DE2830638A1

DE2830638A1 - Verfahren zur gewinnung von kohlenwasserstoffen aus unterirdischen, kohlenwasserstoffe fuehrenden formationen

Info

Publication number: DE2830638A1
Application number: DE19782830638
Authority: DE
Inventors: Phillip John Cram; Roman Alexander Pachovsky
Original assignee: Texaco Exploration Canada Ltd
Current assignee: Texaco Exploration Canada Ltd
Priority date: 1977-09-28
Filing date: 1978-07-12
Publication date: 1979-04-05
Also published as: CA1117863A; YU209278A; BR7806211A; US4133382A

Description

Verfahren zur Gewinnung von Kohlenwasserstoffen aus unterirdischen, Kohlenwasserstoffe führenden Formationen

Die Erfindung betrifft ein verbessertes Verfahren zur Gewinnung von öl aus unterirdischen, Kohlenwasserstoffe führenden Formationen mit eine niedrige API (American Petroleum Institut)-Schwere aufweisenden ölen oder Bitumen, insbesondere ein in-situ-Rückgewinnungsverfahren, bei welchem sich eine auf eine Optimierung der Rückgewinnung zurückzuführende verbesserte Rückgewinnungsrate durch Injizieren eines Gemische aus einem sauerstoffhaltigen Gas und Dampf bis zum Abfall des Rückgewinnungsgrades und anschließendes Injizieren eines Gemischs aus einem leichten Kohlenwasserstoff und Dampf und Durchführung von Unterdrucksetz- und Absenkzyklen realisieren läßt.

Die in-situ-Gewinnung von eine niedrige API-Schwere aufweisenden ölen aus unterirdischen, Kohlenwasserstoffe führenden Formationen und von Bitumen aus Teersanden bereitet in der Regel Schwierigkeiten. Obwohl gewisse Verbesserungen bei der in-situ-Gewinnung von Schwerölen, d.h. ölen einer API-Schwere im Bereich von 10° bis 25° API, erzielt wurden, ist der diesbezügliche Erfolg, sofern überhaupt ein Erfolg erzielt wurde, bei der Gewinnung von Bitumen aus Teersanden nur äußerst gering. Bitumen lassen sich als hochvisköse öle einer API-Schwere im Bereich von etwa 5 ° bis 10° API und einer Viskosität im Bereich von einigen Millionen Centipoise bei Formationstemperatur bezeichnen. Bitumen ist in der Regel in im wesentlichen nicht-verfestigten Sanden (die in der Regel als 'Teersande" bezeichnet werden) enthalten.

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Ungeheure Mengen von Teersanden existieren in der Athabasca-Region der kanadischen Provinz Alberta. Es wird vermutet, daß diese Lagerstätten mehr als einige Hundert Milliarden Barrel Bitumen enthalten. Eine in-situ-Gewinnung oder -Förderung des Bitumens aus diesen Lagerstätten mit üblichen Techniken war bislang jedoch noch nicht sehr erfolgreich. Die Gründe für einen fehlenden Erfolg beruhen hauptsächlich darauf, daß Bitumen bei der Temperatur der Formation extrem viskos und entsprechend wenig beweglich ist. Darüber hinaus besitzen diese Teersandformationen, ungeachtet der Tatsache, daß sie nicht verfestigt sind, nur eine sehr niedrige Durchlässigkeit.

Da es bekannt ist, daß die Viskosität eines viskosen Öls mit zunehmender Temperatur deutlich sinkt und dibei die Beweglichkeit des Öls verbessert wird, wurden zur Förderung von Bitumen aus Teersanden bereits thermische Gewinnungsverfahren untersucht. Diese thermischen Gewinnungsverfahren bestehen in der Regel aus Einblasen von Dampf oder Heißwasser und einer in-situ-Verbrennung.

In typischer Weise werden zur Durchführung solcher thermischer Verfahren durch die ölführende Formation oder die Teersandformation eine injektionsbohrung und eine Förderbohrung getrieben. Bei einem üblichen Dampfdurchsatzverfahren wird in die Formation durch eine Injektionsbohrung Dampf eingeblasen· Beim Erreichen der Formation erniedrigt die von dem heißen Fluidum auf das Formationsfluidum übertragene Wärme die Viskosität des Öls und verbessert dabei dessen Mobilität. Gleichzeitig wird durch das Strömen des heißen Fluidums das öl zur Förderbohrung, aus der es dann gefördert wird, getrieben.

Mit Dampf arbeitende thermische Verfahren arbeiten auch nur mit einer einzigen Bohrung. Dieses Verfahren ist als

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"Blas- und Ausschießtechnik" bekannt. Bei diesem Verfahren wird über eine Bohrung soviel Dampf eingeblasen, daß die unterirdische, Kohlenwasserstoffe führende Formation in der Nähe der Bohrung erwärmt wird. Nach einer gewissen "Einweichdauer", während der die Bohrung geschlossen ist, wird die Bohrung auf Förderung umgestellt. Nachdem die Förderung abgenommen hat, kann man sich an derselben Bohrung zur erneuten (provozierten) Förderung wiederum der "Blas- und Ausschießtechnik" bedienen. Bei Anwendung im Gelände können Einblasen und Ausschießen so getimed werden, daß in eine Reihe von Bohrungen injiziert, aus anderen Bohrungen dagegen gefördert wird. Diese Zyklen werden dann umgekehrt.

