DE3116617C2 - Verfahren zur Gewinnung von Erdöl aus untertägigen Lagerstätten - Google Patents
Verfahren zur Gewinnung von Erdöl aus untertägigen LagerstättenInfo
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Abstract
Erdöl wird insbesondere aus ein Gefälle aufweisenden Lagerstätten mit einem Ölgewinnungsverfahren gefördert, bei dem ein gasförmiges kohlendioxidhaltiges Fluid am höchsten Punkt des Gefälles eingepreßt wird, so daß Erdöl gefälleabwärts in einem schwerkraftstabilisierten Verdrängungsprozeß unter Bedingungen bedingter Mischbarkeit ausgetrieben wird. Eine kohlendioxidhaltige Mischgrundkomponente wird mit einem Inertgas wie Methan oder Stickstoff vermischt, um ihre Dichte so weit zu verringern, daß die kritische Geschwindigkeit des Verdrängungsverfahrens gesteigert wird. Durch die Steigerung der kritischen Geschwindigkeit wird die zum Ausbeuten einer Lagerstätte benötigte Zeit erheblich verkürzt. Dem Gemisch aus Kohlendioxid und Inertgas wird eine ausreichende Menge an mittleren Kohlenwasserstoffen zugesetzt, so daß das in die Lagerstätte eingepreßte Gemisch mit dem Lagerstättenöl bei Lagerstättentemperatur und -druck bedingt mischbar ist.
Description
Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Ölgewinnung aus unterirdischen Lagerstätten, die durch
mindestens eine Injektionsbohrung und mindestens eine Produktionsbohrung durchteuft sind, mit Hilfe von
Kohlendioxid und eines Inertgases unter Bedingungen bedingter Mischbarkeit, wobei zunächst ein gasförmiges
Verdrängungsmittel in die Lagerstätte eingepreßt, danach ein Treibmittel injiziert und abschließend aus
der Produktionsbohrung das verdrängte Erdöl gewonnen wird.
Bei der Erdölgewinnung aus untertägigen Lagerstätten ist eines der heute mit Erfolg eingesetzten Verfahren
das Mischphasen-Fliiten, wobei in die Lagerstätte ein Lösungsmittel eingepreßt wird, um Erdöl zu lösen
und seine wirksame Gewinnung aus der Lagerstätte zu erleichtern. Wenn das in die Lagerstätte eingepreßte
Lösungsmittel mit dem Lagerstättenfluid bei Lagerstättenbedingungen unmittelbar bei Kontakt mit diesem
Fluid eine Phase bilden kann, so wird dieser Zustand als sofortige Mischbarkeit bezeichnet.
Mischphasen-Fluten ist für die Förderung von Erdöl aus untertägigen Lagerstätten ein sehr wirksames Verfahren.
Durch Erzeugen eines Einphasensystems in der Lagerstätte werden die ein Rückhalten bewirkenden
Kräfte Kapillarität und Grenzflächenspannung, die bei der Gewinnung mit Nicht-Mischphasen-Flutungsverfahren
eine erhebliche Verminderung der Ausbeute zur Folge haben, beseitigt Außerdem wird durch das Vermischen
des eingepreßten Fluids mit dem Lagerstätten-Ol die Viskosität des Öls verringert, so daß das Erdöl mit
besserem Wirkungsgrad durch die durchlässige Lagerstätte verdrängt werden kann.
