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E x t r a k t i o n v o n K o h l e n w a s s e r -
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stoffen.
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Die Erfindung betrifft die Extraktion von Kohlenwasserstoffen aus
unterirdischen Kohlenwasserstoff-Ablagerungen.
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Im nördlichen Teil der kanadischen Provinz Alberta befinden sich Lagerstätten
sogenannter "Teersande" (, die man wahrscheinlich richtiger bituminöse Sande nennen
sollte). Gelegentlich liegen die Lagerstätten an der Oberfläche frei, sind jedoch
im allgemeinen von einer Bodenschicht unterschiedlicher Dicke bedeckt. Die bituminösen
Sande enthalten einen großen Anteil Quarzsand von z.B. 80%, kleine Mengen Ton, ungefähr
5% Wasser und ungefähr 15, häufig jedoch auch weniger Gewichtsprozent Bitumen. Man
schätzt, daß die bituminösen Sand-Ablagerungen mehr als 1012 Barrels Öl enthalten,
Schon seit Jahren werden Anstrengungen zur Gewinnung des öls unternommen. Verschiedene
Gewinnungsverfahren sind vorgeschlagen
worden. Zu diesen geHört
der Vorschlag, den Sand abzubauen und anschließend das Rohöl aus dem Sand zu extrahieren.
Mit dem Abbau und der zugeordneten Extraktion sind jedoch unvertretbar hohe Kapitalinvestitionen,
hoher Energieeinsatz, ökologische Schäden und Kosten für Extraktion und Raffination
verbunden.
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Weitere Vorschläge gehen dahin, daß Rohöl aus den Sanden an Ort und
Stelle, d.h. in situ ohne vorherigen Abbau des Sandes zu extrahieren. Unter Berücksichtigung
der Erkenntnis, daß die meisten abbauwürdigen Rohöllager sehr viel tiefer als die
bituminösen Sande in Alberta liegen und daher höheren Temperaturen und Drücken als
diese ausgesetzt sind, wurde der Vorschlag gemacht, auf künstlichem Wege in den
bituminösen Sanden Albertas gleiche Bedingungen zu erzeugen. Kein Erfolg brachte
der Einsatz von Wechselstrom, der an zwei in eine bituminöse Sand-Ablagerung eingebettete
Elektroden angelegt wurde, um einen Abschnitt der bituminösen Sand-Ablagerung durch
Stromwärme zu erwärmen. Dies lag gewöhnlich an der Bildung verkohlter Strompfade
zwischen den Elektroden, wodurch die Stromstärke begrenzt wurde. Da die thermische
Leitfähigkeit der Ablagerungen relativ klein ist, konnte durch Erwärmung einzelner
Pfade relativ kleiner Abmessungen innerhalb einer bituminösen Sand-Ablagerung auch
keine Erhöhung der Gesamttemperatur der Ablagerung oder wenigstens eines ausreichend
großen Volumens derselben auf einen gewünschten Wert erzielt werden.
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Ein weiterer Vorschlag geht dahin, Rohöl aus unterirdischen bituminösen
Sand-Ablagerungen durch gewaltsames Einleiten von Dampf in die Ablagerung zu extrahieren
und das Bitumen zu emulgieren. Der Einsatz von Dampf erfordert jedoch die Erzeugung
großer Mengen Prozeßwärme an der Oberfläche. Außerdem
gibt es das
Problem, daß der Dampf nicht immer im zum ausreichenden Maß auf denjenigen Abschnitt
der Abl-agerung beschränkt werden kann, aus welchem das Rohöl extrahiert werden
soll. Der Dampf hat vielmehr dic Neigung, aus behandelten Ablagerung auszublasen.
Bin zu einer halben Tonne Dampf war zur Gewinnung eines Barrels Rohöl erforderlich.
Außerdem zeigen die heiben Emulsionen, die einen hohen pH-Wert haben, die Neigung,
Quarz zu lösen und Ton @u verdrängen, woraus sich Fließ- und Trennungsprobleme er@@-ben.
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Weiterhin Ist auch vorgeschlagen worden, einen-Teil des Rohöls an
Ort und Stelle abzubrennen und dadurch so viel Wärme zu erzeugen, daß sich die Temperatur
des verbleibenden Teils des Rohöls ausreichend genug erhöht, daß es in geeignete
Bohrungen fließen kann, aus denen es sich dann extrahieren oder abziehen läßt. Diese
Verfahren sind jedoch bis heute im großen und ganzen unbefriedigend geblieben und
würden selbst bei zufriedenstellender praktischer Durchführbarkeit einen großen
Teil der im unterirdischen Rohöl gespeicherten Energie aufgrund des Verbrennungsvorganges
vergeuden.
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Auch Kernexplosionen, allerdings ohne experimentelle Überprüfung,sind
schon erwogen worden, um die Temperatur und den Druck in einer unterirdischen Ablagerung
zu erhöhen und dadurch die Gewinnung mindestens eines Teils des Rohöls zu ermöglichen.
