuel (17) in the presence of the at least one particulate catalyst (6a) is performed.
  • step d combustion heat of the catalytic combustion of the fuel (17) is then discharged to a reservoir matrix (1) adjacent to the bore (2) and finally in a step e) combustion products (18) of the catalytic combustion of the fuel (17) introduced into the deposit matrix (1).
  • the introduction of the device (3) according to the invention in the bore (2) is preferably carried out by rolling a flexible tubing string (7) over days, at the end of the device (3) is attached.
  • the introduction can be supported at the wellhead (28) by a pull / push device.
  • the device (3) according to the invention is preferably positioned in the bore (2) in such a way that it coincides with the lid region (14) at the same height or below the area of the bore (2) to be treated or a possibly existing drill hole perforation (21). is arranged.
  • the thermo-mechanical treatment can be performed optimally.
  • the bore (2) may also be temporarily closed above the device (3) after step a) and before step b), described in more detail below, by means of a closure device (4) for effecting the thermo-mechanical treatment on a specific region of the bore (2) to focus.
  • the closure device (4) is preferably arranged just above the area of the bore (2) to be treated or a possibly existing drill hole perforation (21).
  • step b) the fuel (17) is introduced into the device (3).
  • fuel as used herein includes liquid and gaseous fuels as well as fuel mixtures.
  • the fuel (17) according to the invention can also vary from liquid to gaseous.
  • fuel (17) preferably e.g. Natural gas, propane, naphtha, kerosene or diesel distillate
  • a preferred mixture of the fuel (17) comprises water, methanol and hydrogen peroxide, in particular in a ratio of 50% by weight of water / 35% by weight of methanol / 15% by weight of hydrogen peroxide.
  • the introduction of the fuel (17) takes place from one or more conventional containers over the day through the flexible pipe string (7) in the feed pipe (10) and of there by the circumferential perforation (11) directly or indirectly in the bed (6) of the at least one particulate catalyst (6a).
  • step c) catalytic combustion of the fuel (17) then takes place in the presence of the at least one particulate catalyst (6a).
  • the catalytic combustion is "flameless", ie the fuel (17) is converted by the presence of the at least one particulate catalyst (6a) in an exothermic chemical reaction directly into the reaction products (18) with evolution of heat / heat, ie oxidized.
  • the exothermic chemical reaction is in principle already started upon contact of the fuel (17) with the particulate catalyst (6a), depending on the type of fuel (17), the type of particulate catalyst (6a), the bulk density of the particulate catalyst (6a ) Temperatures between 500 ° C and 1000 ° C in the burner to be developed.
  • CO 2 mainly CO 2 , CO and possibly hydrocarbons, especially water vapor is generated.
  • An important advantage of the catalytic combustion according to the invention is that only gaseous reaction products are produced, but no particles such as soot, which can affect the permeability of the deposit matrix (1).
  • step d) the combustion heat generated by the catalytic combustion of the fuel (17) at the high temperatures mentioned above will be released to the deposit matrix (1) adjacent to the well (2). Specifically, at least part of the heat of combustion is transmitted to the cylindrical container (5), which in turn radiates the heat of combustion on the walls of the bore (2), which is optionally lined with a casing. In this way, a thermal treatment of the deposit matrix (1) is performed. This thermal treatment can for example reduce the viscosity of the oil to be delivered.
  • thermomechanical means (27) in the reservoir matrix (1) in the form of heat transfer agents, oil displacing agents or oil viscosity reducing agents.
  • the thermomechanical means (27) further assisted in maintaining the pressure in the reservoir matrix (1).
  • the method according to the invention has the advantage that it combines a thermal treatment and a mechanical treatment of the deposit matrix (1) on the basis of the catalytic combustion and thereby generates synergy effects which on the one hand lead to a safer and more efficient use of the fuel (17) and on the other hand ensure a reliable and effective treatment.
  • preheating of at least part of the bed (6) of the at least one particulate catalyst (6a) provided in the device (3) is included.
  • the preheating according to the invention of at least part of the bed (6) of the at least one particulate catalyst (6a) provided in the device (3) can be carried out in particular by at least temporary introduction of a solution containing hydrogen peroxide.
  • gaseous fuels eg methane / air
  • this gaseous fuel must be preheated in any case, regardless of the catalyst system used.
  • step b) first of all a first type of fuel (17) is introduced which comprises a solution containing hydrogen peroxide (H 2 O 2 ). Furthermore, the bed (6) has two different particulate catalysts (6a, 6b), a particulate catalyst (6a) for the actual fuel and a particulate catalyst (6b) for the hydrogen peroxide.
  • the hydrogen peroxide is required in certain particulate catalysts (6b), e.g. in manganese salt and / or potassium salt impregnated catalyst moldings no preheating, but reacts exothermically directly when flowing through the corresponding particulate catalysts (6b) to produce superheated steam and oxygen.
  • the temperature may be between 300 ° C and 600 ° C.
  • the hydrogen peroxide is basically needed only to preheat the system to a temperature at which catalytic combustion begins. Therefore, at the beginning of the process according to the invention in step b) a fuel (17) with a high concentration of hydrogen peroxide, in particular 15 wt .-% to 20 wt .-%, fed. Once the catalytic combustion has begun, the concentration of hydrogen peroxide in the fuel (17) introduced in step b) is reduced to 0% by weight to 10% by weight.
  • inventive fuel (17) in particular a mixture of water, methanol and hydrogen peroxide is preferred, in particular in the ratio of 50 wt .-% water / 35 wt .-% methanol / 15 wt .-% hydrogen peroxide at the beginning of the process and in the ratio 60 wt % Water / 40% methanol / 0% hydrogen peroxide by catalytic combustion.
  • the inventive method (3) can be used in its embodiments and developments described above in an advantageous manner in the development of Conventional and unconventional oil deposits, but especially from deposits with heavy oil, shale oil and bitumen, as well as in the stimulation of the oil inflow into the holes used in the production.
  • FIG. 1 schematically shows a first embodiment of the device 3 according to the invention, which can also be referred to as a "catalytic wellbore burner".
  • the device 3 comprises a cylindrical container 5 with bottom region 13 and lid region 14. In the lid region 14, it is provided with an inlet opening 8 into which a feed tube 10 is inserted and fixed concentrically in the cylindrical container 5.
  • the feed pipe 10 is connected by a connecting element 19 to a flexible pipe string 7 for supplying gaseous or liquid fuel 17 connected.
  • the feed pipe 10 is perforated in its lower part (circumferential perforation 11).
  • the lid portion 14 is further provided with at least two outlet openings 9 for discharging combustion products 18.
  • valves 23 are arranged in this embodiment.
  • annular space 12 Between the inner wall of the cylindrical container 5 and the feed pipe 10 is an annular space 12, i. a catalytic chamber, which is filled with a bed 6 of at least one particulate catalyst 6a, and possibly the particulate catalyst 6b, in the form of shaped catalyst bodies.
  • the annular space 12 is closed in this embodiment down in the bottom portion 13 by a bottom plate 13 a with a central holder 13 b for the feed pipe 10.
  • an upper partition wall 25a with at least partially inserted perforation 20a is provided as the end of the bed 6 at the top. Between the upper partition wall 25a and the lid portion 14, an upper annular chamber (16) is formed.
  • FIG. 2 a second embodiment of the device 3 according to the invention is shown schematically, which corresponds in many parts of the first embodiment. It has therefore been omitted here and in the following figures to provide the same elements again with reference numerals.
  • this second embodiment additionally has a lower partition wall 25b with at least partially introduced perforation 20b, which delimits a lower annular chamber 15 towards the bottom area 13.
  • the peripheral perforation 11 of the feed pipe 10 is in this embodiment completely in the region of the lower annular chamber 15, so that the fed through the feed pipe 10 fuel 17 after swirling into the lower annular chamber 15 through the perforation 20b from below into the bed 6th is initiated.
  • FIG. 3 schematically a third embodiment of the device 3 is shown, which largely corresponds to the second embodiment, in which the annular space 12, however, only partially, in this case about 80%, with the bed 6 of the at least one particulate catalyst 6a is filled so that a clearance 22 is formed over the bed to the upper partition wall 25a.
  • This free space 22 together with the only partial bed 6 makes it possible to form a fluidized bed of the at least one particulate catalyst 6 a in the annular space 12.
  • FIG. 4 schematically shows a vertical section of the bore 2 with device 3 inserted therein according to the first embodiment. This illustration is also applicable to the second and third embodiments.
  • the illustration shows how the fuel 17 is introduced through the flexible pipe string 7 into the feed pipe 10 and further through the peripheral perforation 11 into the lower part of the annular space 12.
  • the flow direction of the fuel 17 is changed and flows upwards in the vertical direction.
  • the oxidation of the fuel 17 begins, i. its catalytic combustion.
  • the resulting combustion products 18 enter through the perforations 20a provided with the upper partition wall 25a in the upper annular chamber 16 on the lid portion 14 of the device 3 a.
  • the combustion products 18 accumulate in the upper annular chamber 16, thereby increasing the pressure there. Upon reaching a certain pressure provided in the outlet openings 9 pressure relief valves 23 are opened and the combustion products 18 run as exiting combustion products 26 in the bore 2 addition.