Bei einer üblichen Vorwärts-in-situ-Verbrennung wird in die Formation über eine Bohrung ein sauerstoffhaltiges Gas, z.B. Luft, eingeführt, worauf nahe dem Bohrloch eine Verbrennung des an Ort und Stelle vorhandenen Rohmaterials begonnen wird. Die Verbrennungstemperaturen reichen in der Regel von 315° bis 650⁰C. Danach wird das sauerstoffhaltige Gas weiter injiziert, um die Verbrennungsfront durch Verbrennung eines Teils des an Ort und Stelle befindlichen Rohmaterials oder von durch die hohen Temperaturen verkohlten Ablagerungen aufrechtzuerhalten. Das injizierte Gas treibt ferner die Front durch die Formation in Richtung auf die Förderbohrung. Beim Fortschreiten der Verbrennungsfront durch die Formation entsteht hinter der Front eine im Idealzustand aus sauberem Sand bestehende "geräumte" Zone. Vor der Front entstehen benachbarte Zonen, z.B. eine Destillations- und Krackzone und eine Kondensations- und Verdampfungsζone. Die Bildung dieser Zonen hängt hauptsächlich von den in der Formation entstehenden Temperaturgradxenten ab. Da diese Zonen durch die Formation verschoben werden, bildet sich vor ihnen eine Zone hoher ölsättigung oder eine öibank. Auch diese Zone oder Bank wird gegen die Förderbohrung hin, aus der sie gefördert wird, verschoben.

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Auch bei den in-situ-Verbrennungsverfahren wurden bereits verschiedene Verbesserungen vorgenommen. Hierbei wird beispielsweise gleichzeitig oder intermittierend mit dem sauerstoff haltigen Gas Wasser eingeblasen, um die Restwärme in der Formation "auszuspülen" und dadurch die ölgewinnung zu erhöhen. Es wird auch darüber berichtet, daß sich die Menge an mit der Luft injiziertem Wasser derart steuern läßt, daß der Anpassungs- und Austreibgrad verbessert wird.

Die Erfahrung hat in der Regel gezeigt, daß die Anwendung dieser üblichen thermischen Verfahren auf die Gewinnung von eine niedrige API-Schwere aufweisenden ölen und insbesondere von Bitumen aus Teersanden von Nachteilen begleitet ist. Eine Schwierigkeit besteht beispielsweise darin, daß infolge der Ansammlung der ölbank vor der Wärmefront und ihrer Verschiebung durch die Formation die Bank abkühlt und folglich das Öl wieder unbeweglich wird. Dies führt zu einer Verstopfung der Formation, so daß ein Injizieren von sauerstoffhaltigem Gas bei der in-situ-Verbrennung oder von Dampf im Falle eines sonstigen thermischen Verfahrens nicht mehr möglich ist.

Ein verbessertes thermisches Verfahren zur Gewinnung von eine niedrige API-Schwere aufweisenden Ölen oder von Bitumen aus Teersanden ist aus der US-PS 4 006 778 bekannt. Das bekannte Verfahren bedient sich einer gesteuerten Niedrigtemperaturoxidation. Bei dem bekannten Verfahren wird in die Formation zur Erzeugung und anschließenden Steuerung einer in-situ-Niedrigtemperaturoxidation ein Gemisch aus einem sauerstoffhaltigen Gas und Dampf injiziert. Das Gemisch wird bei einer Temperatur entsprechend der Temperatur von gesättigtem Dampf bei Formationsdruck injiziert. Durch diese Maßnahmen wird die Temperatur der Formation auf einen Wert eingestellt und auf diesem Wert gehalten, der weit niedriger ist als bei üblichen in-situ-Verbrennungsverfahren. Die betreffende Temperatur beträgt in der Regel 121° - 260⁰C. Einer der Vorteile des be-

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kannten Verfahrens besteht in einer weitestgehenden Ausschaltung einer Verkokung in der Formation. Diese kann bei einer üblichen in-situ-Verbrennung übermäßig stark sein und zu einer Blockierung der Formation führen.

Bei weiteren bekannten Verfahren erfolgt die Gewinnung des Öls unter Verwendung von Lösungsmitteln, insbesondere Kohlenwasserstoff lösungsmitteln, bei Umgebungstemperatur oder erhöhter Temperatur. Bei dem aus der US-PS 3 608 638 bekannten Verfahren wird ein heißes Kohlenwasserstofflösungsmittel, z.B. Toluol oder Kerosin, injiziert. Durch das Lösungsmittel wird im wesentlichen das öl gelöst und dadurch die Viskosität des Fluidums erniedrigt und die Beweglichkeit des Fluidums verbessert. Zur Gewinnung von Bitumen aus Teersanden ist es auch bereits bekannt, ein Gemisch aus einem Kohlenwasserstofflösungsmittel und Dampf zu verwenden. Vermutlich wird die Gewinnung durch die Verwendung des Gemischs aus Dampf und einem Kohlenwasserstoff deshalb verbessert, weil nicht nur die Viskosität des Teersands vermindert, sondern auch die Verschiebung durch den Teersand rascher verläuft als dies durch Injizieren von entweder Dampf oder einem Kohlenwasserstofflösungsmittel möglich ist. Ein derartiges Verfahren ist beispielsweise aus der US-PS 2 862 558 bekannt. Bei diesem Verfahren wird ein Gemisch'aus Dampf und einem normalerweise flüssigen Kohlenwasserstoff bei einer Temperatur von etwa 107° - 260⁰C und einem Druck von mindestens 1,4 atü in eine Teersandformation injiziert. Aus den US-PS 3 945 435 und 3 946 810 ist die Verwendung von Gemischen aus entpentanisiertem Naphtha und Dampf zur Gewinnung von Bitumen aus Teersanden bekannt. Bei den beiden bekannten Verfahren wird das einen hohen Aromatengehalt aufweisende Lösungsmittel aus dem gewonnenen Kohlenwasserstoff hergestellt und zusammen mit Dampf bei einer Temperatur im Bereich von 93° - 343°C in die Formation reinjiziert.

