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Verfahren zur unterirdischen Verbrennung in einer ölführenden Formation
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Durchführung einer unterirdischen Verbrennung
in einer ölführenden Formation zum Zweck der Gewinnung von Erdöl, bei der ein Teil
des ursprünglich in der Formation vorhandenen., aus 01, Ölrückstand, Teerstoffen
usw. bestehenden Brennstoffes verbrannt wird.
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Es ist schon vor langer Zeit vorgeschlagen worden, Öl mittels unterirdischer
Verbrennung zu gewinnen. Die großen Schwierigkeiten dieses Gewinnungsverfahrens
betreffen in erster Linie das Aufrechterhalten eines regelmüßigen Fortschreitens
der Verbrennungsfront, das Anlassen der Verbrennung und das Wiederanzünder des Öls
@in der Formation, wenn die Verbrennung aufgehört hat oder aus irgendeinem Grund
abgebrochen wurde.
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Ein bekanntes Verfahren, das Fortschreiten der Verbrennungsfront zu
beeinflussen, besteht darin, daß man den Sauerstoffgehalt des Gemisches aus Luft
und .inerten Gasen, das in die Formation eingeleitet
wird, reguliert.
Dieses Verfahren weist Nachteile auf, da der Einleitungsdruck der Gase nicht konstant
ist, wodurch es immer wieder notwendig wird, den Sauerstoffgehalt des Gasgemisches
zu korrigieren.
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Ein Anzünden des Öls in der Formation um ein Bohrloch wird häufig
m-it Hilfe von heilten Gasen vorgenommen. Es kann dann geschehen, und zwar gewöhnlich,
wenn die Formation verhältnismäßig leichtes 01 führt, daß das Öl in der Nachbarschaft
des Bohrloches vollkommen verschwindet, z. B. infolge Vergasung. Zuweilen ist es
so schwierig, dass übrigibleilbeade, aus Rückstand und Koks bestehende Material
zu verbrennen, daß die Temperatur an Ort und Stelle nicht auf den hohen, für die
Verbrennung erforderlichen Grad ansteigt und es deshalb unmöglich ist, die erforderliche
Verbrennung zu bewirken.
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Schwierigkeiten dieser Art treten, auf, wenn. die Verbrennung aufhört
oder abgebrochen wird und später wieder in Gang gebracht werden muß. Für diesen
Fall ist vorgeschlagen worden, eine Flüssigkeit oder einen gasförmigen Brennstoff
durch das Injektionsbohrloch in die Formation einzupressen. Dieses Verfahren ist
nicht besonders anziehend, insbesondere, wenn sich die Verbrennungsfront nicht mehr
nahe an dem Injektionsbohrloch befindet.
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Das erfindungsgemäße Verfahren umgeht die angedeuteten Schwierigkeiten,
und mit ihm kann man in der Praxis die Verbrennung einfach und leicht regulieren.
Mit Hilfe dieses Verfahrens ist es nicht nur möglich, eine gleichmäßige Verschiebung
der Verbrennungsfront zu erreichen, sondern die Verbrennung kann auch mit seiner
Hilfe erstmalig oder nach Verlöschen wieder in Gang gebracht werden.
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Erfindungsgemäß übt man bei dem Verbrennungsprozeß ein oder mehrere
Male eine solche äußere Kraft auf das Öl in der Formation aus, daß das Druckgefälle
-in dem Öl während der Verbrennung seine Richtung umkehrt, so da.ß das Öl
oder zumindestens ein Teil desselben zeitweise eine Bewegung ausführen kann, die
der Richtung, in welcher sich die Verbrennung normalerweise fortpflanzen sollte,
entgegengesetzt. oder nahezu entgegengesetzt verläuft.
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In dem Maße, in dem die Verbrennungszone fortschreitet, wird das Öl
gegen den Teil der-Formation gedrängt, der noch nicht erhitzt ist. Infolge dieses
Zusammendrängens des Öls kann es sich als notwendig erweisen, in steigendem Maße
höhere Drücke anzuwenden, insbesondere, wenn die Formation verhältnismäßig schweres
01 enthält, um die für die Verbrennung erforderlichen, Sauerstoff abgebenden
Gase (wobei es sich gewöhnlich um Sauerstoff, Luft oder ein Gemisch von Luft, Sauerstoff
und anderen Gasen handelt) durch die Formation zu presse, wonach die Verbrennung
schließlich zurr Stillstand kommen kann.
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Es wurde nun festgestellt, daß man das erfindungsgemäße Verfahren
vorteilhaft anwenden kann, wenn ein solches Zusammendrängen unmittelbar bevorsteht.