  • the feed tube 10 Due to the catalytic combustion of the fuel 17, the feed tube 10 is heated within the device 3 in addition to the bed 6 and the cylindrical container 5. In addition, the exiting combustion products 26 heat the feed tube 10 outside of the device 3. As a result, the (cold) fuel 17 supplied from above is constantly heated before entering the annulus 12. This increases the reliability of the catalytic combustion by eliminating the cessation of catalytic combustion and ensuring complete oxidation of the fuel in annulus 12.
  • FIG. 5 shows a schematic overview of a deposit matrix 1 with 2 hole and incorporated therein device 3.
  • the device 3 After drilling the hole 2 and possibly the introduction of lining pipes, not shown here in the bore, the device 3 by means of the attached flexible tubing string 7, of a Drum 24 is unwound, introduced into the bore 2 to a depth in which the deposit matrix 1 is to be thermo-mechanically treated.
  • a pull / push device provided at the wellhead 28 (also referred to as "injector head”) can be used.
  • a closure means 4 also referred to as a "packer” can be provided above the deposit matrix 1 to be treated.
  • the flexible tubing 7 (also referred to as "coiled tubing") is usually made of high-strength steel, and its length corresponds at least to the depth of the hole 2. The length may be a few kilometers, in particular 8 km to 10 km.
  • the flexible pipe string 7 usually has a diameter of 19 mm to 100 mm and a wall thickness of 2 mm to 6 mm.
  • the inventive method is carried out, in conjunction with FIG. 4 already described in one embodiment.
  • the combustion products 26 exiting into the bore 2 increase the pressure in that portion of the bore 2 due to the presence of the closure means 4, so that the exiting combustion products 26 are forced into the reservoir matrix 1 upon reaching some pressure through the wellbore perforation 21 present in this embodiment ,
  • the leaked combustion products 26 act as thermo-mechanical means 27 in the form of heat exchangers, oil displacers or oil viscosity reducing agents.
  • step b) first of 1 m 3 to 3 m 3 of a peroxide in a concentration of 30 wt .-% to 70 wt .-% solution containing introduced through the feed tube 10 into the annular space 12th
  • a mixed bed 6 of particulate catalysts 6a, 6b is present, wherein the suitable for the hydrogen peroxide manganese and / or potassium particulate catalyst 6b immediately initiated the oxidation of the hydrogen peroxide, so that by the exothermic reaction heat to the bed. 6 and the entire device 3 is dispensed.
  • the catalytic combustion i. the flameless oxidation of the fuel 17.
  • the presence of the particulate catalyst 6a of the present invention reduces the initial catalytic combustion temperature by 20% to 50% and catalytically combusting at temperatures below that of non-catalytic combustion of comparable fuels. By this reduction of the initial temperature, the initiation of the catalytic combustion in the annular space 12 is easily possible.
  • thermo-mechanical treatment of subterranean geological formations can be carried out for several hours to several months, depending on the particular application.
  • an implementation for several hours is mainly about the stimulation of Production wells, while a multi-month run is mainly done in injection wells.

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Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung (3) zur thermo-mechanischen Behandlung von unterirdischen geologischen Formationen, umfassend - einen zylinderförmigen Behälter (5) mit einem Bodenbereich (13) und einem Deckelbereich (14), - ein in dem zylinderförmigen Behälter (5) konzentrisch angeordnetes Speiserohr (10), das durch eine Eingangsöffnung (8) im Deckelbereich (14) geführt ist und das im Bodenbereich (13) innerhalb des zylinderförmigen Behälters (5) endet, - einen zwischen dem zylinderförmigen Behälter (5) und dem Speiserohr (10) gebildeten Ringraum (12), - eine in dem Ringraum (12) zumindest teilweise vorgesehene Schüttung (6) zumindest eines partikulären Katalysators (6a) und - zumindest eine in dem Deckelbereich (14) des zylinderförmigen Behälters (5) vorgesehene Auslassöffnung (9), wobei das Speiserohr (10) zumindest über einen Teil seiner in dem zylinderförmigen Behälter (5) angeordneten Länge eine umlaufende Perforation (11) aufweist. Die vorliegende Erfindung bezieht sich ferner auf ein Verfahren zur thermo-mechanischen Behandlung von unterirdischen geologischen Formationen.

Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zur thermomechanischen Behandlung von unterirdischen geologischen Formationen, vorzugsweise bei der Entwicklung von konventionellen und unkonventionellen Öl-Lagerstätten und bei der Stimulation von Bohrungen.
  • Bei der herkömmlichen Entwicklung von Öl-Lagerstätten, insbesondere von unkonventionellen Öl-Lagerstätten, werden Vorrichtungen und Verfahren mit dem Ziel eingesetzt, die Öl-Mobilität durch chemische Behandlung der Lagerstätte (z.B. Einpressen von Gasen oder flüssigen Lösungsmitteln) und/oder durch Erhöhen der Temperatur in der Lagerstätte zu modifizieren, d.h. zu steigern.
  • Zur Erschließung von Öl-Lagerstätten in unterirdischen geologischen Formationen wird üblicherweise zunächst mindestens eine Bohrung in diese Formation niedergebracht (abgeteuft). Gemäß aus dem Stand der Technik bekannter Ölfördertechnologien, die insbesondere bei der Entwicklung von Lagerstätten mit hochviskosem Erdöl oder Ölschiefer-Lagerstätten eingesetzt werden, wird die Lagerstätte anschließend thermisch behandelt. In letzten Jahren wurden daher thermische Ölförderverfahren unter Verwendung von unterschiedlichen Chemikalien und Brennstoffen zur Wärmeerzeugung unter Tage untersucht. Bei starker Einwirkung von Wärme auf die Lagerstätte können die rheologischen Eigenschaften des Öls modifiziert oder eine Pyrolyse der Lagerstättenmatrix (insbesondere bei Ölschiefer) durchgeführt werden.
  • Bekannte Vorrichtungen und Verfahren zur thermischen Behandlung von Lagerstätten umfassen das Verbrennen unterschiedlicher Brennstoffe in der Bohrung, um die heißen Verbrennungsprodukte in die Lagerstätte einzupressen. Diese auch als "Bohrlochbrenner" bezeichneten Vorrichtungen weisen eine Reihe von Nachteilen auf, beispielsweise eine komplizierte Zuführung von Brennstoffen und elektrischer Zündenergie, so dass spezielle Schlauch-Kabel und ein komplexes Zündungssystem notwendig sind. Zudem ist eine stabile Verbrennung in einer Lagerstätte, vor allem in größerer Tiefe, schwer zu gewährleisten, und es werden bei der Verbrennung in der Regel Partikel gebildet (z.B. Ruß), die für die thermische Behandlung nachteilig sind und die Permeabilität der Bohrung herabsetzen können. Die bekannten Systeme haben daher nur eine geringe Zuverlässigkeit.
  • Aus WO 2007/081816 A2 und US 4,604,988 sind Vorrichtungen und Verfahren bekannt, die das Verbrennen von gasförmigen oder flüssigen Stoffen in einer Bohrung einer Lagerstätte ermöglichen könnten. Allerdings sind die beschriebenen Vorrichtungen relativ komplex und die Verfahren haben eine niedrige Flexibilität, so dass sie aufgrund einer geringeren Zuverlässigkeit besonders in großer Tiefe nur begrenzte Möglichkeiten bieten, Wärme tief in eine Lagerstätte einzuführen. Daneben ist die Wahrscheinlichkeit des spontanen Ausfallens des Verbrennungsprozesses hoch und die Bohrung kann möglicherweise beschädigt werden, da der Verbrennungsprozess direkt in der Bohrung durchgeführt wird.
  • Ferner sind aus dem Stand der Technik, z.B. aus DE 691 08 204 T2 , Verfahren und Vorrichtungen zum katalytischen Verbrennen von Brennstoffen, d.h. zum "flammenlosen" Verbrennen, bekannt, bei denen für eine heterogene Katalyse Katalysatoren und Brennstoffe in unterschiedlichen Phasen vorliegen. Diese beschriebenen Verfahren und Vorrichtungen sind jedoch für den Einsatz unter Tage nicht geeignet.
  • Darüber hinaus wurden im Stand der Technik Verfahren und Vorrichtungen (sog. "katalytische Öfen") beschrieben, mit denen es möglich sein soll, Brennstoffe in einer Bohrung zu verbrennen. Allerdings weisen diese Verfahren und Vorrichtungen neben ihrer hohen Komplexität weiterhin die Nachteile auf, dass die Brennstoffe vor dem Eintritt in den "katalytischen Ofen" vorgewärmt werden müssen, was im Fall einer Lagerstätte in größerer Tiefe technisch anspruchsvoll ist. Ferner müssen die Brennstoffe mit relativ hohem Druck dem "katalytischen Ofen" aufgegeben werden, so dass das vorhandene Katalysatormaterial ständig zusammengepresst wird, wodurch sich die Effizienz der Katalyse reduziert, während die Alterung des Katalysatormaterials zusätzlich beschleunigt wird, und beispielsweise das Ausbilden einer Wirbelschicht unmöglich wird.
  • Angesichts der Nachteile des Standes der Technik liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zur thermo-mechanischen Behandlung von unterirdischen geologischen Formationen bereitzustellen und ein entsprechendes Verfahren anzugeben, welche diese Nachteile überwinden und eine zuverlässige, aber gleichzeitig einfache und kostengünstige Technologie bieten, um Beschädigungen des Bohrlochs und Kontaminierungen der Lagerstätte zu vermindern.