Zwar sind bereits Kohlenwasserstoffe, z. B. paraffinische
Kohlenwasserstoffe mit 2—6 C-Atomen, erfolgreich zum Mischphasen-Fluten eingesetzt worden, diese
Materialien sind jedoch sehr teuer, und die Kosten eines Mischphasen-Flutungsverfahrens unter Einsatz einer
beträchtlichen Menge an leichten Kohlenwasserstoffen sind extrem hoch. Kohlendioxid wird ebenfalls mit Erfolg
als ölgewinnungsmittel eingesetzt Kohlendioxid ist ein besonders bevorzugtes Material, weil es in öl hochlöslich ist und die Auflösung von Kohlendioxid in Öl
eine Viskositätsverringerung des Öls und eine Steigerung des ölvolumens bewirkt wodurch der Gewinnungswirkungsgrad
des Verfahrens verbessert wird. Kohlendioxid wird hin und wieder unter Bedingungen
der Nichtmischbarkeit eingesetzt, und in manchen Lagerstätten ist es möglich, zwischen im wesentlichen reinem
Kohlendioxid und dem Erdöl bei Lagerstättenlemperatur und -druck einen Mischbarkeitszusland zu erreichen.
Der neuere Stand der Technik anerkennt, daß Kohlendioxid als Gewinnungsmittel unter Bedingungen einsetzbar ist, bei denen unter Lagerstättenbedingungen nur eine bedingte Mischbarkeit zu erzielen ist. Die bedingte Mischbarkeit unterscheidet sich von der sofortigen Mischbarkeit dadurch, daß die Mischbarkeit zwisehen dem eingepreßten Kohlendioxid und dem Lagerstättenöl erst einige Zeit nach dem ersten Kontakt zwischen dem Kohlendioxid und dem Lagerstättenöl erzielt wird, und zwar aufgrund einer Serie von Mehrphasen-Übergangszuständen, wobei das eingepreßte Fluid miulere Kohlenwasserstoffanteile aus dem Lagerstättenöl verdampft, so daß ein Gemisch aus Kohlendioxid und mittleren Kohlenwasserstoffanteilen gebildet wird, wobei die Konzentration der mittleren Kohlenwasserstoffkomponenten über die Zeit ansteigt, während sich die Bank durch die Lagerstätte bewegt, bis an Ort und Stelle ein Zustand der Mischbarkeit infolge des Kontakts zwischen dem eingepreßten Fluid und dem Lagerstättenöl erreicht wird.
Wenn das in die Lagerstätte eingepreßte Fluid bei Lagerstättenbedingungen gasförmig ist, müssen die Injektionsbedingungen sorgfältig kontrolliert werden, um eine wirksame Verdrängung zu erreichen, und zwar auch dann, wenn eine bedingte Mischbarkeil erreichbar ist. Dies betrifft die Tatsache, daß gasförmige Verdiängungsfluide normalerweise unter vielen in untertägigen Lagerstätten anzutreffenden Bedingungen unwirksame Verdrängungsmittel sind. Wenn die Lagerstätte selbst ein Gefälle hat, d. h. wenn der Winkel zwischen der Lagerstätte und der Horizontalen größer als 5" und bevorzugt größer als 10° ist, können stabile Bedingungen dann erreicht weiden, wenn das gasförmige Fluid um höchsten Punkt des Gefälles eingepreßt wird, so daß das Erdöl in Abwärtsrichtung verdrängt wird, solange die lineare Geschwindigkeit der eingepreßten Lösungsmittelbank durch die Lagerstätte eine kritische Geschwindigkeit nicht übersteigt. Die kritische Geschwindigkeit ist der Lagerstättenpermeabilität, dem Dichteunterschied zwischen dem Verdrängungs- und dem verdräng-
Der neuere Stand der Technik anerkennt, daß Kohlendioxid als Gewinnungsmittel unter Bedingungen einsetzbar ist, bei denen unter Lagerstättenbedingungen nur eine bedingte Mischbarkeit zu erzielen ist. Die bedingte Mischbarkeit unterscheidet sich von der sofortigen Mischbarkeit dadurch, daß die Mischbarkeit zwisehen dem eingepreßten Kohlendioxid und dem Lagerstättenöl erst einige Zeit nach dem ersten Kontakt zwischen dem Kohlendioxid und dem Lagerstättenöl erzielt wird, und zwar aufgrund einer Serie von Mehrphasen-Übergangszuständen, wobei das eingepreßte Fluid miulere Kohlenwasserstoffanteile aus dem Lagerstättenöl verdampft, so daß ein Gemisch aus Kohlendioxid und mittleren Kohlenwasserstoffanteilen gebildet wird, wobei die Konzentration der mittleren Kohlenwasserstoffkomponenten über die Zeit ansteigt, während sich die Bank durch die Lagerstätte bewegt, bis an Ort und Stelle ein Zustand der Mischbarkeit infolge des Kontakts zwischen dem eingepreßten Fluid und dem Lagerstättenöl erreicht wird.