Wenn deshalb in der Formation der Druckabfall, den man z. B. durch den Druckunterschied
zwischen dem Injektionsbohrloch und dem Gewinnungsbohrloch mißt, beständig ansteigt
und insbesondere, wenn der Druckabfall anomal hoch ist, kann man den Druck auf das
Injektionsbohrloch einfach zeitweilig vermindern (gegebenenfalls auf Atmosphärendruck
oder sogar darunter) und/oder den Druck auf das Gewinnungsbohrloch erhöhen, so daß
auf das in der Fo -mation befindli:che Öl ein resultierender Druck ausgeübt wird,
der gegen oder annähernd gegen die Richtung erfolgt, in der die Verbrennung normalerweise
fortschreitet. Da der Druck in dem Geiwinnnrngsbohrloch jetzt höher ist als in dem
Einleitungsbohr'loch, kann das Öl @zurückfließen. Nach einliger Zeit kann man den
früheren Zustand wiederherstellen, indem man in üblicher Weise Luft in das Einleitungsbohrloch
preßt. Modelluntersuchungen haben ergeben, daß man auf diese Weise eine bedeutende
Verbesserung erzielen kann, so daß in der Formation wieder für einen ziemlich langen
Zeitraum eine regelmäßige Verbrennung, des Öls sichergestellt war. Zuweilen ist
es notwendig, das Verfahren ein oder mehrere Male ,zu wiederholen, um die obererwähnten
unerwünschten Folgen beim Zusammendrängen des 151s zu verhindern.
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Häufig jedoch braucht man bei dem erfindungsgemäßen Verfahren diese
Notwendigkeit nicht zu berücksichtigen, da durch die Druckumkehrung in der Formation
die Verbrennung an Ort und Stelle günstig beeinflußt wird und gleichmäßiger verläuft,
während zusätzlich die durdi Verdampfen und/oder Cracker des Öls entstandenen leichten
Kohlenwasserstofffraktionen, die sich mit den Verbrennungsgasen vereinigt haben,
mit dem zu gewinnenden Öl in innigere Berührung kommen und dadurch seine Viskosität
vermindern. Dies erleichtert die Fortbewegung des Öls, so daß die Ölgewinnung ansteigt.
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Das vorliegende Verfahren kann man ferner mit Erfolg verwenden, wenn
bei der Entzündung und insbesondere bei der Wiederentzündung des Öls in der Formation
Schwierigkeiten entstehen. Das in der Formation in einigem Abstand von dem Bohrloch
oder der Verbrennungszone vorliegende Öl kann in die Nachbarschaft des Injektionsbohrloches
bzw. in die Verbrennungszone durch Umkehrung der Druckrichtung zurückfließen. Es
hat sich herausgestellt, daß man das Öl gewöhnlich durch einfaches Einleiten von
Luft wieder entzünden kann, wobei es sich als wünschenswert erwies, in dem Injektionsbohrloch
einen Überdruck zu erzeugen, so daß die geringstmögliche Menge sauerstofffreier
Verbrennungsgase in dem Teil zwischen dem Injektionsbohrloch und der Verbrennungszone
verbleibt.
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Wenn in einem besonderen Fall die Temperatur des Öls in der Formation
so weit abgefallen ist, daß es nicht mehr durch Lufteinleiter wieder entzündet werden
kann, kann man z. B. zuerst heiße Verbrennungsgase einblasen und dann das erfindungsgemäße
Verfahren durchführen.
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Bei Durchführung einer unterirdischen Verbrennung zeigt es sich häufig,
daß das Öl, dessen Viskosität
durch das Erhitzen niedrig geworden
ist, vor der Front der Verbrennungszone zurückweicht, so daß die Verbrennung durch
den Mangel an Brennmaterial aufzuhören droht. Die Abnahme der Verbrennungsintensität
kann man durch Analyse der entstehenden Verbrennungsgase erkennen, wobei man den
C 02 und den C O-Gehalt und das Spektrum des gecrackten Gases untersucht. Wenn diese
Analyse einen kontinuierlichen Abfall der Verbrennungsintensität erkennen läßt,
insbesondere, wenn diese Intensität einen sehr niedrigen Wert erreicht, kann- man
das erfindungsgemäße Verfahren vorteilhaft anwenden.
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Um eine Umkehrung der Druckrichtung in der Formation hervorzurufen,
kann man z. B. das oder die Gewinnungsbohrlöcher unter Druck oder unter einen höheren
Druck, als schon im Bohrloch herrschte, setzen. Dies kann man gewöhnlich mit Luft
erreichen. Manchmal ist es jedoch vorteilhaft, ein inertes Gas zu verwenden, z.
B. ein Kohlenwasserstoffgas, da in diesem Fall eine Oxydation des Öls verhindert
wird.