  • Diese Aufgabe wird in einem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung durch eine Vorrichtung (3) zur thermo-mechanischen Behandlung von unterirdischen geologischen Formationen gelöst, umfassend
    • einen zylinderförmigen Behälter (5) mit einem Bodenbereich (13) und einem Deckelbereich (14),
    • ein in dem zylinderförmigen Behälter (5) konzentrisch angeordnetes Speiserohr (10), das durch eine Eingangsöffnung (8) im Deckelbereich (14) geführt ist und das im Bodenbereich (13) innerhalb des zylinderförmigen Behälters (5) endet,
    • einen zwischen dem zylinderförmigen Behälter (5) und dem Speiserohr (10) gebildeten Ringraum (12),
    • eine in dem Ringraum (12) zumindest teilweise vorgesehene Schüttung (6) zumindest eines partikulären Katalysators (6a) und
    • zumindest eine in dem Deckelbereich (14) des zylinderförmigen Behälters (5) vorgesehene Auslassöffnung (9),
    wobei das Speiserohr (10) zumindest über einen Teil seiner in dem zylinderförmigen Behälter (5) angeordneten Länge eine umlaufende Perforation (11) aufweist.
  • Die vorstehende Aufgabe wird in einem zweiten Aspekt der vorliegenden Erfindung ferner durch ein Verfahren zur thermo-mechanischen Behandlung von unterirdischen geologischen Formationen gelöst, umfassend die Schritte
    1. a) Einbringen einer Vorrichtung (3) nach einem der Ansprüche 1 bis 11 in eine Bohrung (2),
    2. b) Einleiten eines Brennstoffs (17) in die Vorrichtung (3),
    3. c) katalytisches Verbrennen des Brennstoffs (17) in Gegenwart des zumindest einen partikulären Katalysators (6a),
    4. d) Abgeben von Verbrennungswärme des katalytischen Verbrennens des Brennstoffs (17) an eine an die Bohrung (2) angrenzende Lagerstättenmatrix (1) und
    5. e) Einleiten der Verbrennungsprodukte (18) des katalytischen Verbrennens des Brennstoffs (17) in die Lagerstättenmatrix (1).
  • Die vorliegende Erfindung bietet die Vorteile, dass eine gegenüber dem Stand der Technik einfache und kostengünstige Technologie bereitgestellt wird, die gleichzeitig robust und zuverlässig ist, um thermo-mechanische Behandlungen von unterirdischen geologischen Formationen zuverlässig und effizient durchzuführen. Insbesondere werden Beschädigungen der Bohrlochauskleidung durch die Wirkung von hohen Temperaturen, die beim Einsatz von herkömmlichen Bohrlochbrenners entstehen, ebenso vermindert wie Kontaminierungen der Lagerstätte durch das Einbringen von Rußpartikeln aus den Verbrennungsprozessen. Darüber hinaus wird eine Stabilisierung des Abbrennens des Brennstoffes im Bohrloch sowie eine Vereinfachung der Brennstoffzündung im Bohrloch erreicht.
  • Nachstehend wird die Erfindung im Detail beschrieben.
  • Wenn in der Beschreibung der erfindungsgemäßen Vorrichtung (3) Verfahrensmerkmale genannt werden, so beziehen sich diese insbesondere auf das erfindungsgemäße Verfahren. Ebenso beziehen sich gegenständliche Merkmale, die in der Beschreibung des erfindungsgemäßen Verfahrens angeführt werden, auf die erfindungsgemäße Vorrichtung (3).
  • Ein erster Aspekt der vorliegenden Erfindung betrifft eine Vorrichtung (3) zur thermo-mechanischen Behandlung von unterirdischen geologischen Formationen. Diese Vorrichtung (3) umfasst einen zylinderförmigen Behälter (5) mit einem Bodenbereich (13) und einem Deckelbereich (14) und ein in dem zylinderförmigen Behälter (5) konzentrisch angeordnetes Speiserohr (10), das durch eine Eingangsöffnung (8) im Deckelbereich (14) geführt ist und das im Bodenbereich (13) innerhalb des zylinderförmigen Behälters (5) endet.
  • Zwischen dem zylinderförmigen Behälter (5) und dem Speiserohr (10) ist ein Ringraum (12) gebildet, und in dem Ringraum (12) ist zumindest teilweise eine Schüttung (6) zumindest eines partikulären Katalysators (6a) vorgesehen. In dem Deckelbereich (14) des zylinderförmigen Behälters (5) ist darüber hinaus zumindest eine Auslassöffnung (9) vorgesehen.
  • Das Speiserohr (10) weist zumindest über einen Teil seiner in dem zylinderförmigen Behälter (5) angeordneten Länge eine umlaufende Perforation (11) auf.
  • Unter "thermo-mechanischer Behandlung" wird im Sinne der vorliegenden Erfindung verstanden, dass als Ergebnis einer exothermen Reaktion eine Lagerstättenmatrix (1) sowohl thermisch, insbesondere durch Hitze, als auch mechanisch, insbesondere durch erhöhten Druck, beeinflusst wird. Erfindungsgemäß wird damit ein kumulativer und/oder synergetischer Effekt erzielt.
  • Der zylinderförmige Behälter (5) ist vorzugsweise aus Metall, z.B. temperaturfestem Stahl, insbesondere temperaturfesten Legierungen auf Basis von Nickel und/oder Titan gefertigt, um den extremen Bedingungen (wie Druck, Temperatur) in einem Bohrloch (2) größerer Tiefe (bis zu 5 km) zu widerstehen.
  • Typische Dimensionen der erfindungsgemäßen Vorrichtung (3) sind 10 cm bis 20 cm Durchmesser und 100 cm bis 300 cm Länge. Dabei wird der Durchmesser insbesondere durch Innenrohrdurchmesser der Bohrung definiert. Insbesondere ist der Durchmesser der erfindungsgemäßen Vorrichtung (3) um 10 % bis 30 % geringer als der Innendurchmesser der sie umgebenden Bohrung (2).
  • Für die mechanische Stabilität ist es vorteilhaft, wenn der Bodenbereich (13) mit einer nach außen weisenden Rundung ausgebildet wird. Der Bodenbereich (13) ist ferner vorzugsweise aus dem gleichen Material wie der zylinderförmige Behälter (5) gefertigt und mit diesem stoffschlüssig oder zumindest kraftschlüssig fest verbunden, d.h. er kann angeschweißt oder angeschraubt sein.
  • Der Deckelbereich (14) kann ebenfalls aus dem Material des zylinderförmigen Behälters (5) gefertigt sein, kann aber auch ein anderes Material umfassen. Der Deckelbereich (14) ist kraftschlüssig, aber abnehmbar mit dem zylinderförmigen Behälter (5) verbunden, um beispielsweise den partikulären Katalysator (6a) austauschen zu können.
  • In dem Deckelbereich (14) des zylinderförmigen Behälters (5) ist zumindest eine Auslassöffnung (9) vorgesehen, die dazu dient, Reaktionsprodukte aus dem Inneren der Vorrichtung (3) nach außen abzugeben.
  • Das in dem zylinderförmigen Behälter (5) konzentrisch angeordnete Speiserohr (10) wird durch die Eingangsöffnung (8) im Deckelbereich (14) und durch eine entsprechende Halterung (13b) im Bodenbereich (13) konzentrisch ausgerichtet und gehalten. Das Speiserohr (10) kann vorzugsweise im Deckelbereich (14) kraftschlüssig und reversibel verbunden sein, d.h. es kann angeschweißt oder angeschraubt sein während es im Bodenbereich (13) lediglich formschlüssig und reversibel gelagert ist.
  • Das Speiserohr (10) hat erfindungsgemäß einen Durchmesser von 3 cm bis 12 cm und eine Länge von 100 cm bis 1.000 cm, wobei das Speiserohr (10) in jedem Fall um mindestens 10 % länger ist als die Vorrichtung (3). Der Durchmesser des Speiserohrs (10) entspricht insbesondere dem Durchmesser des Rohrstranges (7). Das Speiserohr (10) kann ebenfalls aus temperaturfestem Stahl gefertigt sein.
  • Zwischen dem zylinderförmigen Behälter (5) und dem Speiserohr (10) wird der Ringraum (12) gebildet, der ferner nach unten hin durch den Bodenbereich (13) und nach oben hin durch den Deckelbereich (14) abgeschlossen wird. In dem Ringraum (12) ist zumindest teilweise die Schüttung (6) zumindest eines partikulären Katalysators (6a) vorgesehen. Diese Schüttung (6) kann 60 %, bevorzugt 70 % und bis zu 100 % des Volumens des Ringraums (12) einnehmen.
  • Der partikuläre Katalysator (6a) kann insbesondere Katalysator-Formkörper umfassen, die aus mit aktiver Komponente beschichteten hochfesten porösen Trägerteilchen bestehen. Typische Trägerteilchen sind zum Beispiel zylinderförmig (hohl oder massiv) mit den Abmessungen 3 mm x 3 mm bis 6 mm x 6 mm oder kugelförmig mit Durchmessern von 1 mm bis 6 mm. Die Trägerteilchen können vorzugsweise aus keramischen Materialien, z.B. Aluminiumoxid, Zeolithen und Siliziumdioxid, gebildet sein. Zur Herstellung der erfindungsgemäßen partikulären Katalysatoren (6a) wird zumindest eine katalytisch wirksame aktive Komponente auf die Trägerteilchen aufgebracht, erfindungsgemäß bevorzugt Platin und/oder Palladium.