Sicherlich jedoch würde das Rohöl durch eine Kernexplosion mindestens teilweise
verkohlt. Außerdem wäre der überwiegende Anteil oder sogar das gesamte Rohöl, das
sich mit einem solchen Verfahren, wenn es überhaupt praktikabel wäre, gewinnen liesse,
radioaktiv verseucht.
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In Cotorado und anderen Gebieten der Vereinigten Staaten befinJ*n
sich große 1schiefer-Lager. Manchmal liegen die Olschie-fer-Ablagerungen an der
Oberfläche frei, sind jedoch im altgemeinen von anderen Formationen überdeckt. In
den Glschinfern ist Kerogen eingeschlossen oder angebunden.
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Auch kier ist die Extraktion des öles aus dem Schiefer bis heute wirtschaftlich
nicht attraktiv wegen der schwierigen Probleme im Zusammenhang mit der Trennung
des öls vom Schiefer.
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Schließlich gibt es in vielen Teilen Nordamerikas beträchtliche unterirdische
Lignit-Ablagerungen. Eine wirtschaftlich rentable Methode zur Gewinnung des Lignits
ist nicht bekannt. Der mechanische Abbau hat sich in der überwiegenden Anzahl der
Fälle als unmöglich oder extrem gefährlich erwiesen wegen der ernsthaften Gefahr,
daß öl oder Gas, die häufig in Verbindung mit Lignit-Ablagerungen angetroffen werden,
explodiert. Die Lignit-Ablagerungen stellen eine große potentielle Kohlenwasserstoff-Reserve
dar, und es existiert ein Bedürfnis für eine sichere und befriedigende Methode zur
Gewinnung dieser Kohlenwasserstoffe.
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Entsprechend liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren
anzugeben, mit welchem auch solche Kohlenwasserstoffe in sicherer und ökonomischer
Weise gewonnen werden können, die mit den bisherigen Verfahren nicht abbauwürdig
waren.
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Die erfindungsgemäße Lösung dieser Aufgabe besteht in einem Verfahren
zur Extraktion und auch Verarbeitung unterirdischer Kohlenwasserstoffe, die sich
in einer unterirdischen
Kohlenwasserstoff- oder kohlenwasserstoffhaltigen
Ablagerung befinden, daß durch elektrische Induktionserwärmung eines bestimmten
Abschnittes der Ablagerung an Ort und Stelle auf eine Temperatur, die zur Verdampfung
oder Vergasung mindestens einiger der Kohlenwasserstoffe in dem Abschnitt ausreicht,
und durch anschließendes Sammeln der verdampften oder vergasten Kohlenwasserstoffe
an Ort und Stelle gekennzeichnet ist.
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Unter "Kohlenwasserstoffen" werden eine oder mehrere Bestandteile
natürlich vorkommender Ablagerungen von Rohöl, Kerogen, Lignit u.s.w. verstanden,
die aus den Elementen Wasserstoff und Kohle, manchmal unter Einschluß zusätzlicher
anderer Elemente, zusammengesetzt sind.
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Innerhalb der ökonomisch gegebenen Grenzen wird die Erwärmung vorzugsweise
ungefähr gleichförmig im ganzen Abschnitt der Ablagerung bewirkt. Dadurch erreicht
man, daß alle Teile der Ablagerung die gleichen Fraktionen der abgelagerten Kohlenwasserstoffe
nach einer gleichen oder ungefähr gleichen Zeitspanne abgeben, und kann so zum Beispiel
weitgehend das Problem vermeiden, daß ein Teil der Ablagerung verkokt, während ein
anderer Teil noch verdampfende leichte Fraktionen bei relativ niedriger Temperatur
abgibt und in einem wiederum anderen Teil der Ablagerung die flüchtigen Fraktionen
bereits vollständig erschopft sind, so daß Freiräume vorhanden sind, durch die Sauerstoff
eindringen kann, welcher Brände verursacht und dadurch die Gewinnung maximal möglicher
Kohlenwasserstoff-Mengen verhindert. Die Induktionserwärmung der Ablagerung scheint
das beste Mittel zur Erzielung einer annehmbar gleichmäßigen Erwärmung unter gleichzeitiger-Vermeidung
der Verbrennung der Kohlenwasserstoffe zu sein. hierzu wird für Einzelheiten auf
die am
gleichen Tage eingereichte Patentanmeldung "Erwärmung von
Kohlenwasserstoff-Ablagerungen" der gleichen Anmelder hingewiesen, deren Offenbarung
hiermit auch zum Inhalt der vorliegenden Anmeldung gemacht wird.