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Wenn man die Druckrichtung umkehrt, hört die Verbrennung gewöhnlich
zeitweilig auf. Nur wenn man Gase, die Sauerstoff abgeben, genügend lang einbläst,
kann die Verbrennung auch während des Zeitabschnittes, bei dem die Druckrichtung
umgekehrt ist, wieder stattfinden.
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Die Dauer der Umkehrung sollte nicht zu ausgedehnt werden, so daß
das Öl nicht in zu großer Menge und zu weit zurückgedrängt wird.
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Es ist häufig wünschenswert, den Druck in der umgekehrten Richtung
größer zu halten, als der Druck während der normalen Verbrennung ist.
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Die unterirdische Verbrennung findet gewöhnlich mit Hilfe eines oder
mehrerer Injektionsbohrlöcher und eines oder mehrerer Gewinnungsbohrlöcher statt,
die in einigem Abstand voneinander in eine ölhaltige Formation führen. Es ist jedoch
auch möglich, ein einziges Bohrloch zu verwenden, bei dem die Injektion und die
Gewinnung in verschiedenen Höhen der ölführenden Formation stattfinden.
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Wenn zwei oder mehrere Gewinnungsbohrlöcher vorliegen, kann man das
Verfahren so durchführen, daß man ein Bohrloch für die tatsächliche Gewinnung reserviert
und das andere dazu verwendet, um eine äußere Kraft auf. das Öl in entgegengesetzter
Richtung auszuüben, wobei das erste Bohrloch' geschlossen bleibt. In diesem Falle
findet die rückläufige Bewegung des Öls häufig nicht genau in der entgegengesetzten
Richtung statt, in der die Verbrennungsfront gewöhnlich verdrängt wird, sondern
weicht etwas von ihr ab.
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In der Praxis führt man das Verfahren häufig so durch, daß man die
unterirdische Verbrennung nur in einem Teil des Feldes stattfinden läßt, um an Ort
und Stelle Hitze zu entwickeln, wonach man Wasser einleitet. Der so entstandene
Dampf und möglicherweise das nachfolgende heiße Wasser verdrängen das Öl von einem
anderen Teil des Feldes und fördern so seine Gewinnung. Man kann das erfindungsgemäße
Verfahren natürlich auch vorteilhaft bei diesem Durchführungsbeispiel für die Verbrennung
anwenden.
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Das erfindungsgemäße Verfahren wird durch zwei Modellversuche weiter
erläutert. Die beiden Versuche wurden in einem vertikalen Eisenrohr von z m Länge
und 8 cm Durchmesser vorgenommen. Das Rohr war gegen io Atm. Druck beständig und
auch gegen Wärmeverlust isoliert.
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Der untere Teil war mit einer -mit Ventil versehenen Luftzufuhrleitung
ausgestattet, der obere Teil mit einer Leitung zum Abziehen der Verbrennungsgase.
Die gasförmigen und flüssigen Produkte wurden in einem Gefäß, das mit dieser Leitung
in Verbindung stand, gesammelt. Die flüssigen Produkte wurden am unteren Teil dieses
Gefäßes -abgezogen und die gasförmigen am oberen Teil mittels mit Ventilen
versehener Leitungen. Das Rohr'wurde mit einem Gemisch von Silbersand *und Rohöl
angefüllt. Die Verbrennung des Öls im Sand wurde mittels eines elektrischen Heizelements
in Gang gebracht, das im unteren Teil des Rohrs angeordnet war. Die Temperatur im
Rohr wuirde mit Hilfe von. Thermoelementen gemessen.
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A. Silbersand mit einer Durchlässigkeit von etwa 3o darcys wurde mit
Tia Juana,-Rehöl von einer Viskosität von 65oo centistokes bei z5° vermischt. Das
Rohr wurde mit dem so erhaltenen Ölsand gefüllt. Die Porosität des Ölsands betrug
37 %, d. h. 63 °% bestanden aus Sand. Der Sättigungsgrad betrug 4204, d. h. 4211/o
des ursprünglichen leeren Raumes zwilschen den SandteäIchein waren mit Öl gefüllt
und 58%, mit Gas.
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Die Durchflußgeschwindigkeit der Luft bei io Atm. betrug 65o 1 je
Stunde, gemessen bei Normalbedingungen. Nach Ausbildung der Verbrennungsfront bei
etwa 6oo° bildete sieh zuergt ein Druckabfall von i Atm. über das Rohr hin. Der
Gegendruck an der Auslaßseite betrug deshalb am Anfang g Atm. Der Druckabfall über
das Rohr hin stieg in 75 Minuten bei konstantem Luftdurchfluß auf etwa io Atm. an,
wobei die Gasgeschwindigkeit abzufallen begann. ' ' Der Abzug am oberen Teil des
Rohrs wurde daraufhin geschlossen, worauf der Druck an dieser Stelle auf etwa 5
Atm. anstieg. Der Druck an der Einlaßseite wurde dann bis auf Atmosphärendruck verringert.