  • Zur Herstellung der erfindungsgemäßen partikulären Katalysator (6a) können poröse Trägerteilchen mit großer innerer Oberfläche mit einer wässrigen Lösung eines Metallsalzes versetzt werden. Schrittweise werden die auf diese Weise imprägnierten Trägerteilchen getrocknet und abschließend kalziniert, wobei die Aktivkomponente in das Metall oder das Metalloxid überführt werden kann. Als Katalysatoren können neben den erfindungsgemäß besonders bevorzugten Platin, Palladium, Mangan, Kalium auch Metalle, Metalloxide und Metallsalze der Elemente Kupfer, Kadmium, Eisen, Gold, Silber, Nickel, Vanadium verwendet werden.
  • Trotz der vorstehend genannten extremen Bedingungen in einem Bohrloch (2) größerer Tiefe können die erfindungsgemäßen partikulären Katalysatoren (6a) mindestens ein Jahr voll funktionsfähig eingesetzt werden.
  • Erfindungsgemäß weist das Speiserohr (10) zumindest über einen Teil seiner in dem zylinderförmigen Behälter (5) angeordneten Länge eine umlaufende Perforation (11) auf. Der Durchmesser oder der Querschnitt der einzelnen Öffnungen der umlaufenden Perforation (11) ist dabei kleiner als der Durchmesser der Teilchen der partikulären Katalysatoren (6a).
  • Unter "in dem zylinderförmigen Behälter (5) angeordneter Länge" wird die Länge zwischen dem Deckelbereich (14), in dem das Speiserohr (10) befestigt ist, und der Halterung (13b) in dem Bodenbereich (13) verstanden. Diese Länge liegt bei 80 % bis 100% der Länge der Vorrichtung (3) oder bei 80% bis 110% der Länge des zylinderförmigen Behälters (5).
  • Der Teil seiner Länge, über den das Speiserohr (10) mit der umlaufenden Perforation (11) versehen ist, beträgt 5 % bis 50 %, bevorzugt 10 % bis 20 %.
  • Die umlaufende Perforation (11) kann verschiedene geometrische Formen haben. Erfindungsgemäß bevorzugt sind schlitzförmige und/oder kreisförmige Öffnungen der umlaufenden Perforation (11).
  • Das spezielle Merkmal der umlaufenden Perforation (11) führt zu dem Vorteil, dass durch das Speiserohr (10) zugeführter Brennstoff (17) gleichmäßiger auf die Schüttung (6) des zumindest einen partikulären Katalysators (6a) verteilt wird, so dass die Reaktion in der Schüttung konstanter und damit stabiler durchgeführt werden kann.
  • In einer Weiterbildung der erfindungsgemäßen Vorrichtung (3) ist die Perforation (11) des Speiserohrs (10) in einem dem Bodenbereich (13) zugewandten Abschnitt angeordnet.
  • Unter "dem Bodenbereich (13) zugewandter Abschnitt" wird der vertikal untere Abschnitt bzw. das Ende des Speiserohrs (10) verstanden, das an den vertikal unteren Bereich der Schüttung (6) des zumindest einen partikulären Katalysators (6a) angrenzt. Bevorzugt beträgt dieser untere Abschnitt 5 % bis 50 %, bevorzugt 10 % bis 20 %, der Länge des Speiserohrs (10).
  • Hierdurch wird der Vorteil erreicht, dass durch das Speiserohr (10) zugeführter Brennstoff (17) dem unteren Bereich der Schüttung (6) des zumindest einen partikulären Katalysators (6a) zugeführt wird, so dass zur Reaktion in der Schüttung (6) der aufsteigende Brennstoff (17) eine größere Verweilzeit hat, wodurch die Reaktionsrate und der Reaktionsumsatz gesteigert werden.
  • Der Ringraum (12) kann in einer Ausführungsform zu dem Deckelbereich (14) hin zumindest teilweise durch eine obere Trennwand (25a) abgegrenzt sein, die insbesondere zumindest teilweise eine Perforierung (20a) aufweist.
  • Die obere Trennwand (25a) begrenzt damit die Schüttung (6) des zumindest einen partikulären Katalysators (6a) zum Deckelbereich (14) hin, so dass ein Austrag des partikulären Katalysators (6a) verhindert wird. Ausgetragener partikulärer Katalysator (6a) könnte in nachteiliger Weise beispielsweise die Auslassöffnung (9) verstopfen. Die Perforierung (20a), deren Perforierungsdurchmesser kleiner als der Durchmesser des partikulären Katalysators (6a) ist, gewährleistet gleichzeitig einen kontinuierlichen Strom von Reaktionsprodukten aus dem Ringraum (12) heraus. Die Form der Öffnungen der Perforierung (20a) entspricht der Form der Öffnungen umlaufende Perforation (11), wie sie vorstehend beschrieben wurde.
  • Ebenso kann in einer anderen Ausführungsform der Ringraum (12) zu dem Bodenbereich (13) hin zumindest teilweise durch eine untere Trennwand (25b) abgegrenzt sein, die insbesondere zumindest teilweise eine Perforierung (20b) aufweist.
  • Die untere Trennwand (25b) begrenzt die Schüttung (6) des zumindest einen partikulären Katalysators (6a) zum Bodenbereich (13) hin und stützt damit die Schüttung (6). Die Perforierung (20b), deren Perforierungsdurchmesser kleiner als der Durchmesser des partikulären Katalysators (6a) ist, stellt einen Gasaustausch zum Bodenbereich (13) sicher. Die Kamer (16) kann auch der teilweisen Abkühlung der Brennprodukte dienen, falls die Überhitzung des Bohrlochnahbereiches nicht gewünscht ist. Die Form der Öffnungen der Perforierung (20b) entspricht der Form der Öffnungen umlaufende Perforation (11), wie sie vorstehend beschrieben wurde.
  • Eine Weiterbildung der erfindungsgemäßen Vorrichtung (3) sieht vor, dass zwischen der oberen Trennwand (25a) und dem Deckelbereich (14) eine obere ringförmige Kammer (16) vorgesehen ist. Die Länge der Kammer (16) liegt vorzugsweise bei 5 % bis 100 % der Länge des Ringraums (12), d.h. der Brennkammer. Eine längere Kammer (16) kann für den Fall vorgesehen werden, in dem die Abkühlung notwendig ist.
  • Die obere ringförmige Kammer (16) kann Reaktionsprodukte aus dem Ringraum (12) aufnehmen und sammeln, so dass in ihr der Druck ansteigt, bevor diese aus der Vorrichtung (3) nach außen abgegeben werden.
  • Ebenso sieht eine andere Weiterbildung der erfindungsgemäßen Vorrichtung (3) vor, dass zwischen der unteren Trennwand (25b) und dem Bodenbereich (13) eine untere ringförmige Kammer (15) vorgesehen ist. Die Länge der Kammer (15) liegt vorzugsweise bei 5 % bis 100% der Länge des Ringraums (12), d.h. der Brennkammer.
  • Die untere ringförmige Kammer (15) erleichtert ein gleichmäßiges Verteilen von durch das Speiserohr (10) zugeführtem Brennstoff (17) auf die in dem Ringraum (12) vorgesehene Schüttung (6) des zumindest einen partikulären Katalysators (6a). Hier ist ferner die Perforierung (20b) der unteren Trennwand (25b) vorteilhaft. Bei dieser Ausführungsform verbleiben alle Brennstoffteilchen für die gleiche Zeit in dem Ringraum (12), was eine Reaktionsstabilisierung gewährleistet.
  • Die Perforation (11) des Speiserohrs (10) kann zumindest teilweise in der unteren ringförmigen Kammer (15) angeordnet sein.
  • Hierdurch wird vorteilhaft erreicht, dass durch das Speiserohr (10) zugeführter Brennstoff (17) zunächst durch die Perforation (11) in die ringförmigen Kammer (15) hinein verwirbelt wird, was eine noch gleichmäßigere Verteilung des Brennstoffs (17) auf die die in dem Ringraum (12) vorgesehene Schüttung (6) des zumindest einen partikulären Katalysators (6a) ermöglicht. Bei dieser Ausführungsform verbleiben ebenfalls alle Brennstoffteilchen für die gleiche Zeit in dem Ringraum (12), was auch eine Reaktionsstabilisierung gewährleistet.
  • Es hat sich als vorteilhaft erwiesen, wenn die zumindest eine Auslassöffnung (9) in dem Deckelbereich (14) ein Ventil (23) aufweist.
  • Das erfindungsgemäße Ventil (23) kann ein Rückschlagventil sein, um das Eindringen von Atmosphäre aus dem Bohrloch (2) in die Vorrichtung (3) zu verhindern. Ferner kann das Ventil (23) ein Überdruckventil sein, um bei einem bestimmten Druck die gesammelten Reaktionsprodukte (18) gezielt und gebündelt gegen die Lagerstättenmatrix (1) zu richten. Das erfindungsgemäße Ventil (23) insbesondere so eingestellt werden, dass beim Abrennen des Brennstoffes (17) die Verbrennungsprodukte wiederkehrend (bei Drucksteigerung in der Kammer (16)) abgelassen werden. Damit wird auch in dem Bohrloch (2) eine Drucksteigerung bzw. ein Druckabfall generiert. Dies steigert die Effizienz der Bohrlochstimulation und die Verdrängung der Verbrennungsprodukte in die Lagerstättenmatrix (1).