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Es hat sich nun überraschenderweise gezeigt, daß man bei Ausnutzung einer zweistufigen Injektionsfolge, nämlich einer anfänglichen Injektion eines Gemischs aus einem sauerstoffhaltigen Gas und Dampf und einer nachgeschalteten Injektion eines Gemischs aus einem leichten Kohlenwasserstoff und Dampf zusammen mit einem Unterdrucksetzen und Absenken eine erhöhte Förderung realisieren kann. Diese Förderung ist höher als bei Verwendung entweder eines Gemischs aus sauerstoffhaltigem Gas und Dampf oder einem Gemisch aus einem leichten Kohlenwasserstoff und Dampf.

Das Umschalten von Stufe a) (Stufe b)) erfolgt dann, wenn der während der ersten Stufe optimierte Gewinnungsgrad abzufallen beginnt.

Gegenstand der Erfindung ist somit ein Verfahren zur Gewinnung von Kohlenwasserstoffen aus unterirdischen, Kohlenwasserstoffe führenden Formationen, die durch mindestens eine Injektionsbohrung und mindestens eine Förderbohrung, zwischen denen eine Fluidumverbindung besteht, durchteuft sind, bei welchem die in der Formation enthaltenen Kohlenwasserstoffe unter dem Einfluß eines durch die Injektionsbohrung injizierten Treibfluidums aus der Förderbohrung entnommen werden, welches dadurch gekennzeichnet ist, daß bei der Injektion des Treibfluidums

a) durch die Injektionsbohrung solange ein erstes Gemisch aus einem sauerstoffhaltigen Gas und Dampf injiziert wird, bis der maximale Fördergrad erreicht ist und zu fallen beginnt und

b) mit der Injektion des ersten Gemischs aufgehört und ein zweites Gemisch aus einem leichten Kohlenwasserstoff und Dampf injiziert wird.

Die Erfindung wird anhand der Zeichnungen näher erläutert. Im einzelnen zeigen:

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Figur 1 einen Vergleich der prozentualen.Bitumengewinnung gegen den injizierten Dampf (in Porenvolumina) bei Versuchen, bei denen Gemische aus Luft und Dampf und Gemische aus einem leichten Kohlenwasserstoff und Dampf injiziert werden;

Figur 2 den Gewinnungsgrad (Porenvolumen gefördertes Bitumen/ Porenvolumen injizierter Dampf) gegen den injizierten Dampf (in Porenvolumina) bei Versuchen, bei denen Gemische aus Luft und Dampf und Gemische aus einem leichten Kohlenwasserstoff und Dampf injiziert werden;

Figur 3 die prozentuale Bitumengewinnung gegen den injizierten Dampf (in Porenvolumina) für ein Gewinnungsverfahren, bei dem ein Gemisch aus Luft und Dampf und danach ein Gemisch aus einem leichtem Kohlenwasserstoff und Dampf injiziert wird.

Ganz allgemein besteht die Erfindung in einem optimierten Verfahren zur in-situ-Gewinnung von eine niedrige API-Schwere aufweisenden ölen oder Bitumen aus Teersanden durch Ausnutzung der Vorteile einer Injektion eines Gemischs aus einem sauerstoff haltigen Gas und Dampf und einer Injektion eines Gemischs aus einem leichten Kohlenwasserstoff und Dampf. Das Verfahren läßt sich insbesondere auf Teersandformationen anwenden, die durch mindestens eine Injektionsbohrung und mindestens eine Förderbohrung, zwischen denen ein Verbindungsweg bzw. eine Zone einer Fluidumdurchlassigkeit existiert, durchteuft sind.

Im Rahmen des Verfahrens gemäß der Erfindung wird in die Formation ein Gemisch aus einem sauerstoffhaltigen Gas und Dampf injiziert. Hierdurch wird bei einer Temperatur, die weit unter der Temperatur üblicher in-situ-Verbrennungsverfahren liegt, eine Niedrigtemperaturoxidation in Gang gesetzt und gesteuert.

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Das Injizieren des Gemischs wird solange fortgesetzt, bis der maximal erreichte Gewinnungsgrad zu sinken beginnt. Unter "Gewinnungsgrad" ist das Verhältnis von gefördertem Bitumen zu injiziertem Dampf (in vergleichbaren Einheiten, z.B. Porenvolumina) zu verstehen. Nachdem der maximale Gewinnungsgrad zu sinken beginnt, wird die Injektion des Gemischs aus sauerstoff haltigem Gas und Dampf beendet und mit der Injektion des Gemischs aus einem leichten Kohlenwasserstoff und Dampf begonnen. Auf diese Weise wird die Optimierung der Bitumengewinnung fortgesetzt. Während des Betriebs können auch Unterdrucksetz- und Absenkzyklen gefahren werden.