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In vielen Fällen zeigt die Kohlenwasserstoff-Ablagerung eine Neigung
zur Verkokung bei ausreichend erhöhten Temperaturen. Die Verkokungsprodukte werden
jedoch häufig bei weiterer Erwärmung ausreichend gekrackt, so daß die Kohlenwasserstoff-Bestandteile
als gasförmige oder verdampfte Fraktionen ausgetrieben werden können. Für das Kracken
kann ein Katalysator hilfreich oder notwendig sein; in einem solchen Fall läßt sich
ein geeigneter Katalysator über geeignete Injektions-Bohrungen in die Ablagerung
einleiten. So können also zuerst die leichten Fraktionen, die bei Temperaturen unterhalb
der Verkokungs-Temperatur in Dampf- oder Gasform übergehen, aus üblichen Gas- oder
Destillat-Extraktions-Bohrungen gesammelt werden, und anschließend kann die Temperatur
der Ablagerung auf die Verkokungs-Temperatur und noch weiter auf die Krack-Temperatur
angehoben werden, um danach zusätzliche gasförmige oder verdampfte Kohlenwasserstoff-Fraktionen
aus den gleichen Extraktions-Bohrungen sammeln zu können.
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Während des gesamten Vorganges können einige Kohlenwasserstoffe als
Flüssigkeiten fließen oder aus verdampften Fraktionen kondensieren und dann aus
Flüssigkeits-Sammel-Bohrungen gewonnen werden.
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Mit der Erfindung wird der bedeutende Vorteil erreicht, daß nicht
nur die eigentliche Extraktion, sondern auch mindestens ein Teil der Raffination
unterirdisch geschieht. Hierdurch wird die in den Untergrund eingegebene Wärme sehr
weitgehend wirksam genutzt. Außerdem werden einige der ernsthafteren
Raffinations-Probleme
vermieden, mit denen bisher gerechnet werden mußte; hierzu gehören das Problem der
Trennung suspendierten Tones von Rohöl, das aus einem bituminösen Sand-Lager gewonnen
wurde.
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Darüberhinaus besteht die Möglichkeit, nach dem Sammeln anderer Fraktionen,
die im Anschluß an das Kracken der Verkokungsprodukte ausgetrieben werden konnten,
Luft in die unterirdische Ablagerung einzuleiten oder zu injizieren und dadurch
eine Verbrennung der nichtextrahierbaren Kohlenwasserstoff-Reste zum Zwecke der
Wärmeerzeugung zu bewirken. Diese Wärme kann beispielsweise durch Wärmeaustausch
mit den Abgasen gewonnen werden oder durch Injektion von Wasser in die heiße unterirdische
Masse und Rückgewinnung des Wassers in Form von Dampf. Der Dampf kann dann z.B.
zum Antrieb von Turbinen für die Erzeugung von Elektrizität oder als Prozeßdampf
für anschließende Raffinations-Stufen verwendet werden. Andere Verwendungsmöglichkeiten
für die aus dem Untergrund gewonnene Wärme dürften für den Fachmann auffindbar sein.
Es ist allerdings anzumerken, daß die unterirdischen Reste sehr häufig einen hohen
Schwefelgehalt aufweisen dürften, so daß durch Abbrennen der Reste Schwefeldioxid
und möglicherweise andere gasförmige schwefelhaltige Verbindungen entstehen, -was
unerwünscht sein kann. Daher kann der letzte Verfahrensschritt des Abbrennens gewünschtenfalls
auch weggelassen werden.
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Alternativ kann der in den Gasen enthaltene Schwefel mit bekannten
Methoden als elementarer Schwefel gewonnen werden.
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Aus Obigem ergibt sich außerdem, daß die Erfindung nicht nur eine
Möglichkeit zur Extraktion von öl aus Sanden oder Schiefer, sondern auch von Kohlenwasserstoffen
aus Lignit-Ablagerungen bietet1 die bisher in der Praxis der Menschheit nicht zur
Verfügung standen. Die Erwärmung einer unterirdischen
Lignit-Ablagerung
kann ebenfalls mit der Induktionsmethode bewirkt werden, wie sie in der bereits
zitierten anderen Patentanmeldung der Anmelder im einzelnen erläutert ist.
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Auch das Lignit hat wie andere Rohöl-Ablagerungen die Neigung, bei
erhöhter Temperatur zu verkoken; es kann danach in gasförmige oder verdampfte Kohlenwasserstoff-Fraktionen
gekrackt werden, die sich dann in Extraktions-Bohrungen im wesentlichen in der gleichen
Weise wie bei der Extraktion von Rohöl-Gasen oder kondensierten Destillaten sammeln
lassen.
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Im folgenden ist die Erfindung mit weiteren vorteilhaften Einzelheiten
anhand schematisch dargestellter Ausführungsbeispiele näher erläutert. In den Zeichnungen
zeigen: Figur 1 - eine schematisierte Seitenansicht eines leitfähigen Weges und
zugeordneter elektrischer Geräte an der Oberfläche zur Induktionserwärmung eines
bestimmten Abschnittes einer bituminösen Sand-Ablagerung oder dergleichen, Figur
2 - eine schematisierte Draufsicht auf die Anordnung gemäß Figur 1, Figur 3 - eine
Schemaansicht eines Musters geradliniger Bohrlöcher,.die so angeordnet sind, daß
der leitfähige Weg gemäß Figur 1 simuliert wird, Figuren 4 und 5 - jeweils eine
schematisierte isometrische Ansicht eines alternativen unterirdischen leitfähigen
Weges für die Induktionserwärmung eines Volumens bituminösen Sandes oder dergleichen.