  • Das Speiserohr (10) kann insbesondere über ein außerhalb des Deckelbereichs (14) angeordnetes Verbindungselement (19) mit einem flexiblen Rohrstrang (7) verbindbar sein.
  • Die Vorrichtung (3) wird mittels eines flexiblen Rohrstrangs (7) von über Tage mit Brennstoff (17) versorgt. Der Durchmesser des flexiblen Rohrstrangs (7) entspricht ferner dem Durchmesser des Speiserohrs (10). Es hat sich daher als vorteilhaft erwiesen, ein Verbindungselement (19) vorzusehen, um den flexiblen Rohrstrang (7) reversibel mit der Vorrichtung (3), d.h. dem Speiserohr (10), zu verbinden. Der flexible Rohrstrang (7) ist vorteilhaft beim Stimulieren des Bohrlochs (2), da in diesem Fall der Einsatz der erfindungsgemäßen Vorrichtung (3) kurzzeitig ist. Das Verbindungselement (19) kann beispielsweise ein Flansch sein.
  • Die Vorrichtung (3) nach den vorstehend beschriebenen Ausführungsformen kann als Festbettreaktor betrachtet werden, in den Edukte (Brennstoff (17)) kontinuierlich zugeführt und die Produkte (Verbrennungsprodukte (18), Wasserdampf) kontinuierlich abgeführt werden.
  • Zusätzlich oder alternativ zu den genannten Ausführungsformen, kann zwischen der in dem Ringraum (12) vorgesehenen Schüttung (6) des zumindest einen partikulären Katalysators (6a) und der oberen Trennwand (25a) ein Freiraum (22) vorgesehen sein. Der Freiraum (22) beträgt vorzugsweise 5 % bis 10% des Ringraums (12), d.h. des Reaktorvolumens, .
  • Alternativ kann der Ringraum (12) auch durch mehrere Wände aufgeteilt werden (mehrstöckiger oder mehrräumiger Reaktor), wobei jeder Abschnitt mit Katalysator (6) gefüllt wird. Eine weitere Variante besteht in einem Ringraum (12) mit zwei Abschnitten, wovon ein Abschnitt mit dem partikulären Katalysator (6a) für den Brennstoff (17) und der andere Abschnitt mit dem partikulären Katalysator (6b) für Wasserstoffperoxid gefüllt ist.
  • Für den Fall, dass der Ringraum (12) nur teilweise mit der Schüttung (6) des zumindest einen partikulären Katalysators (6a) gefüllt ist und folglich der Freiraum (22) vorhanden ist, kann abhängig von der zugeführten Menge des Brennstoffs (17) und dem entsprechenden Massenstrom in dem Ringraum (12) eine Wirbelschicht des zumindest einen partikulären Katalysators (6a) ausgebildet werden. Die Reaktion des Brennstoffs (17) in einer Wirbelschicht kann noch effizienter durchgeführt werden.
  • Die Vorrichtung (3) nach dieser speziellen Ausführungsform kann daher als Wirbelschichtreaktor betrachtet werden, in dem Edukte (Brennstoff (17)) und zumindest teilweise Produkte (Verbrennungsprodukte (18), Wasserdampf) den zumindest einen partikulären Katalysator (6a) zu einer Wirbelschicht fluidisieren.
  • In einer bevorzugten Ausführungsform umfasst die in dem Ringraum (12) vorgesehenen Schüttung (6) zumindest zwei unterschiedliche partikuläre Katalysatoren (6a, 6b).
  • Die im Rahmen der vorliegenden Beschreibung zu den partikulären Katalysatoren (6a) gemachten Angaben gelten für die partikuläre Katalysatoren (6b) entsprechend.
  • Diese unterschiedlichen partikulären Katalysatoren (6a, 6b) können insbesondere unterschiedliche katalytisch aktive Komponenten aufweisen, um in dem Brennstoff (17) vorhandene unterschiedliche Bestandteile zu katalysieren. Auf konkrete Ausführungsbeispiele der unterschiedlichen Bestandteile des Brennstoffs (17) wird in Verbindung mit dem nachstehend beschriebenen Verfahren noch eingegangen.
  • Die erfindungsgemäße Vorrichtung (3) kann in ihren vorstehend dargestellten Ausführungsformen und Weiterbildungen in vorteilhafter Weise bei der Entwicklung von konventionellen und unkonventionellen Öl-Lagerstätten, insbesondere aber auch von Lagerstätten mit Schweröl, Schieferöl und Bitumen, sowie bei der Stimulation des Öl-Zuflusses in die Bohrungen bei der Produktion eingesetzt werden.
  • Die vorstehenden Ausführungen und Bevorzugungen im Hinblick auf die erfindungsgemäße Vorrichtung (3) gelten für das nachstehend beschriebene Verfahren entsprechend. Ebenso gelten die nachstehenden Ausführungen und Bevorzugungen im Hinblick auf das erfindungsgemäße Verfahren für die Vorrichtung (3) entsprechend.
  • Ein zweiter Aspekt der vorliegenden Erfindung betrifft ein Verfahren zur thermo-mechanischen Behandlung von unterirdischen geologischen Formationen. In einem Schritt a) wird eine erfindungsgemäße Vorrichtung (3), wie sie vorstehend beschrieben wurde, in eine Bohrung (2) eingebracht. Die Bohrung wurde zuvor nach einem herkömmlichen Verfahren abgeteuft.
  • In einem Schritt b) wird ein Brennstoff (17) in die Vorrichtung (3) eingeleitet, woraufhin in einem Schritt c) ein katalytisches Verbrennen des Brennstoffs (17) in Gegenwart des zumindest einen partikulären Katalysators (6a) durchgeführt wird.
  • In einem Schritt d) wird dann Verbrennungswärme des katalytischen Verbrennens des Brennstoffs (17) an eine an die Bohrung (2) angrenzende Lagerstättenmatrix (1) abgeben und schließlich werden in einem Schritt e) Verbrennungsprodukte (18) des katalytischen Verbrennens des Brennstoffs (17) in die Lagerstättenmatrix (1) eingeleitet.
  • Das Einbringen der erfindungsgemäßen Vorrichtung (3) in die Bohrung (2) erfolgt vorzugsweise durch Abrollen eines flexiblen Rohrstrangs (7) über Tage, an dessen Ende die Vorrichtung (3) befestigt ist. Das Einbringen kann am Bohrlochkopf (28) durch eine Zug-/Druck-Einrichtung unterstützt werden.
  • Die erfindungsgemäße Vorrichtung (3) wird vorzugsweise so in der Bohrung (2) positioniert, dass sie mit dem Deckelbereich (14) auf gleicher Höhe oder unterhalb des zu behandelnden Bereichs der Bohrung (2) oder einer ggf. vorhandenen Bohrloch-Perforation (21) angeordnet ist. Hierdurch kann die thermo-mechanische Behandlung optimaler durchgeführt werden.
  • Optional kann die Bohrung (2) ferner oberhalb der Vorrichtung (3) nach Schritt a) und vor dem nachstehend näher beschriebenen Schritt b) temporär durch eine Verschlusseinrichtung (4) verschlossen werden, um die die thermo-mechanische Behandlung auf einen bestimmten Bereich der Bohrung (2) zu konzentrieren. Vorzugsweise wird die Verschlusseinrichtung (4) knapp oberhalb des zu behandelnden Bereichs der Bohrung (2) oder einer ggf. vorhandenen Bohrloch-Perforation (21) angeordnet.
  • In Schritt b) wird der Brennstoff (17) in die Vorrichtung (3) eingeleitet. Der hier verwendete Begriff "Brennstoff" schließt flüssige und gasförmige Brennstoffe sowie Brennstoffmischungen ein. Der erfindungsgemäße Brennstoff (17) kann dabei auch von flüssig nach gasförmig variieren.
  • Erfindungsgemäß können als Brennstoff (17) vorzugsweise z.B. Erdgas, Propan, Naphta, Kerosin oder Dieseldestillat eingesetzt werden. Eine bevorzugte Mischung des Brennstoffs (17) umfasst Wasser, Methanol und Wasserstoffperoxid, insbesondere im Verhältnis 50 Gew.-% Wasser / 35 Gew.-% Methanol /15 Gew.-% Wasserstoffperoxid.
  • Das Einleiten des Brennstoffs (17) erfolgt aus einem oder mehreren herkömmlichen Behältern über Tage durch den flexiblen Rohrstrang (7) in das Speiserohr (10) und von dort durch die umlaufende Perforation (11) direkt oder indirekt in die Schüttung (6) des zumindest einen partikulären Katalysators (6a).
  • In Schritt c) findet anschließend ein katalytisches Verbrennen des Brennstoffs (17) in Gegenwart des zumindest einen partikulären Katalysators (6a) statt. Das katalytische Verbrennen ist dabei "flammenlos", d.h. der Brennstoff (17) wird durch die Gegenwart des zumindest einen partikulären Katalysators (6a) in einer exothermen chemischen Reaktion direkt in die Reaktionsprodukte (18) unter Entwicklung von Wärme / Hitze umgesetzt, d.h. oxidiert. Die exotherme chemische Reaktion wird grundsätzlich bereits bei Kontakt des Brennstoffs (17) mit dem partikulären Katalysators (6a) gestartet, wobei abhängig von der Art des Brennstoffs (17), der Art des partikulären Katalysators (6a), der Schüttdichte es partikulären Katalysators (6a) Temperaturen zwischen 500 °C und 1.000 °C im Brenner entwickelt werden. Neben den Verbrennungsprodukten (18), hauptsächlich CO2, CO und ggf. Kohlenwasserstoffe wird vor allem Wasserdampf erzeugt.