In der ersten Stufe des Verfahrens gemäß der Erfindung erfolgt die Injektion eines Gemischs aus einem sauerstoffhaltigen Gas und Dampf bei einer Temperatur entsprechend der Temperatur von gesättigtem Dampf bei Formationsdruck. Eine Niedrigtemperaturoxidation erfolgt bei der Temperatur des gesättigten Dampfes entsprechend den Lehren der US-PS 4 006 778. Zweckmäßigerweise sollte die Injektion mit der durch die Druckgrenzen der Formation bestimmten maximalen Strömungsgeschwindigkeit erfolgen. Der injizierte Dampf sollte vorzugsweise eine Temperatur im Bereich von 121° - 260⁰C entsprechend der Temperatur des gesättigten Dampfes bei Formationsdruck aufweisen. Die Qualität des Dampfes kann im Bereich von 60 % bis zu etwa 100 % liegen. Höhere Qualitäten werden bevorzugt, obwohl man vergleichbare Ergebnisse auch mit Dampf geringerer Qualitäten erreicht. Unter der Dampfqualität ist die gewichtsprozentuale Menge von trockenem Dampf in 0,453 kg nassem Dampf zu verstehen.

Als sauerstoffhaltiges Gas kann man Luft,, ein Gemisch aus Sauerstoff und einem nicht-kondensierbaren Gas, wie Stickstoff, Kohlendioxid oder Abgas, oder praktisch reinen Sauerstoff verwenden. Unter dem Ausdruck "sauerstoffhaltiges Gas" ist zu verstehen, daß das Gasgemisch freien Sauerstoff als einen Bestandteil enthält. Das Verhältnis von freiem Sauerstoff in dem sauerstoffhaltigen Gas zu dem injizierten Dampf liegt in

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der Regel im Bereich von etwa 30 - 130 SCF/bbl Dampf. Bei Verwendung von Luft beträgt das Verhältnis von Luft zu Dampf in dem Gemisch zweckmäßigerweise etwa 150 bis etwa 650, vorzugsweise 170 bis 250 SCF Luft/bbl Dampf.

Vor Durchführung der ersten Stufe kann es erforderlich sein, die Formation zu konditionieren, um in der Formation eine angemessene Durchlässigkeit sicherzustellen oder um die Bohrungen festzulegen. Dies kann durch übliche Brechmaßnahmen und/oder durch Injektion von Dampf in die Bohrlöcher erfolgen.

Nach Beginn der Injektion des Gemischs aus sauerstoffhaltigem Gas und Dampf und der Fluida-, beispielsweise Bitumenförderung an der Förderbohrung wird der Gewinnungsgrad überwacht. Dieser ist, wie bereits angegeben, durch die Anzahl Porenvolumina an gewonnenem Bitumen zur Anzahl Porenvolumina an injiziertem Dampf definiert. Mit der Injektion wird solange fortgefahren, bis der Gewinnungsgrad ein Maximum erreicht hat und zu sinken beginnt.

Danach wird die Injektion des Gemischs aus sauerstoffhaltigem Gas und Dampf gestoppt und mit einer Injektion eines Gemischs aus einem leichten Kohlenwasserstoff und Dampf begonnen. Wie in der ersten Stufe ist es auch in der zweiten Stufe zweckmäßig, das Gemisch mit der durch die Druckgrenzen der Formation gegebenen maximal möglichen Strömungsgeschwindigkeit zu injizieren. Mit der Injektion des Gemischs aus einem leichten Kohlenwasserstoff und Dampf wird solange fortgefahren, bis die Gesamtfördermenge zu sinken beginnt oder die Förderung einen unzweckmäßig niedrigen Fördergrad erreicht hat. Danach kann die Reihenfolge der Injektionsstufen wiederholt werden. So kann man sich erfindungsgemäß einer Reihe von Injektionszyklen aus Injektion eines Gemischs aus einem sauerstoffhaltigen Gas und Dampf und einer nachgeschalteten Injektion eines Gemischs aus einem leichten Kohlenwasserstoff und Dampf bedienen.

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Der mit dem Dampf vermischte leichte Kohlenwasserstoff kann aus jedem geeigneten Lösungsmittel, z.B. einem aliphatischen Kohlenwasserstoff mit 3 bis 10 Kohlenstoffatomen pro Molekül, einem cyclischen Kohlenwasserstoff, einem aromatischen Kohlenwasserstoff, wie Benzol oder Toluol, oder einem naphthenischen Kohlenwasserstoff bestehen. Ferner kann der Kohlenwasserstoff aus natürlichem Benzin, Naphtha, Kerosin und aromatische Fraktionen enthaltenden Kohlenwasserstoffgemischen bestehen. Ein bevorzugtes Lösungsmittel ist Naphtha. Hierbei handelt es sich um einen Schnitt aus einem Raffineriestrom eines KP-Bereiches von etwa 29° bis etwa 238⁰C.

Das Verhältnis von leichtem Kohlenwasserstoff zu Dampf sollte im Bereich von etwa 0,03 bbl/bbl bis etwa 0,33 bbl/ bbl oder etwa 3 Vol.-% bis 33 Vol.-%, vorzugsweise etwa 0,05 bbl/bbl bis 0,12 bbl/bbl oder 5 Vol.-% bis 12 Vol.-% betragen. Vorzugsweise sollte der mit dem Kohlenwasserstoff vermischte Dampf aus gesättigtem Dampf einer Qualität im Bereich von 60 bis etwa 100 % bestehen.