Dies verursachte eine Umkehrung des Druckgefälles im Ölsand. Dieser Zustand wurde
5 Minuten aufrechterhalten.
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Der Injektionsdruck der Luft wurde danach wieder auf io Atm. gebracht,
und es war wiederum .möglich, den Gasstrom an der Seite des Auslasses durch Regulierung
des Ventils auf 650 1 je Stunde zu bringen. Das Druckgefälle über r-das-ganze
Rohr betrug jetzt nur 4,5 Atm.
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Die Zunahme des Druckgefälles über das Rohr auf io Atm. wurde offensichtlich
dadurch bewirkt, daß das sehr viskose Ö1 gegen den oberen Teil des Rohrs gedrängt
wurde. - Durch Verwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens konnte man dieses Druckgefälle
auf einen viel kleineren Wert verringern, so daß die Verbrennung des Öls wieder
in Gang gesetzt werden konnte.
Nach etwa i Stunde war das Druckgefälle
wieder auf io Atm. gestiegen. Das obige Verfahren wurde dann wiederholt, wobei jedoch
der umgekehrte Druckverlauf 15 Minuten lang aufrechterhalten wurde. Infolgedessen
wurde das Druckgefälle im Rohr auf 1/2 Atm. vermindert.
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Im weiteren Verlauf des Versuches wurde das Verfahren noch einmal
wiederholt. Auf diese Weise war es möglich, eine im wesentlichen konstante Verbrennung
des Öls im Rohr aufrechtzuerhalten. Insgesamt wurden 56°/o des in der Sandschicht
vorhandenen Öls gewonnen.
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B. Eine bestimmte Menge Cabimas-Rohöl mit einer Viskosität von 28o
centistokes bei a5° wurde mit Silbersand mit einer Durchlässigkeit von etwa 3o darcys
vermischt, so daß man einen Ölsand mit einem Sättigungsgrad von 40"/o erhielt.
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Nachdem man den Ölsand im Rohr durch elektrische Heizung auf die Entzündungstemperatur
von 300° gebracht hatte, wurde Luft mit einem Druck von io Atm. mit einer Geschwindigkeit
von 650 1 je Stunde, gemessen unter Normalbedingungen, eingeführt. Infolge
der Ölverbrennung stieg die Temperatur auf 55o°. Anfangs wurde beobachtet, daß die
Verbrennung gleichmäßig fortschritt.
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Nach einiger Zeit jedoch begann der C 02 Gehalt des entwickelten Gases,
der ursprünglich 8% betrug, langsam auf etwa i o/o abzufallen. Gleichzeitig fiel
die Temperatur in der Verbrennungszone auf unter q.00° ab, was ein Anzeichen dafür
war, daß an Ort und Stelle nicht mehr hinreichend Öl vorlag, um die Verbrennung
aufrechtzuerhalten.
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Dann wurde erfindungsgemäß der obere Teil des Rohrs geschlossen, so
daß an dieser Stelle der Druck auf 6,5 Atm. anstieg, während der Druck im unteren
Teil des Rohrs auf Atmosphärendruck vermindert wurde. Dieser Zustand wurde io Minuten
aufrechterhalten.
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Der Druck im unteren Teil wurde dann wieder auf io Atm. gebracht,
und die Temperatur stieg um etwa ioo° und der C02 Gehalt auf 14% an. Dies zeigt,
daß das Öl in die Verbrennungszone zurückgeführt wurde und daß die Verbrennung wieder
in Gang gebracht worden war.
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Nach i1/2 Stunden, während welcher Zeit die Verbrennung 35 cm fortgeschritten
war, zeigte sich, daß die Temperatur der Verbrennungsfront wieder unter 4oo° gesunken
war. Ebenso war der C 02-Gehalt zurückgegangen. Das ; rfindungsg°mäße Verfahren
wurde nun wiederholt. Danach schritt die Verbrennung weiterhin regelmäßig fort.
Die gesamte Ölausbeute betrug 73'10.
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Während des ganzen Versuchs betrug das Druckgefälle über das ganze
Rohr hinweg nicht mehr als einige Atmosphären, so daß eine Verstopfung durch Ölansammlung
ausgeschlossen war.
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Für einen allgemeinen Vergleich mit den Bedingungen der Praxis mag
hinzugefügt werden, daß die Zeitdauer von i Minute in dem Modellversuch einer Zeitdauer
von einigen Wochen oder Monaten bei der Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens
in der Praxis entspricht.