  • Ein wichtiger Vorteil des erfindungsgemäßen katalytischen Verbrennens liegt darin, dass nur gasförmige Reaktionsprodukte erzeugt werden, aber keine Partikel wie beispielsweise Ruß, welche die Permeabilität der Lagerstättenmatrix (1) beeinträchtigen können.
  • In Schritt d) wird die durch das katalytische Verbrennen des Brennstoffs (17) bei den vorstehend genannten hohen Temperaturen erzeugte Verbrennungswärme an die an die Bohrung (2) angrenzende Lagerstättenmatrix (1) abgeben. Konkret überträgt sich zumindest ein Teil der Verbrennungswärme auf den zylinderförmigen Behälter (5), der die Verbrennungswärme wiederum auf die Wände der Bohrung (2), die ggf. mit einem Futterrohr ausgekleidet ist, abstrahlt. Auf diese Weise wird eine thermische Behandlung der Lagerstättenmatrix (1) durchgeführt. Diese thermische Behandlung kann beispielsweise die Viskosität des zu fördernden Öls verringern.
  • Durch die vorstehend genannten hohen Temperaturen des katalytischen Verbrennens bildet sich neben den gasförmigen Verbrennungsprodukten insbesondere überhitzter Wasserdampf. Der überhitzte Wasserdampf wird dann in Schritt e) zusammen mit den heißen gasförmigen Reaktionsprodukten (18) als austretende Verbrennungsprodukte (26) in die Lagerstättenmatrix (1) eingeleitet. Auf diese Weise wird neben einer weiteren thermischen auch eine mechanische Behandlung der Lagerstättenmatrix (1) durchgeführt. Diese mechanische Behandlung kann beispielsweise die Permeabilität der Lagerstättenmatrix (1) steigern. Falls in der Bohrung (2) oberhalb der erfindungsgemäßen Vorrichtung (3) ein sog. Packer installiert ist, steigt der Druck in der Bohrung (2) wesentlich an und kann zu einer kleinteiligen Rissbildung ("mini frack") in der Lagerstättenmatrix (1) führen.
  • Die austretenden Verbrennungsprodukte (26) wirken in der Lagerstättenmatrix (1) schließlich als thermomechanische Mittel (27) in der Form von Wärmeüberträgern, Ölverdrängungsmitteln oder Mitteln für Minderung der Ölviskosität. Die thermomechanischen Mittel (27) unterstützten ferner die Druckerhaltung in der Lagerstättenmatrix (1).
  • Das erfindungsgemäße Verfahren hat den Vorteil, dass es auf der Grundlage des katalytischen Verbrennens eine thermische Behandlung und eine mechanische Behandlung der Lagerstättenmatrix (1) miteinander kombiniert und dadurch Synergieeffekte erzeugt, die einerseits zu einer sicheren und effizienteren Nutzung des Brennstoffs (17) führen und andererseits eine zuverlässige und effektive Behandlung gewährleisten.
  • In einer Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist zwischen den Schritten a) und b) oder parallel zu Schritt b) ein Vorwärmen zumindest eines Teils der in der Vorrichtung (3) vorgesehenen Schüttung (6) des zumindest einen partikulären Katalysators (6a) umfasst.
  • Nach dem Stand der Technik müssen Brennstoffe für eine thermische Behandlung von Lagerstätten aufwändig vorgewärmt und entweder in vorgewärmtem Zustand in die Bohrung eingeführt oder in der Bohrung erwärmt werden, um dort bei einer entsprechenden Reaktion unter Freisetzung von Wärme zu reagieren. Erfindungsgemäß wird dieser Schritt überflüssig, indem durch eine geschickte Reaktionsführung die Schüttung (6) des zumindest einen partikulären Katalysators (6a) teilweise auf eine Temperatur vorgewärmt wird, die zum Initiieren des katalytischen Verbrennens des Brennstoffs (17) ausreicht. Sobald das katalytische Verbrennen stattfindet, wird so viel Verbrennungswärme erzeugt und sowohl in der Vorrichtung (3) als auch in der Lagerstättenmatrix (1) aufgenommen, dass kein Vorwärmen mehr notwendig ist, da nachströmender Brennstoff (17) durch die erwärmte Vorrichtung (3) bzw. die erwärmte Lagerstättenmatrix (1) vorgewärmt wird.
  • Das erfindungsgemäße Vorwärmen zumindest eines Teils der in der Vorrichtung (3) vorgesehenen Schüttung (6) des zumindest einen partikulären Katalysators (6a) kann insbesondere durch zumindest zeitweises Einleiten einer Wasserstoffperoxid enthaltenden Lösung durchgeführt werden.
  • Werden nach dem Stand der Technik gasförmige Brennstoffe (z.B. Methan / Luft) katalytisch verbrannt, muss dieser gasförmige Brennstoff unabhängig vom verwendeten Katalysatorsystem in jedem Fall vorgeheizt werden.
  • Erfindungsgemäß wird in dieser Weiterbildung in Schritt b) zunächst eine erste Art von Brennstoff (17) eingeleitet, der eine Wasserstoffperoxid (H2O2) enthaltende Lösung umfasst. Ferner weist die Schüttung (6) zwei verschiedene partikuläre Katalysatoren (6a, 6b) auf, einen partikulären Katalysator (6a) für den eigentlichen Brennstoff und einen partikulären Katalysator (6b) für das Wasserstoffperoxid.
  • Das Wasserstoffperoxid benötigt bei bestimmten partikulären Katalysatoren (6b), z.B. bei mit Mangansalz und/oder Kaliumsalz imprägnierten Katalysator-Formkörpern keine Vorwärmung, sondern reagiert exotherm direkt beim Durchströmen der entsprechenden partikulären Katalysatoren (6b) unter Erzeugung von überhitztem Dampf und Sauerstoff. Abhängig von der Konzentration des Wasserstoffperoxids in der ersten Art des Brennstoffs (17) kann die Temperatur zwischen 300 °C und 600 °C betragen. Auf diese Weise wird zum einen die Schüttung (6) der zumindest zwei partikulären Katalysatoren (6a, 6b) und zum anderen weitere im dem Brennstoff (17) vorhandene Komponenten (z.B. Methan oder Methanol) vorgewärmt, so dass diese mit den für diese Komponenten vorgesehenen partikulären Katalysatoren (6a) das katalytische Verbrennen beginnen.
  • Die partikulären Katalysatoren (6a) für den Brennstoff (17) sind erfindungsgemäß mit Platin und/oder Palladium imprägnierte Katalysator-Formkörper.
  • Es hat sich für das erfindungsgemäße Verfahren als vorteilhaft erwiesen, wenn die Zusammensetzung des in Schritt b) eingeleiteten und in Schritt c) verbrannten Brennstoffs mit fortschreitender Dauer des Verfahrens variiert wird.
  • Wie vorstehend beschrieben wird das Wasserstoffperoxid grundsätzlich nur benötigt, um das System auf eine Temperatur vorzuheizen, bei der das katalytische Verbrennen einsetzt. Daher wird zu Beginn des erfindungsgemäßen Verfahrens in Schritt b) ein Brennstoff (17) mit einer hohen Konzentration an Wasserstoffperoxid, insbesondere 15 Gew.-% bis 20 Gew.-%, zugeführt. Sobald das katalytische Verbrennen eingesetzt hat, wird die Konzentration an Wasserstoffperoxid in dem in Schritt b) eingeleiteten Brennstoff (17) auf 0 Gew.-% bis 10 Gew.-% zurückgefahren.
  • Als erfindungsgemäßer Brennstoff (17) wird insbesondere eine Mischung von Wasser, Methanol und Wasserstoffperoxid bevorzugt, insbesondere im Verhältnis 50 Gew.-% Wasser / 35 Gew.-% Methanol / 15 Gew.-% Wasserstoffperoxid zu Beginn des Verfahrens und im Verhältnis 60 Gew.-% Wasser / 40 Gew.-% Methanol / 0 Gew.-% Wasserstoffperoxid bei laufendem katalytischen Verbrennen.
  • Die erfindungsgemäße Verfahren (3) kann in seinen vorstehend dargestellten Ausführungsformen und Weiterbildungen in vorteilhafter Weise bei der Entwicklung von konventionellen und unkonventionellen Öl-Lagerstätten, insbesondere aber auch von Lagerstätten mit Schweröl, Schieferöl und Bitumen, sowie bei der Stimulation des Öl-Zuflusses in die Bohrungen bei der Produktion verwendet werden.