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Die folgende Beschreibung bezieht sich in der Regel auf bituminöse
Sand-Ablagerllngen. Hierin soll jedoch keine Beschränkung gesehen werden; das zur
erläuternde Verfahren und die zu erläuternde Vorrichtung nach der Erfindung können
sinngemäß auch auf andere unterirdische Kohlenwasserstoff-Ablagerungen angewandt
werden.
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Gemäß Figur 1 liegt eine bituminöse Sandschicht 1 zwischen einem Deckgebirge
2 und einem Felsboden 3. Innerhalb der bituminösen Sandschicht verläuft ein elektrischer
Leiter 11 längs eines ungefähr Bchraubenlinien- bzw. wendelförmigen Weges, der das
Volumen ABCD innerhalb der bituminösen Sandschicht
im wesentlichen
umschließt. In der Draufsicht auf den gleichen Bereich gemäß Figur 2 ist das gleiche
Volumen mit ABEF bezeichnet. An jedem Ende der Schraubenlinie bzw. der Wendel erstreckt
sich der Leiter 11 längs je eines Weges bzw. mit je einem Abschnitt 11a bzw. 11b
vertikal nach oben bis zur Erdoberfläche 4.
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Von dort ist der Leiter auf der Erdoberfläche mit zwei weiteren, freiliegenden
Abschnitten 11c und 11d zur Sekundärwicklung eines Transformators 15 geführt. Dieser
ist so dicht wie möglich an der Austrittsstelle des Leiters aus der Erde angeordnet,
um ohmsche Oberflächen-Verluste kleinzuhalten.
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Der Transformator 15 ist ein Abspanntransformator, der den unterirdischen
Leiter 11 mit einer relativ niedrigen Spannung und einer hqhen Stromstärke beaufschlagt.
Primärseitig wird der Transformator 15 mit Wechselstrom aus einer Hochspannungs-Fernleitung
17 über einen Umformer 19 zur Frequenzwandlung und Wellenformänderung und eine Steuereinheit
21 gespeist.
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Mit dem wendelförmigen Leiter 11 liegt ein Kondensator 13 in Serie,
der Resonanz des Leiters 11, welcher aufgrund seiner Gestalt eine beträchtliche
Induktivität hat, bei der gewählten Betriebsfrequenz bewirkt.
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Experimentelle Untersuchungen lassen erwarten, daß die induktive Wärmeentwicklung
in der bituminösen Sandschicht von der Frequenz des im Leiter 11 fließenden Wechselstromes
und auch von der Gestalt seiner Wellenform abhängt, wobei eine zusätzliche Abhängigkeit
von der Temperatur und anderen Parametern während der Erwärmung der unterirdischen
Masse
gegeben sein kann. Aus diesem Grunde ist der Umformer 19 vorgesehen; mit ihm lassen
sich Frequenz und Gestalt der Wellenform des dem Leiter 11 zugeführten Wechselstromes
in gewünschter Weise beeinflussen. Sollte sich jedoch später zeigen, daß Frequenz
und Wellenform-Gestalt des von der Fernleitung 17 gelieferten Wechselstromes unmittelbar
richtig sind, kann der Umformer 19 weggelassen und stattdessen der Transformator
15 über die Steuereinheit 21 unmittelbar an die Fernleitung 17 angeschlossen werden.
(In Nordamerika wird die Fernleitung 17 gewöhnlich Wechselstrom mit einer Frequenz
von 60Hz und sinusförmiger Wellenform führen).
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Die Steuereinheit 21 soll die Einstellung der Stromstärke ermögliche,
mit welcher der Transformator 15 den unterirdischen Leiter 11 beaufschlagt. Nach
einer angemessenen Zeitspanne wird die Temperatur mindestens eines bedeutenden Anteil
es des Volumens ABCD innerhalb der bituminösen Sandschicht fortschreitend einen
solchen Wert erreichen,bei welchem sich die Fließfähigkeit des Rohöls soweit verbessert
hat, daß es in einer Sammelbohrung oder dergleichen zusammenfließt. Daher ist mindestens
ein Thermoelement 23 an geeigneter Stelle innerhalb des Volumens ABCD angeordnet
und über Zuleitungsdrähte 25 mit der Steuereinheit 21 verbunden. Das Thermoelement
23 erfaßt die Temperatur der bituminösen Sandschicht in dem vom Leiter 11 umschlossenen
Abschnitt. In ihrer einfachsten Ausbildung kann die Steuereinheit 21 einen temperaturempfindlichen
Schalter aufweisen, der sich schließt, wenn die vom Thermoelement 23 festgestellte
Temperatur unter eine bestimmte untere Grenze fällt, und der sich öffnet, wenn die
festgestellte Temperatur über eine vorbestimmte obere Grenze ansteigt.