Vermutlich beruhen die durch die eingehaltene Injektionsfolge realisierten Vorteile auf der Tatsache, daß in der ersten Stufe, die mit einem Gemisch aus einem sauerstoff haltigen Gas und Dampf arbeitet, die daraus resultierende Niedrigtemperaturoxidation hauptsächlich auf dem Mechanismus einer Spaltung asphaltischer Molekülkomplexe unter Molekülabbau beruht. Das Verfahren läßt sich als gesteuertes Oxidationsverfahren ansehen, bei dem der gesättigte Dampf teilweise jegliche beginnende Verbrennung nahe dem Injektionspunkt löscht. Auf diese Weise wird verhindert, daß die Temperatur bis zum Verkohlungspunkt des Bitumens steigt. Durch die Temperatursteuerung werden die Kohlereaktionen verringert, wobei gleichzeitig nicht-umgesetzter Sauerstoff in die Formation eindringen kann und dort

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die gesteuerte Oxidationsreaktion stärker durch die Formation vorantreibt.

Ferner kommt es infolge der Verwendung eines Gemischs aus einem leichten Kohlenwasserstoff und Dampf in der zweiten Stufe in vorteilhafter Weise nicht nur zu einer thermischen Wirkung und einer Lösungsmittelwirkung auf das Bitumen, sondern auch zu einer wertvollen Volumenerhöhung infolge Verdampfung des Lösungsmittels. Durch die Kombination der beiden Stufen erreicht man eine optimale Gewinnung, die weit besser ist als die bei Durchführung der einzelnen Stufen alleine erreichbare Bitumengewinnung.

Die erfindungsgemäß realisierte optimale Gewinnung ergibt sich aus den Ergebnissen und Analysen einer Reihe von Laborversuchen, die im folgenden noch näher beschrieben werden. Bei diesen Versuqhen wird untersucht, inwieweit eine Gewinnung von Bitumen aus Teersanden mit Gemischen aus sauerstoffhaltigem Gas und Dampf und Gemischen aus leichten Kohlenwasserstoffen und Dampf möglich ist. Ferner zeigen diese Versuche in sämtlichen Fällen, daß während ihrer ersten Stufen die prozentuale Gewinnung den größten Änderungen unterliegt. Bei sämtlichen Versuchen steigt der Gewinnungsgrad auf einen Maximalwert und sinkt dann wieder, nachdem etwa 1 Porenvolumen Dampf injiziert worden ist. Die Ergebnisse zeigen weiterhin, daß der während dieser Stufe erreich te optimale Gewinnungsgrad dann erreicht wird, wenn (im Vergleich zu einem Gemisch aus einem leichten Kohlenwasserstoff und Dampf) zu diesem Zeitpunkt ein Gemisch aus sauerstoff haltigem Gas und Dampf verwendet wird. Somit erfolgt also erfindungsgemäß in der ersten Stufe der beschriebenen Schrittfolge die Injektion eines Gemischs aus einem sauerstoff haltigen Gas und Dampf.

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Weiterhin zeigen die Ergebnisse, daß nach dem überschreiten des höchsten Gewinnungsgrades das Gemisch aus leichtem Kohlenwasserstoff und Dampf das Gemisch aus sauerstoffhaltigem Gas und Dampf als Gewinnungsmittel übertrifft. Somit wird wiederum erfindungsgemäß zu einem geeigneten Zeitpunkt von der ersten Stufe auf die zweite Stufe umgeschaltet, so daß bei einer Optimierung der Bitumengewinnung die Vorteile sowohl eines maximalen Gewinnungsgrades als auch einer maximalen Gesamtgewinnung zum Tragen kommen.

Neben den geschilderten Vorteilen hat es sich auch noch gezeigt, daß man bei Anwendung von Unterdrucksetζ- bzw. Komprimier- und Absenkzyklen während der Verfahrensdurchführung weitere Vorteile hinsichtlich einer verbesserten Gewinnung erreicht. Das Unterdrucksetzen kann dadurch erfolgen, daß man die Fördergeschwindigkeit auf einem geringeren Wert hält als die Injektionsgeschwindigkeit. Die eingehaltene Injektionsgeschwindigkeit sollte derart sein, daß der Druck in der Formation auf einen Wert nahe dem Bruchdruck oder einem Druck an der Förderbohrung von etwa 60 bis 95 % des Injektionsdrucks steigt. Eine Beschränkung der Fördergeschwindigkeit erreicht man beispielsweise durch Drosseln der Förderbohrungen. Wenn sich der gewünschte Druck eingestellt hat, wird durch Vermindern der Injektionsgeschwindigkeit und Erhöhen der Fördergeschwindigkeit mit dem Absenken begonnen. Die Fördergeschwindigkeit läßt sich durch einen Betrieb der Förderbohrungen unter im wesentlichen ungedrosselten Bedingungen bis zum Absinken des Formationsdrucks auf den gewünschten niedrigeren Wert erhöhen. Die Injektionsgeschwindigkeit während des Absenkens sollte nur etwa 20 % der Anfangsinjektionsgeschwindigkeit betragen. Der Druckabfall kann bis zu etwa 33 % des Drucks zu Beginn des Absenkzyklus ausmachen. Mit dem Absenken wird solange fortgefahren, solange ein Fluidum mit akzeptabler oder wirtschaftlicher Geschwindigkeit gefördert wird. Wenn die Förderung unter diesen Wert sinkt, kann man mit einem

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Unterdrucksetz- bzw. Komprimier- und Absenkzyklus beginnen. Das Unterdrucksetzen und Absenken kann während einer oder beider Stufe(n) durchgeführt und während der Injektionsfolge wiederholt werden.

Vermutlich ist die Durchführung eines Komprimier- und Absenkzyklus deshalb von Vorteil, weil dadurch eine periodische Säuberung der Verbindungswege erfolgt und dadurch die Durchlässigkeit der Formation erhalten wird. Dies ist zur Aufrechterhaltung einer kontinuierlichen Förderung aus der Formation erforderlich.