  • Weitere Ziele, Merkmale, Vorteile und Anwendungsmöglichkeiten ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung anhand der Figuren. Dabei bilden alle beschriebenen und/oder bildlich dargestellten Merkmale für sich oder in beliebiger Kombination den Gegenstand der vorliegenden Erfindung, auch unabhängig von ihrer Zusammenfassung in den Ansprüchen oder deren Rückbeziehung. Es zeigen:
    • Fig. 1
    eine schematische Darstellung einer Vorrichtung 3 zur thermo-mechanischen Behandlung von unterirdischen geologischen Formationen in einer ersten Ausführungsform der Erfindung,
    Fig. 2
    eine schematische Darstellung einer Vorrichtung 3 zur thermo-mechanischen Behandlung von unterirdischen geologischen Formationen in einer zweiten Ausführungsform der Erfindung,
    Fig. 3
    eine schematische Darstellung einer Vorrichtung 3 zur thermo-mechanischen Behandlung von unterirdischen geologischen Formationen in einer dritten Ausführungsform der Erfindung,
    Fig. 4
    eine schematische Darstellung der Anordnung der Vorrichtung 3 nach der ersten Ausführungsform der Erfindung in einer Lagerstättenmatrix 1 mit Bohrung 2 und
    Fig. 5
    eine schematische Übersichtsdarstellung einer Lagerstättenmatrix 1 mit Bohrung 2 und darin eingebrachter Vorrichtung 3.
  • Die Figuren der vorliegenden Erfindung sind als Prinzipdarstellungen zu verstehen und stellen insbesondere keine Beschränkung dar, beispielsweise im Hinblick auf konkrete Abmessungen oder Ausgestaltungsvarianten von Elementen. Der besseren Darstellbarkeit halber sind die Figuren insbesondere bezüglich der Längen- und Breitenverhältnisse in der Regel nicht maßstäblich. Aus Gründen der Übersichtlichkeit werden Bezugszeichen, die gleiche Teile bezeichnen, nicht in allen Figuren angegeben.
  • Figur 1 zeigt schematisch eine erste Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung 3, die auch als "katalytischer Bohrlochbrenner" bezeichnet werden kann. Die Vorrichtung 3 umfasst einen zylinderförmigen Behälter 5 mit Bodenbereich 13 und Deckelbereich 14. Im Deckelbereich 14 ist sie mit einer Eingangsöffnung 8 versehen, in die ein Speiserohr 10 konzentrisch in den zylinderförmigen Behälter 5 eingeführt und befestigt ist. Das Speiserohr 10 ist durch ein Verbindungselement 19 an einem flexiblen Rohrstrang 7 zum Zuführen von gasförmigem oder flüssigem Brennstoff 17 angeschlossen. Das Speiserohr 10 ist in seinem unteren Teil perforiert (umlaufende Perforation 11).
  • In dieser Ausführungsform ist der Deckelbereich 14 ferner mit mindestens zwei Auslassöffnungen 9 zum Auslassen von Verbrennungsprodukten 18 versehen. In den Auslassöffnungen 9 sind in dieser Ausführungsform Ventile 23 angeordnet.
  • Zwischen der Innenwand des zylinderförmigen Behälters 5 und dem Speiserohr 10 ist ein Ringraum 12, d.h. eine katalytische Kammer, gebildet, die mit einer Schüttung 6 aus zumindest einem partikulärem Katalysator 6a, und ggf. dem partikulären Katalysator 6b, in Form von Katalysator-Formkörpern gefüllt ist. Der Ringraum 12 wird in dieser Ausführungsform nach unten im Bodenbereich 13 durch ein Bodenblech 13a mit zentraler Halterung 13b für das Speiserohr 10 abgeschlossen.
  • In der vorliegenden ersten Ausführungsform ist als Abschluss der Schüttung 6 nach oben hin eine obere Trennwand 25a mit zumindest teilweise eingebrachter Perforierung 20a vorgesehen. Zwischen der oberen Trennwand 25a und dem Deckelbereich 14 wird eine obere ringförmige Kammer (16) gebildet.
  • In Figur 2 wird eine zweite Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung 3 schematisch dargestellt, die in weiten Teilen der ersten Ausführungsform entspricht. Es wurde daher hier und auch in den folgenden Figuren darauf verzichtet, die gleichen Elemente erneut mit Bezugszeichen zu versehen.
  • Gegenüber der ersten Ausführungsform weist diese zweite Ausführungsform zusätzlich eine untere Trennwand 25b mit zumindest teilweise eingebrachter Perforierung 20b auf, die zu dem Bodenbereich 13 hin eine untere ringförmige Kammer 15 abgrenzt. Die umlaufende Perforation 11 des Speiserohrs 10 liegt in dieser Ausführungsform vollständig im Bereich der unteren ringförmigen Kammer 15, so dass der durch das Speiserohr 10 zugeführte Brennstoff 17 nach dem Verwirbeln in die untere ringförmige Kammer 15 hinein durch die Perforierung 20b von unten in die Schüttung 6 eingeleitet wird.
  • In Figur 3 ist schematisch eine dritte Ausführungsform der Vorrichtung 3 gezeigt, die in weiten Teilen der zweiten Ausführungsform entspricht, bei welcher der Ringraum 12 jedoch nur zum Teil, in diesem Fall zu ca. 80 %, mit der Schüttung 6 des zumindest einen partikulären Katalysators 6a gefüllt ist, so dass über der Schüttung zu der oberen Trennwand 25a hin ein Freiraum 22 gebildet wird. Dieser Freiraum 22 zusammen mit der nur teilweisen Schüttung 6 ermöglicht das Ausbilden einer Wirbelschicht aus dem zumindest einen partikulären Katalysator 6a in dem Ringraum 12.
  • Figur 4 zeigt schematisch einen vertikalen Schnitt der Bohrung 2 mit darin eingebrachter Vorrichtung 3 nach der ersten Ausführungsform. Diese Darstellung ist auch auf die zweite und die dritte Ausführungsform entsprechend anwendbar.
  • In der Darstellung wird gezeigt, wie der Brennstoff 17 durch den flexiblen Rohrstrang 7 in das Speiserohr 10 und weiter durch die umlaufende Perforation 11 in den unteren Teil des Ringraums 12 eingeleitet wird. In dem mit der Schüttung 6 aus zumindest einem partikulären Katalysator 6a gefüllten Ringraum 12 wird die Fließrichtung des Brennstoffs 17 geändert und dieser fließt in vertikaler Richtung aufwärts. Im Ringraum 12 beginnt die Oxidation des Brennstoffs 17, d.h. dessen katalytische Verbrennung. Die dabei entstehenden Verbrennungsprodukte 18 treten durch die mit Perforierungen 20a versehene obere Trennwand 25a in die obere ringförmige Kammer 16 am Deckelbereich 14 der Vorrichtung 3 ein.
  • Die Verbrennungsprodukte 18 sammeln sich in der oberen ringförmigen Kammer 16, wodurch der Druck dort ansteigt. Bei Erreichen eines gewissen Drucks werden die in den Auslassöffnungen 9 vorgesehenen Überdruckventile 23 geöffnet und die Verbrennungsprodukte 18 laufen als austretende Verbrennungsprodukte 26 in die Bohrung 2 hinaus.
  • Durch die katalytische Verbrennung des Brennstoffs 17 wird neben der Schüttung 6 und dem zylinderförmigen Behälter 5 das Speiserohr 10 innerhalb der Vorrichtung 3 erhitzt. Zudem erhitzen die austretenden Verbrennungsprodukte 26 das Speiserohr 10 außerhalb der Vorrichtung 3. Dadurch wird der von über Tage zugeführte (kalte) Brennstoff 17 vor dem Eintritt in den Ringraum 12 ständig erwärmt. Dies steigert die Zuverlässigkeit des katalytischen Verbrennens, indem es das Erlöschen des katalytischen Verbrennens ausschließt und die vollständige Oxidation des Brennstoffes im Ringraum 12 garantiert.
  • Figur 5 zeigt eine schematische Übersicht einer Lagerstättenmatrix 1 mit Bohrung 2 und darin eingebrachter Vorrichtung 3. Nach dem Abteufen der Bohrung 2 und ggf. dem Einbringen von hier nicht dargestellten Futterrohren in die Bohrung wird die Vorrichtung 3 mittels des daran angebrachten flexiblen Rohrstrangs 7, der von einer Trommel 24 abgewickelt wird, in die Bohrung 2 bis zu einer Tiefe eingebracht in der die Lagerstättenmatrix 1 thermo-mechanisch behandelt werden soll. Zur Unterstützung des Einbringens kann eine am Bohrlochkopf 28 vorgesehene Zug-/Druck-Einrichtung (auch als "injector head" bezeichnet) eingesetzt werden. Schließlich kann oberhalb der zu behandelnden Lagerstättenmatrix 1 eine Verschlusseinrichtung 4 (auch als "packer" bezeichnet) vorgesehen werden.
  • Der flexible Rohrstrang 7 (auch als "coiled tubing" bezeichnet) wird normalerweise aus hochfestem Stahl gefertigt, und seine Länge entspricht mindestens der Tiefe der Bohrung 2. Die Länge kann einige Kilometer betragen, insbesondere 8 km bis 10 km. Der flexible Rohrstrang 7 hat gewöhnlich einen Durchmesser von 19 mm bis 100 mm und eine Wandstärke von 2 mm bis 6 mm.