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Bei industriellen Induktionswärme-Geräten wird eine zylindrisch-wendelförmige
Spulen-Konfiguration häufig angetroffen,
da das elektromagnetische
Feld innerhalb der Wendel am stärksten und gleichförmig ist und seine Intensität
außerhalb der Wendel-Spule abnimmt, Wenn das Material innerhalb des von der Wendel
umschlossenen Volumens ebenfalls relativ gleichförmig ist, kann daher erwartet werden,
daß die induktive Wärmeenergie zu praktisch allem Material, das von der Spule umschlossen
ist, übertragen und eine gleichförmige Erwärmung des gesamten Materials erzielt
wird. Das Obengesagte trifft auch auf eine Toroid-Spule zu, wobei mit einem Toroid
zusätzlich noch die bei einer Wendel auftretenden Endverluste vermieden sind. Wenn
es sich in der jeweiligen Situation ökonomisch rechtfertigen läßt, kann daher ein
Toroid oder ein simulierter Toroid anstelle einer Wendel angewandt werden.
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Das Maß der Energieabsorption aus dem bendelförmigen leitfähigen Weg
nimmt mit der Intensität des erzeugten elektromagnetischen Feldes zu, außerdem mit
der Leitfähigkeit des energieabsorbierenden oder -aufnehmenden Materials, das innerhalb
des Wendels angeordnet ist. Das Maß der Energieabsorption nimmt außerdem innerhalb
bestimmter Grenzen mit ansteigender Frequenz zu. Aufgrund von Resonanzeffekten kann
sich für eine bestimmte Situation bezüglich der Energieabsorption eine optimale
Frequenz ergeben, welche sich aber ersichtlicherweise während der Dauer der Erwärmung
und während des Extraktionsvorganges ändern kann.
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Eine Wendel,die rechtwinklig zu der Wendel gemäß Figuren 1 und 2 orientiert
ist, läßt sich möglicherweise leichter als die Wendel gemäß Figuren 1 und 2 herstellen.
Figur 4 zeigt einen solchen wendelförmigen Weg, der im wesentlichen den Abschnitt
bzw. das Volumen GHIJ umschließt, welches durch Induktion erwärmt werden soll.
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Jedenfalls läßt sich die Wendel gemäß Figuren 1 und 2 durch eine Anzahl
untereinander verbundener geradliniger leitfähiger Wege simulieren, die sich in
der aus Figur 3 ersichtlichen Weise herstellen lassen. Die leitfähigen Wege gemäß
Figur 3 sind in geradlinigen, mit einander verbundenen Bohrlöchern ausgebildet.
Es werden vertikale Bohrlöcher 31 und 71 hergestellt. Bohrlöcher 33, 35, 37, 39,
41, 43, 45, 47, 49, 51, 53, 55, 57, 59, 61, 63, 65, 67 und 69 werden unter geeigneten
Winkeln gegenüber der Erdoberfläche so hergestellt, daß sich diese Bohrlöcher gegenseitig
und mit den vertikalen Bohrlöchern 31 und 71 an Punkten 73, 75, 77, -79, 81, 83,
85, 87, 89, 91, 93, 95, 97, 99, 101, 103, 105, 107, 109, 111 und 113 schneiden,
wodurch ein simulierter wendelförmiger oder schraubenlinienförmiger Weg entsteht,
welcher am Punkt 73 beginnt und am Punkt 113 endet. Einzelne Leiter können in den
jeweils richtigen Abschnitten, z.B. zwischen den Schnittpunkten und zwischen der
Erdoberfläche und den Punkten 73 und 113, der genannten Bohrlöcher angeordnet und
an den genannten Schnittpunkten untereinander so verbunden werden, daß ein durchgehender
leitfähiger Weg gebildet ist, welcher mit dem vertikalen Abschnitt 31 beginnt und
mit dem vertikalen Abschnitt 71 endet.
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Alternativ können gemäß Figur 5 mehrere, ungefähr rechteckige leitfähige
Schleifen gebildet werden, von denen jede innerhalb einer Ebene liegt und die Ebenen
der einzelnen Schleifen parallel zueinander sind, so daß ein umschlossenes Volumen
KLMNOP definiert wird. Natürlich bleiben die rechteckigen Schleifen an einer Stelle,
z.B. an einer Ecke, offen, damit ein Stromfluß.durch die Schleife möglich ist. Die
Schleifen werden dann an der Oberfläche in der aus Figur 5 ersichtlichen
Weise
untereinander so verbunden, daß zwischen dem an der Oberfläche freiliegenden Anschluß
123 und dem freiliegenden Anschluß 125 ein durchgehender Stromkreis entsteht. Weitere
mögliche Anordnungen aus untereinander in Serie oder parallel verbundenen Schleifen
dürften vom Fachmann auffindbar sein.
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Das Deckgebirge und der Felsboden, welche die unterirdischen bituminösen
Sandschichten in Alberta nach oben und nach unten begrenzen, haben regelmäßig eine
deutlich niedrigere thermische Leitfähigkeit als der bituminöse Sand.