Bei den bereits erwähnten Laboratoriumsversuchen werden Versuchsreihen unter Verwendung von Teersanden aus der McMurray-Formation der kanadischen Provinz Alberta gefahren. Zur Durchführung jeden Versuchs werden etwa 77 - 86 kg Teersand in einen Kasten einer Länge von etwa 38 cm und eines Durchmessers von etwa 46 cm gefüllt. Der Kasten ist für einen Betrieb bei gesteuerten Temperatur bis zu 216°C und Drucken bis zu 35 kg/cm² (absolut) ausgelegt und enthält geeignete simulierte Injektions- und Förderbohrungen. In der Sandmasse sind zahlreiche Thermoelemente untergebracht, so daß die Temperatur durch die Masse hindurch gemessen werden und Wärmeübertragungsraten kalkuliert werden können.

Allgemein wird bei den Versuchen zur Konditionierung der Teersandmasse und zur Aufnahme der Förderung Dampf eingeblasen. Danach wird das jeweilige Fluidum injiziert. Die Injektionsgeschwindigkeiten, Fördergeschwindigkeiten, Temperaturen und Drucke werden bei jedem Versuch aufgezeichnet.

Beim Laboratoriumsversuch Nr. 1 wird ein Gemisch aus einem sauerstoffhaltigen Gas (Luft) und Dampf bei einem Druck von etwa 21 kg/cm² (absolut) und einer Temperatur von 213,9°C

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entsprechend dem Sättigungsdruck von Dampf eingeblasen. Das Verhältnis von Luft zu Dampf beträgt etwa 0,7 SCF pro 0,453 kg Dampf oder 245 SCF/bbl Dampf. Während des Verfahrensablaufs erfolgt zunächst eine etwa 1/2-stündige Dampfinjektion. Danach wird 1 bis 1 1/2 h ein Gemisch aus Luft und Dampf injiziert, worauf ein etwa 12-stündiger Komprimier- und Absenkzyklus nachgeschaltet wird. Der Komprimier- und Absenkzyklus besteht aus einer 10-minütigen Injektion bei einem Druck von etwa 21 kg/cm² (absolut) und einem 30-minütigen Absenken, wobei die simulierte Förderbohrung betrieben wird, bis der Druck auf etwa Atmosphärendruck abgefallen ist. Nach der Injektion von 2 Porenvolumina Dampf beträgt die Gewinnung etwa 50 %. Die Ergebnisse zeigen, daß durch die gemeinsame Verwendung von Luft und Dampf im Vergleich zur Verwendung von lediglich Dampf nicht nur die Gewinnung deutlich verbessert ist, sondern auch, daß die Durchführung eines Komprimier- und Absenkzyklus den Gewinnungsgrad und das Leistungsvermögen deutlich erhöhen.

Diese Ergebnisse lassen sich mit den Ergebnissen des Versuchs Nr. 2, bei dem lediglich Dampf injiziert und nach 2-stündiger Dampfinjektion ein etwa 18-stündiger Komprimier- und Absenkzyklus durchgeführt wird, vergleichen. Bei Einführung des Komprimier- und Absenkzyklus läßt sich wie bei Versuch Nr. 1 die Förderung deutlich erhöhen. Nach der Injektion von etwa 2 Porenvolumina Dampf beträgt in diesem Falle die Gewinnung nur 36 %.

Bei dem Versuch Nr. 3 wird ein Gemisch aus einem leichten Kohlenwasserstoff (Naphtha) und Dampf injiziert. Das Verhältnis von Naphtha zu Dampf beträgt etwa 8,9 Volumenprozent. Das Naphtha besitzt einen Destiallisationsbereich von einem Anfangs-KP (I.B.P.) von etwa 30° bis zu einem Endpunkt (E.P.) von etwa 196⁰C. Zunächst wird etwa 15 min lang Dampf

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injiziert, worauf etwa 40 min lang das Gemisch aus Naphtha und Dampf bei einer Temperatur entsprechend der Temperatur von gesättigtem Dampf bei dem Druck des Versuchskastens injiziert wird. Danach wird ein etwa 14 - 14,5-stündiger Komprimier- und Absenkzyklus durchgeführt. Nach der Injektion von 2 Porenvolumina Dampf beträgt die Gewinnung etwa 42,5 %. Diese Ergebnisse zeigen, daß die Gewinnungsgrade zu Beginn des Versuchs nicht so hoch sind wie bei Verwendung eines Gemischs aus Luft und Dampf, sie zeigen jedoch auch, daß die Durchführung eines Komprimier- und Absenkzyklus die Gewinnungsgrade deutlich erhöht.

Bei dem Versuch Nr. 4 arbeitet man mit einer Injektionsfolge, indem zunächst ein Gemisch aus Luft und Dampf und anschließend ein Gemisch aus dem Naphtha und Dampf injiziert wird. Während des Verfahrensablaufs wird zunächst 1/2 h lang Dampf injiziert. Danach wird das Gemisch aus Luft und Dampf injiziert, wobei d'as Verhältnis Luft zu Dampf etwa 0,67 SCF/ Ib. Dampf oder etwa 235 SCF/bbl beträgt. Nach etwa 30 min wird ein Komprimier- und Absenkzyklus durchgeführt, wobei 10 min lang Luft und Dampf injiziert und dann 30 min lang abgesenkt wird. Nach etwa 11h wird die Injektion des Gemischs beendet und mit der Injektion des Gemischs aus dem Naphtha und Dampf begonnen. Auch hierbei wird ein Komprimier- und Absenkzyklus durchgeführt. Die Ergebnisse zeigen, daß während der ersten Stufe der Injektion des Gemischs aus Luft und Dampf zu Beginn die Fördergeschwindigkeit bzw. der Rückgewinnungsgrad sehr hoch ist und mit fortschreitendem Verfahrensablauf schrittweise abnimmt. Ferner zeigen die Ergebnisse, daß mit Beginn der Injektion des Gemischs aus Naphtha und Dampf das Sinken der Fördermenge gestoppt wird und die Fördermenge nach etwa 5-stündiger Injektion wieder zu steigen beginnt.