Wenn das in die Lagerstätte eingepreßte Fluid bei Lagerstättenbedingungen gasförmig ist, müssen die Injektionsbedingungen sorgfältig kontrolliert werden, um eine wirksame Verdrängung zu erreichen, und zwar auch dann, wenn eine bedingte Mischbarkeil erreichbar ist. Dies betrifft die Tatsache, daß gasförmige Verdiängungsfluide normalerweise unter vielen in untertägigen Lagerstätten anzutreffenden Bedingungen unwirksame Verdrängungsmittel sind. Wenn die Lagerstätte selbst ein Gefälle hat, d. h. wenn der Winkel zwischen der Lagerstätte und der Horizontalen größer als 5" und bevorzugt größer als 10° ist, können stabile Bedingungen dann erreicht weiden, wenn das gasförmige Fluid um höchsten Punkt des Gefälles eingepreßt wird, so daß das Erdöl in Abwärtsrichtung verdrängt wird, solange die lineare Geschwindigkeit der eingepreßten Lösungsmittelbank durch die Lagerstätte eine kritische Geschwindigkeit nicht übersteigt. Die kritische Geschwindigkeit ist der Lagerstättenpermeabilität, dem Dichteunterschied zwischen dem Verdrängungs- und dem verdräng-
ten Fluid und dem Neigungswinkel der Lagerstätte proportional und steht in umgekehrter Beziehung zu der
Porosität des beweglichen Fluids und der Viskositätsdifferenz zwischen dein verdrängten und dem «erdrängenden
Fluid und wird daraus bestimmt. Da Kohlendioxid ein hochverdichtbares Gas ist, ist die Dichte von gasförmigen
Kohlendioxid unter vielen Lagerstättenbedingungen nahezu gleich der Dichte des flüssigen Lagerslältenöls,
so daß die Dichtedifferenz sehr gering >st Diese gerinne Dichtedifferenz bedeutet, daß die zur
Aufrechterhaltung einer stabilen Verdrängungsfront erforderliche kritische Geschwindikgkeit sehr gering ist,
und so muß die Fluidinjektionsrate auf einem Wert gehalten werden, der für eine wirtschaftliche Verfahrensführung unannehmbar ist Der Stand der Technik lehrt
zwar die Verdünnung von Kohlendioxid mit Inertgas zur Verringerung der Dichte des eingepreßten Fluids;
abtr durch die Zugabe von Inertgas zu Kohlendioxid wird die Mischbarkeit des Fluids verringert, und sie
kann in kritischen Situationen zur Folge haben, daß das
eingepreßte Fluid aus einem Zustand bedingter Mischbarkeit mit dem Lagerstättenöl in einen Zustand übergeht,
in dem es nicht mehr bedingt mischbar ist.
Es ist also ersichtlich, daß ein erheblicher Bedarf für ein ölgewinnungsverfahren unter Einsatz von Kohlendioxid
unter Bedingungen bedingter Mischbarkeit besteht, wobei die bedingte Mischbarkeit aufrechterhalten
wird, nachdem die Dichtedifferenz so weit erhöht wurde, daß ein Fluten mit annehmbar hoher Geschwindigkeit
möglich ist, wodurch eine wirtschaftlich vertretbare Ölgewinnung sichergestellt wird.
In der US-PS 38 11501 ist ein tertiäres ölgewinnungsverfahren
unter Einsatz eines bedingt mischbaren Gemischs aus Kohlendioxid und einem Inertgas angegeben.