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Entsprechend darf erwartet werden, daß Wärmeverluste aus den Rohöl-Ablagerungen
klein bleiben. Wärmeverluste aus dem vom Leiter umschlossenen Volumen des bituminösen
Sandes werden im allgemeinen in Querrichtung auftreten, und zwar in Bereiche des
bituminösen Sandes, die außerhalb des vom Leiter umschlossenen Volumens liegen.
Diese "Verluste" lassen sich zum Vorteil nutzen, wenn auch die benachbarten Volumina
oder Abschnitte des bituminösen Sandes induktiv erwärmt werden, so daß der "Verlust'§
eines bestimmten, umschlossenen Volumens bituminösen Sandes in nützlicher Weise
zur Erhöhung der Temperatur eines benachbarten umschlossenen Volumens bituminösen
Sandes, aus welchem Rohöl extrahiert werden soll, beiträgt.
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In der Tat wird daran gedacht, eine ganze Anordnung induktiv erwärmter
Volumina bituminösen Sandes gleichzeitig zu bearbeiten und sich nach einem Programm
für fortlaufende Bohrungen, Leiterverlegung, Induktionserwärmung und Rohöl-Extraktion
fortschreitend auf benachbarte Volumina der rohölhaltigen bituminösen Sand-Ablagerungen
auszubreiten.
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Wenn es aus bestimmten Gründen angestrebt wird, ein spezielles Volumen
bituminösen Sandes für längere Zeit auf einer erhöhten Temperatur zu halten, kann
die Steuereinheit 21 den Strom, welcher dem unterirdischen Leiter 11 zugeführt wird,
so verstellen, daß gerade nur die Wirbelstrom-Wärmeenergie an das umschlossene Volumen
bituminösen Sandes abgegeben wird, die zur Kompensation der im Laufe der Zeit auftretenden
kleinen Wärmeverluste ausreicht.
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Hierfür dürfte wegen der niedrigeren thermischen Leitfähigkeit der
oben und unten liegenden Erd- und Felsformationen ein relativ kleiner Energieeinsatz
ausreichen.
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Obwohl der simulierte wendelförmige leitfähige Weg gemäß Figur 3 oder
andere anwendbare mögliche Konfigurationen, z.B. gemäß Figur 5, kein vollständig
gleichförmiges elektromagnetisches Feld in dem vom leitfähigen Weg umschlossenen
Volumen erzeugen, kann der leitfähige Weg innerhalb annehmbarer Grenzen doch so
ausgelegt werden, daß das elektromagnetische Feld im Volumen mit so ausreichender
Annäherung gleichförmig ist, daß der Unterschied zwischen der höchsten und der niedrigsten
Temperatur, die im umschlossenen Volumen anzutreffen sind, hingenommen werden kann.
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Das Bitumen hat im natürlichen Zustand eine relativ niedrige Temperatur,bei
der es sehr viskos ist und kaum fließt. Nach einer Erhöhung der Temperatur des Bitumens
durch die Induktionserwärmung auf ungefähr 95°C hat es eine Viskosität von 2 Poise,was
ungefähr der Viskosität eines SAE-20-Motoröls bei Raumtemperatur entspricht. Es
ist möglich, daß bei dieser Temperatur etwas Bitumen in flüssiger Phase in Extraktionsbohrungen
einfließt, die an verschiedenen Stellen des erwärmten Abschnittes der unterirdischen
bitumenhaltigen Ablagerung in üblicher Weise niedergebracht sein können. Vermutlich
jedoch
wird das einfache Anheben der Temperatur auf einen Wert in der Größenordnung von
95°C nicht ausreichen, um eine große Menge Bitumen mit reduzierter Viskosität extrahieren
zu können. Außerdem wird alles bei dieser Temperatur erhältliche Bitumen wahrscheinlich
noch suspendierte Tonteilchen und andere Verunreinigungen enthalten, die unerwünscht
sind und deshalb aus dem Bitumen in einem anschließenden Raffinationsschritt entfernt
werden müssen.
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Wenn die Temperatur der erwärmten Masse über 95 0C hinaus ansteigt
und den Siedepunkt des Wassers erreicht, wird der Wasserfilm, der die einzelnen
Sandteilchen der bituminösen Sand-Ablagerungen in der Regel umgibt, sieden und in
Dampfform zu entweichen suchen. Diese Dampferzeugung dürfte sowohl einen positiven
wie auch einen negativen Einfluß auf den gesamten Extraktionsvorgang haben. Im positiven
Sinne wird der Dampf innerhalb der erwärmten Maße Druck erzeugen mit dem Resultat,
daß durch den auf das Bitumen ausgeübten Dampfdruck das Abfließen des Bitumens in
Extraktions-Bohrungen erleichtert wird. Andererseits trägt das die einzelnen Quarz-Sandteilchen
umschließende Wasser zur relativ hohen Leitfähigkeit der induktiv erwärmten Masse
bei, weshalb die Masse sehr viel weniger Energie aus dem angelegten elektromagnetischen
Feld absorbieren kann, wenn das Wasser in Dampfform entweichen darf. Letzteres läßt
geeignete Kompensationsmaßnahmen geraten erscheinen. Hierzu gehört z.B. die Zurückführung
des Dampfes, so daß eine gewisse Wassermenge in Form von Dampf innerhalb der erwärmten
Masse verbleibt. Außerdem kann es notwendig sein, weitere leitfähige Stoffe über
Injektions-Bohrungen in die erwärmte Masse einzuleiten. Solche weiteren leitfähigen
Stoffe sollten vorzugsweise als Flud, d.h. entweder als Gas, Flüssigkeit
o'er
Dampf, oder als ein Feststoff-Flud aus Feinteilchen vorliegen. Auch kann es notwendig
sein, die Stärke des angelegten elektromagnetischen Feldes zur Kompensation des
zu erwartenden Abfalls der Leitfähigkeit der erwärmten Masse zu erhöhen.