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Die Ergebnisse und Analysen dieser Versuche sind in den Zeichnungen graphisch dargestellt. In Figur 1 ist für die beschriebenen Versuche die prozentuale Bitumengewinnung gegen das Porenvolumen des injizierten Dampfes aufgetragen. Die Figur 1 zeigt klar und deutlich die Vorteile, ausgedrückt als Gewinnung, bei Verwendung eines Gemisches aus Luft und Dampf (Versuch Nr. 1) oder eines Gemischs aus einem leichten Kohlenwasserstoff und Dampf (Versuch Nr. 3) als Injektionsfluidum gegenüber bloßem Dampf (Versuch Nr. 2) als Injektionsfluidum. So beträgt beispielsweise bei dem Versuch Nr. 2, der mit bloßem Dampf gefahren wird, die Gewinnung nach der Injektion von 1 Porenvolumen Dampf nur etwa 25 %. Im Gegensatz dazu beträgt die Gewinnung bei Verwendung einer Mischung aus Luft und Dampf (Versuch Nr. 1) etwa 42 % und bei Verwendung einer Mischung aus Naphtha und Dampf (Versuch Nr. 3) etwa 32 % nach Injektion von 1 Porenvolumen Dampf.

Die Figur 1 zeigt ferner, daß in sämtlichen Fällen die deutlichste Änderung in der Gewinnung nach der Injektion von etwa 1,0 - 1,1 Porenvolumen (Porenvolumina) Dampf auftreten. Weiterhin zeigt die prozentuale Gewinnung bei dem mit Luft und Dampf gefahrenen Versuch die größte Änderung. Folglich ist die Gewinnung bei dem mit Luft und Dampf gefahrenen Versuch geringer als bei dem mit einem leichten Kohlenwasserstoff und Dampf gefahrenen Versuch.

Unter Verwendung dieser Ergebnisse werden die Kurvenneigungen gegen die Porenvolumina an injiziertem Dampf aufgetragen (vgl. Figur 2). Diese Neigungen entsprechen dem Gewinnungsgrad, ausgedrückt als Porenvolumen bzw. Porenvolumina Bitumen pro Porenvolumen bzw. Porenvolumina Dampf. Die Ergebnisse zeigen, daß sich ein maximaler Gewinnungsgrad bei Verwendung des Luft/Dampf-Gemischs (Versuch Nr.1) und des aus leichtem Kohlenwasserstoff und Dampf bestehenden Gemischs (Versuch Nr. 3) einstellt, wenn etwas weniger als

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1 Porenvolumen injiziert ist. Die Figur 2 zeigt ferner, daß die Verwendung einer Mischung aus Luft und Dampf im Vergleich zur Verwendung einer Mischung aus leichtem Kohlenwasserstoff und Dampf optimale Ergebnisse hinsichtlich des Gewinnungsgrades liefern. Ferner zeigt die Figur 2 auch noch, daß bei Injektion von mehreren Porenvolumina als 1 Porenvolumen Dampf der Gewinnungsgrad bei Verwendung des Gemischs aus leichtem Kohlenwasserstoff und Dampf deutlich größer ist als bei Verwendung eines Gemischs aus Luft und Dampf.

Im Hinblick auf eine Optimierung der Bitumengewinnung bei einem gegebenen Porenvolumen an injiziertem Dampf muß durch die erfindungsgemäß eingehaltene Schrittfolge der Gewinnungsgrad maximiert werden, indem zunächst ein Gemisch aus Luft und Dampf injiziert wird, bis der Gewinnungsgrad sinkt, und nach Beendigung der Injektion eines Gemischs aus Luft und Dampf mit der Injektion eines Gemischs aus einem leichten Kohlenwasserstoff und Dampf begonnen wird. Das optimierte Verfahren wird in Figur 2 durch die stark gestrichelte Linie dargestellt.

Die Ergebnisse eines derart durchgeführten Laborversuchs sind in Figur 3 graphisch dargestellt. Hierbei werden ein Gemisch aus Luft und Dampf und dann ein Gemisch aus einem leichten Kohlenwasserstoff, nämlich Naphtha und Dampf, injiziert und Komprimier- und Absenkzyklen eingehalten. Das Umschalten erfolgt, nachdem 2,3 Porenvolumina Dampf injiziert sind. Dies ist in der Figur 3 durch "X" dargestellt. Hier weicht die durchgezogene Linie des Versuchs Nr. 4 von der gestrichelten Linie "Y" ab und letztere zeigt die vorauszusehende Gewinnung bei Fortsetzung der Luft/Dampf-Injektion. Die Ergebnisse zeigen die durch das zweistufige optimierte Verfahren gemäß der Erfindung er-

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reichbare Verbesserung der Gewinnung. Die beobachtete Verbesserung der Gewinnung ergibt sich klar und deutlich daraus, daß sie nach dem Umschalten weitersteigt, während sie bei weiterer Verwendung eines Gemischs aus Luft und Dampf verflacht.