  • Nach dem Einbringen der Vorrichtung 3 in die Bohrung 2 wird das erfindungsgemäße Verfahren ausgeführt, das in Verbindung mit Figur 4 bereits in einer Ausführungsform beschrieben wurde. Die in die Bohrung 2 austretenden Verbrennungsprodukte 26 steigern aufgrund des Vorhandenseins der Verschlusseinrichtung 4 den Druck in diesem Abschnitt der Bohrung 2, so dass die austretenden Verbrennungsprodukte 26 bei Erreichen eines gewissen Drucks durch die eine in dieser Ausführungsform vorhandene Bohrlochperforation 21 in die Lagerstättenmatrix 1 eingepresst werden. In der Lagerstättenmatrix wirken die ausgetretenen Verbrennungsprodukte 26 als thermomechanische Mittel 27 in der Form von Wärmeüberträgern, Ölverdrängungsmitteln oder Mitteln für Minderung der Ölviskosität.
  • In einer konkreten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens werden in Schritt b) zunächst 1 m3 bis 3 m3 einer Wasserstoffperoxid in einer Konzentration von 30 Gew.-% bis 70 Gew.-% enthaltenden Lösung durch das Speiserohr 10 in den Ringraum 12 eingeleitet. In dem Ringraum 12 ist eine gemischte Schüttung 6 aus partikulären Katalysatoren 6a, 6b vorhanden, wobei der für das Wasserstoffperoxid geeignete Mangan und/oder Kalium enthaltende partikuläre Katalysator 6b unmittelbar die Oxidation des Wasserstoffperoxids initiiert, so dass durch die exotherme Reaktion Wärme an die Schüttung 6 und die gesamte Vorrichtung 3 abgegeben wird.
  • Nun können als Brennstoff 17 eine Mischung von Methan und Luft eingeleitet werden. Beim Kontakt dieser Mischung mit dem heißen Platin und/oder Palladium enthaltenden partikulären Katalysatoren 6a beginnt das katalytische Verbrennen, d.h. die flammenlose Oxidation des Brennstoffs 17. Durch die Gegenwart des erfindungsgemäßen partikulären Katalysators 6a wird die Initialtemperatur des katalytischen Verbrennens um 20 % bis 50 % reduziert und das katalytische Verbrennen läuft bei Temperaturen ab, die unterhalb der Temperaturen einer nicht-katalytischen Verbrennung vergleichbarer Brennstoffe liegen. Durch diese Reduzierung der Initialtemperatur wird die Initiierung des katalytischen Verbrennens im Ringraum 12 problemlos möglich.
  • Das erfindungsgemäße Verfahren zur thermo-mechanischen Behandlung von unterirdischen geologischen Formationen kann für einige Stunden bis zu mehreren Monaten durchgeführt werden, abhängig vom jeweiligen Einsatzzweck. So handelt es sich bei einer Durchführung für mehrere Stunden vorwiegend um die Stimulation von Produktionsbohrungen, während eine Durchführung für mehrere Monaten vorwiegend in Injektionsbohrungen vorgenommen wird.
    • Bezugszeichenliste
    • 1
    Lagerstätten matrix
    2
    Bohrloch
    3
    Vorrichtung
    4
    Verschlusseinrichtung (in der Bohrung 2)
    5
    zylinderförmiger Behälter
    6
    Schüttung (des partikulären Katalysators 6a, 6b)
    6a
    partikulärer Katalysator (für Brennstoff 17)
    6b
    partikulärer Katalysator (für Wasserstoffperoxid)
    7
    flexibler Rohrstrang
    8
    Eingangsöffnung
    9
    Auslassöffnung
    10
    Speiserohr
    11
    umlaufende Perforation (im Speiserohr 10)
    12
    Ringraum
    13
    Bodenbereich
    13a
    Bodenblech
    13b
    Halterung
    14
    Deckelbereich
    15
    untere ringförmige Kammer
    16
    obere ringförmige Kammer
    17
    Brennstoff
    18
    aufsteigende Reaktionsprodukte (im Ringraum 12)
    19
    Verbindungselement
    20a
    Perforierung (in der oberen Trennwand 25a)
    20b
    Perforierung (in der unteren Trennwand 25b)
    21
    Bohrlochperforation
    22
    Freiraum (über der Schüttung 6)
    23
    Ventil
    24
    Trommel (für den flexiblen Rohrstrang 7)
    25a
    obere Trennwand
    25b
    untere Trennwand
    26
    austretende Verbrennungsprodukte (aus Vorrichtung 3)
    27
    thermomechanische Mittel (in der Lagerstättenmatrix 1)
    28
    Bohrlochkopf mit Zug-/Druck-Einrichtung

Claims (15)

  1. Vorrichtung (3) zur thermo-mechanischen Behandlung von unterirdischen geologischen Formationen, umfassend
    - einen zylinderförmigen Behälter (5) mit einem Bodenbereich (13) und einem Deckelbereich (14),
    - ein in dem zylinderförmigen Behälter (5) konzentrisch angeordnetes Speiserohr (10), das durch eine Eingangsöffnung (8) im Deckelbereich (14) geführt ist und das im Bodenbereich (13) innerhalb des zylinderförmigen Behälters (5) endet,
    - einen zwischen dem zylinderförmigen Behälter (5) und dem Speiserohr (10) gebildeten Ringraum (12),
    - eine in dem Ringraum (12) zumindest teilweise vorgesehene Schüttung (6) zumindest eines partikulären Katalysators (6a) und
    - zumindest eine in dem Deckelbereich (14) des zylinderförmigen Behälters (5) vorgesehene Auslassöffnung (9),
    wobei das Speiserohr (10) zumindest über einen Teil seiner in dem zylinderförmigen Behälter (5) angeordneten Länge eine umlaufende Perforation (11) aufweist.
  2. Vorrichtung (3) nach Anspruch 1, wobei die Perforation (11) des Speiserohrs (10) in einem dem Bodenbereich (13) zugewandten Abschnitt angeordnet ist.
  3. Vorrichtung (3) nach Anspruch 1 oder 2, wobei der Ringraum (12) zu dem Deckelbereich (14) hin zumindest teilweise durch eine obere Trennwand (25a) abgegrenzt ist, die insbesondere zumindest teilweise eine Perforierung (20a) aufweist.
  4. Vorrichtung (3) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei der Ringraum (12) zu dem Bodenbereich (13) hin zumindest teilweise durch eine untere Trennwand (25b) abgegrenzt ist, die insbesondere zumindest teilweise eine Perforierung (20b) aufweist.
  5. Vorrichtung (3) nach Anspruch 3 oder 4, wobei zwischen der oberen Trennwand (25a) und dem Deckelbereich (14) eine obere ringförmige Kammer (16) vorgesehen ist.
  6. Vorrichtung (3) nach Anspruch 4 oder 5, wobei zwischen der unteren Trennwand (25b) und dem Bodenbereich (13) eine untere ringförmige Kammer (15) vorgesehen ist.
  7. Vorrichtung (3) nach Anspruch 6, wobei die Perforation (11) des Speiserohrs (10) zumindest teilweise in der unteren ringförmigen Kammer (15) angeordnet ist.
  8. Vorrichtung (3) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei die zumindest eine Auslassöffnung (9) in dem Deckelbereich (14) ein Ventil (23) aufweist.
  9. Vorrichtung (3) nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei das Speiserohr (10) über ein außerhalb des Deckelbereichs (14) angeordnetes Verbindungselement (19) mit einem flexiblen Rohrstrang (7) verbindbar ist.
  10. Vorrichtung (3) nach einem der Ansprüche 3 bis 9, wobei zwischen der in dem Ringraum (12) vorgesehenen Schüttung (6) des zumindest einen partikulären Katalysators (6a) und der oberen Trennwand (25a) ein Freiraum (22) vorgesehen ist.
  11. Vorrichtung (3) nach einem der Ansprüche 1 bis 10, wobei die in dem Ringraum (12) vorgesehenen Schüttung (6) zumindest zwei unterschiedliche partikuläre Katalysatoren (6a, 6b) umfasst.
  12. Verfahren zur thermo-mechanischen Behandlung von unterirdischen geologischen Formationen, umfassend die Schritte
    a) Einbringen einer Vorrichtung (3) nach einem der Ansprüche 1 bis 11 in eine Bohrung (2),
    b) Einleiten eines Brennstoffs (17) in die Vorrichtung (3),
    c) katalytisches Verbrennen des Brennstoffs (17) in Gegenwart des zumindest einen partikulären Katalysators (6a),
    d) Abgeben von Verbrennungswärme des katalytischen Verbrennens des Brennstoffs (17) an eine an die Bohrung (2) angrenzende Lagerstättenmatrix (1) und
    e) Einleiten der Verbrennungsprodukte (18) des katalytischen Verbrennens des Brennstoffs (17) in die Lagerstättenmatrix (1).
  13. Verfahren nach Anspruch 12, ferner umfassend zwischen den Schritten a) und b) oder parallel zu Schritt b) ein Vorwärmen zumindest eines Teils einer in der Vorrichtung (3) vorgesehenen Schüttung (6) zumindest eines partikulären Katalysators (6a).
  14. Verfahren nach Anspruch 13, wobei das Vorwärmen zumindest eines Teils der in der Vorrichtung (3) vorgesehenen Schüttung (6) zumindest eines partikulären Katalysators (6a) durch zumindest zeitweises Einleiten einer Wasserstoffperoxid enthaltenden Lösung durchgeführt wird.
  15. Verfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 14, wobei die Zusammensetzung des in Schritt b) eingeleiteten und in Schritt c) verbrannten Brennstoffs mit fortschreitender Dauer des Verfahrens variiert wird.
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