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Bei Erwärmung der Masse auf ungefähr 1750C werden einige der leichteren
Fraktionen der abgelagerten Kohlenwasserstoffe in Dampf oder Gasform übergehen und
können dann über übliche Extraktions-Bohrungen, die zum Sammeln dieser Fraktionen
niedergebracht wurden, abdestilliert werden.
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Entsprechende Extraktionsmethoden sind im Stand der Technik bekannt.
Nach weiterem Anstieg der Temperatur der erwärmten Masse von 1750C auf ungefähr
3150C wird in der Regel mindestens die Hälfte des vorhandenen Bitumen in Form leichter
Fraktionen als Gas oder Dampf wegdestilliert sein. Oberhalb 3150C wird sich das
restliche Bitumen in Koks umwandeln, was eine extrem viskose,nahezu feste Substanz
ist. Wenn die Temperatur des Kokses erhöht wird, spaltet sich der Koks bei ungefähr
370 0C in gasförmige oder dampfförmige Fraktionen.
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Es können an sich bekannte Katalysatoren durch geeignete Injektions-Bohrungen
in die Masse injiziert werden, um das Kracken des Kokses zu unterstützen.
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Zum Erhalt der meisten, wenn nicht aller Fraktionen, die durch Kracken
und Destillieren des Kokses erzeugt werden können, braucht die Masse auf nicht mehr
als 5400C erwärmt zu werden. Bei dieser Temperatur sind dann vermutlich nur noch
ungefähr 15% der ursprünglichen Bitumen-Masse in der Ablagerung verblieben.
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Da die Temperatur der Masse mit der Induktionserwärmung praktisch
gleichförmig und stetig von der natürlichen Temperatur auf beispielsweise 5400C
erhöht werden kann, werden
die verfügbaren Kohlenwasserstoff-Fraktionen
in regelmäßiger Folge wegdestillieren, weshalb der erläuterte Extraktionsprozeß
teilweise auch als Raffinationsprozeß angesehen werden muß. Natürlich können die
gesammelten Fraktionen in einem oberirdischen üblichen Raffinationsprozeß noch weiterer
Reinigung, Fraktionierung u.s.w.
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unterzogen werden. Es darf jedoch erwartet werden, daß die abdestillierten
und dann gesammelten Rohöl-Fraktionen von vielen Verunreinigungen, z.B. suspendiertem
Ton, frei sind, die beim Sammeln der Fraktionen in flüssiger Phase vorhanden wären.
Weiterhin kann das Rohöl an der Erdoberfläche mit relativ hoher Temperatur zur Verfügung
gestellt werden, wodurch die TTärmemenge, die für die Vollendung der Rohöl-Raffination
an der Erdoberfläche notwendig istlgegenüber dem Normalfall reduziert wird.
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Natürlich steht es dem Benutzer des erfindungsgemäßen Verfahrens frei,
nur die leichteren Fraktionen des eingeschlossenen Bitumens bei Temperaturen unterhalb
von 315 0C abzudestillieren. Aus ökonomischen Gründen kann es günstiger sein, nur
diese leichteren Fraktionen zu extrahieren und den Rest in der Erde zu belassen,
ohne den erläuterten Verkokungs--und Krackprozeß zu durchlaufen. Dem Anwender stellt
sich natürlich das Problem 1einen bestimmten, erwünschten Katalysator gleichmäßig
in die Ablagerung zu injizieren. Bei einigen unterirdischen Ablagerungen kann dieses
Problem so ernsthaft sein, daß sich die Induktionserwärmung der Masse auf Temperaturen
über 3150C sinnvollerweise verbietet.
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Geht man jedoch davon aus, daß mindestens in einigen Fällen der Koks
zur Erzielung der entsprechenden Destillate gekrackt wird, dürften die 15% Rest-Bitumen
durch weitere Erwärmung allein ökonomisch nicht gewinnbar sein. Wenn erst das Wasser
und der Großteil des Bitumens aus dem Sand entfernt
sind, ist
dieser ersichtlicherweise relativ trocken und erlaubt das Durchblasen von Druckluft.