Zusammenfassend läßt sich sagen, daß sich erfindungsgemäß die Gewinnung von Schwerölen und Bitumen durch Verfahrensoptimierung verbessern läßt. Im Rahmen dieses optimierten Verfahrens wird zunächst ein Gemisch aus einem sauerstoffhaltigen Gas und Dampf bei einer Temperatur entsprechend der Temperatur von gesättigtem Dampf bei Formationsdruck injiziert, bis ein maximaler Gewinnungsgrad erreicht ist. Danach wird ein Gemisch aus einem leichten Kohlenwasserstoff und Dampf injiziert. In jeder Stufe kann man zusätzlich Unterdrucksetz- bzw. Komprimier- und Absenkzyklen durchführen.

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Claims

Henkel, Kern, Feiler &HänzeI Patentanwälte Texaco Exploration Canada Ltd., Möhlstraße37 _ , „ , D-8000 München 80 Calgary, Kanada — Te!.: 089/982085-87 Telex: 0529802 hnkld Telegramme: ellipsoid JüLI 1378 Dr.F/H Patentansprüche

1. Verfahren zur Gewinnung von Kohlenwasserstoffen aus unterirdischen, Kohlenwasserstoffe führenden Formationen, die durch mindestens eine Injektionsbohrung und mindestens eine Förderbohrung, zwischen denen eine Fluidumverbindung besteht, durchteuft sind, bei welchem die in der Formation enthaltenen Kohlenwasserstoffe unter dem Einfluß eines durch die Injektionsbohrung injizierten Treibfluidums aus der Förderbohrung entnommen werden, dadurch gekennzeichnet, daß bei der Injektion des Treibfluidums

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß vor der Injektion des ersten Gemischs zur Konditionierung der Formation in die Injektions- und/oder, Förderbohrung Dampf injiziert wird.

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3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der injizierte Dampf eine Qualität von unter 100 % aufweist.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gegekennzeichnet, daß das erste Gemisch bei einer Temperatur entsprechend der Temperatur von gesättigtem Dampf beim Druck der Formation injiziert wird.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet , daß das Verhältnis von freiem Sauerstoff in dem sauerstoffhaltigen Gas zu Dampf im ersten Gemisch im Bereich von etwa 30 - 130 SCF/Barrel Dampf liegt.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Formation zunächst wieder auf einen Druck entsprechend einer Temperatur für gesättigten Dampf im Bereich von 121° - 26O⁰C unter Druck gesetzt wird.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Gemisch aus sauerstoffhaltigem Gas und Dampf solange injiziert wird, bis etwa 1 - 1,1 Porenvolumen (Porenvolumina) Dampf bei Reservoirbedingungen injiziert ist (sind).

8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß als sauerstoffhaltiges Gas Luft, angereicherter Sauerstoff oder praktisch reiner Sauerstoff verwendet wird.

9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß das Verhältnis von leichtem Kohlenwasserstoff zu Dampf im zweiten Gemisch im Bereich von etwa 3,0 - 33,0 Volumenprozent liegt.

S 03 8 M/06 32

2830631

0O. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß als leichter Kohlenwasserstoff ein aliphatischer Kohlenwasserstoff mit 3-

10 Kohlenstoffatomen pro Molekül, ein cyclischer Kohlenwasserstoff, ein aromatischer Kohlenwasserstoff und/oder ein naphthenischer Kohlenwasserstoff verwendet wird.

11. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß als leichter Kohlenwasserstoff Benzin, Naphtha und/oder Kerosin verwendet wird.

12. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß der leichte Kohlenwasserstoff aus einem Schnitt aus einem Raffineriestrom eines KP-Bereichs von etwa 29° (I.B.P.) bis etwa 238°C (E.P.) besteht.

13. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Verfahrensstufen a) und b) wiederholt werden, wenn die Förderung unerwünscht niedrig geworden ist.

14. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß während der Injektion des Gemischs aus einem sauerstoffhaltigen Gas und Dampf und/oder der Injektion des Gemischs aus leichtem Kohlenwasserstoff und Dampf unter Druck gesetzt und abgesenkt wird.

15. Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß das Unterdrucksetzen und Absenken derart ablaufen, daß

a) beim Unterdrucksetzen die Fördergeschwindigkeit geringer ist als die Injektionsgeschwindigkeit und

b) beim Absenken die Fördergeschwindigkeit größer ist als die Injektionsgeschwindigkeit.

16. Verfahren nach Anspruch 14 oder 15, dadurch gekennzeichnet, daß das Unterdrucksetzen und Absenken derart ablaufen, daß

9098U/063?

283063?

a) beim Unterdrucksetzen das Injektionsgemisch solange injiziert wird, bis der Druck an der Förderbohrung auf etwa 60 bis etwa 95 % des Injektionsdrucks gestiegen ist und die in der Formation enthaltenen Kohlenwasserstoffe aus der Förderbohrung als Teilförderung gefördert werden und

b) beim Absenken das Injektionsgemisch mit einer Geschwindigkeit von etwa 20 bis etwa 33 % der Anfangsinjektionsgeschwindigkeit injiziert und die in der Formation enthaltenen Kohlenwasserstoffe aus der Förderbohrung praktisch in Vollförderung gefördert werden.

17. Verfahren nach einem der Ansprüche 14 bis 16, dadurch gekennzeichnet, daß wiederholt unter Druck gesetzt und abgesenkt wird.

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