Entsprechend können die restlichen 15% des Bitumens abgebrannt werden, und zwar
bei einer Brenntemperatur von ungefähr 760°C, in-dem die Formation mit Druckluft
beaufschlagt wird. Diese als "Feuer-Flutung" an Ort und Stelle bekannte Methode
kann möglicherweise zur Ausbeute weiterer gewinnbarer Kohlenwasserstoffe führen;
in jedem Fall aber kann die erzeugte Wärme nutzbar gemacht werden. Die heißen Abgase
können über die qleichen Bohrungen, welche zum Sammeln der zuvor gewonnenen destillierten
Fraktionen benutzt worden waren, zu Wcirmetauschern geleitet werden. Nach dem Abbrennen
verbleibt eine erhitzte Sandmasse mit einer Temperatur von ungefähr 760°C. Der warmeverlust
des Sandes an die Deckgebirgsschichten und den Boden dürften wegen der sehr kleinen
Wärmeleitfahigkeit, welche diese Schichten typischerweise haben, relativ klein sein.
Auch könnte über Injektions-Bohrungen Wasser injiziert und anschließend in Form
von Dampf wiedergewonnen werden, der anfänglich eine Temperatur in der Nähe von
760°C hätte, allerdings bei weiterem Finpumpen von Wasser in die Sand-Ablagerung
in der Temperatur abnehmen würde. Gleichwohl könnte der gewonnene Dampf zum Antrieb
von Turbinen für die Erzeugung von Elektrizität z.B. zur Durchführung der Induktionserwärmung
eingesetzt werden. Der Dampf könnte auch als Prozeßdampf für anschließende Reinigungs-
und Raffinationsprozesse an der Erdoberfläche benutzt werden. Andere Anwendungsformen
für die zur Verfügung stehende Wärmeenergie dürften für den Fachmann auffindbar
sein.
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Es ist zu erwarten, daß ein Extraktionsprozeß der oben beschriebenen
Art auch bei den blschiefer-Ablagerungen angewandt werden kann, obwohl der Verkokungs-
und Krackvorgang wahrscheinlich bei Ölschiefern nicht benutzt werden würde, weil
das Kerogen der Olschiefer aus leichteren Ol-Fraktionen
zusammengesetzt
ist und deshalb der größte Anteil des Kerogens bei Temperaturen unter 5400C ohne
Verkokung wegdestillieren würde. Andererseits dürfte die Anordnung der Bohrungen
bei ölschiefern deutlich problematischer als bei den bituminösen Sanden in der Provinz
Alberta sein, da fludförmige Stoffe relativ leicht und gleichmäßig in den Sand eindringen
und durch ihn hindurchfließen können, was von Schiefern nicht unbedingt gesagt werden
kann.
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Im wesentlichen der gleiche Extraktionsprozeß, wie er oben unter Bezugnahme
auf bituminöse Sand-Ablagerungen beschrieben wurde, kann auch bei mindestens einigen
der unterirdischen Lignit-Ablagerungen verwendet werden. Die Lignit-Ablagerungen,
welche den größten Teil der existierenden Kohlereserven darstellen, sind durch die
gleiche relativ hohe Leitfähigkeit wie die unterirdischen Rohöl-Ablagerungen in
bituminösen Sanden gekennzeichnet, weshalb die elektrische Induktionserwärmung der
Lignit-Ablagerungen mit gleichförmiger Erhöhung der Temperatur auf den gewünschten
Wert möglich wäre. Bei Erwärmung der Lignit-Ablagerungen werden wahrscheinlich einige
der leichteren Kohlenwasserstoff-Fraktionen abdestillieren, bevor Koks gebildet
wird; der wesentliche Teil jedoch wird als Koks zurückbleiben, von dem die Kohlenwasserstoff-Fraktionen
nach dem Kracken in praktisch gleicher Weise, wie es oben unter Bezugnahme auf die
bituminösen Sande erläutert wurde, abdestilliert werden können.
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Auch hier ist die Möglichkeit gegeben, nichtextrahierbare Reste an
Ort und Stelle abzubrennen, wobei sich möglicherweise eine weitere Ausbeute von
Kohlenwasserstoffen ergibt, jedenfalls aber Wärme erzeugt wird, die mittels geeigneter
Wärmetausch-Methoden, z.B. dem einleiten von Wasser und dem Abziehen des Wassers
in Dampf form, gewonnen werden kann.
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Im wesentlichen ähnliche Extraktionsmethoden können auch zur Gewinnung
weiteren Rohöls aus zuvor schon abgebauten Ablagerungen benutzt werden, die mit
den üblichen Methoden erschöpft wurden.
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In manchen Fällen, insbesondere bei Lignit-Ablagerungen, wird die
Extraktion der Kohlenwasserstoffe zu unterirdischen Hohlräumen führen mit der Folge
unerwünschter Bodensenkungen.
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Solche Hohlräume könnten mit Raffinationsabfall, Schlamm oder Wasser
vollgepumpt werden und als Senke für unerwünschte Wärme niedriger Temperatur genutzt
werden.
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... Patentansprüche