Die US-PS 38 11 502 beschreibt ein tertiäres Ölgewinnungsverfahren
unter Einsatz von im wesentlichen reinem Kohlendioxid unter Bedingungen, unter denen
das Kohlendioxid mit dem Lagerstättenöl bedingt mischbar ist.
In der US-PS 38 11 503 ist ein Ölgewinnungsverfahren
unter Einsatz von Kohlendioxid angegeben, wobei reines Kohlendioxid mit dem Lagerstättenöl bei Lagerstättentemperatur
und -druck nicht bedingt mischbar ist und mit dem Kohlendioxid eine ausreichende Menge an
mittleren Kohlenwasserstoffen vermischt wird, so daß das eingepreßte Gemisch mit dem Lagerstättenöl bei
Lagerstättentemperatur und -druck bedingt mischbar ist.
In der US-PS 38 41 406 ist ein ölgewinnungsverfahren
angegeben, bei dem zuerst ein Gas-Slug begrenzter Löslichkeit in die Lagerstätte eingepreßt wird, um den
Lagerstättendruck zu erhöhen, wonach ein Kohlendioxidslug eingepreßt wird. Indem zuerst der La^erstättendruck
erhöht wird, kann zwischen dem Kohlendioxid und dem Lagerstättenöl eine bedingte Mischbarkeit erreicht
werden.
Die US-PS 38 41 403 gibt ein tertiäres ölgewinnungsverfahren
an, bei dem in eine Lagerstätte ein Schwachgas eingepreßt wird zur Bildung einer Mischphasen-Übergangszone
mit asphaltfreien Bestandteilen des Öls, wonach in die Lagerstätte ein Verdrängungsfluid eingepreßt
wird.
In der US-PS 41 36 738 ist ein tertiäres Ölgewinnungsverfahren
angegeben, bei dem zuerst mit hoher Geschwindigkeit oberhalb der kritischen Geschwindigkeit
ein Kohlenwasserstoffslug eingepreßt wird, um ein wirksames Vermischen zwischen dem eingepreßten
Fluid und dem Lagerstättenö! zu erreichen; anschließend wird Kohlendioxid mit geringer Geschwindigkeit
eingepreßt, um ein wirksames Verdrängen des Gemischs aus dem ersten Slug und dem Lagerstättenöl zu
erreichen.
Die US-PS 38 54 532 beschreibt ein tertiäres Ölgewinnungsverfahren
unter Einsatz eines Gemisches aus Methan und leichten Kohlenwasserstoffen.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein tertiäres Ölgewinnungsverfahren mit Hilfe von Kohlendioxid
unter den Bedingungen bedingter Mischbarkeit bereitzustellen, das es gestattet. Öl mit erhöhter Flutgeschwindigkeit
auszufördern.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß als gasförmiges Verdrängungsmittel ein Gemisch
aus Kohlendioxid, Inertgas und mittleren Kohlenwasserstoffen eingesetzt wird, wobei das Inertgas mit dem
Kohlendioxid in einer Konzentration vermischt wird, daß das Gemisch aus Kohlendioxid und Inertgas eine
Dichte aufweist, bei der die kritische Geschwindigkeit des Verdrängungsprozesses auf einen vorbestimmten
Wert gesteigert ist, und die Konzentration an mittleren Kohlenwasserstoffen zumindest ausreicht, um das gasförmige
Gemisch mit dem Lagerstättenöl bei Lagerstättentemperatur und -druck bedingt mischbar zu machen.
Anhand der Zeichnung wird die Erfindung beispielsweise näher erläutert Es zeigt
Fig. 1 ein Dreistoff-Mischungsdiagramm für ein Kohlendioxid, Methan und Normalbutan umfassendes
System zum Einsatz in einem Verfahren, bei dem Koh-. lendioxid mit Lagerstättenöl bei der Lagerstättentemperatur
und dem Lagerstättendruck gerade bedingt mischbar ist;
Fig. 2 ein hypothetisches Dreistoff-Mischungsdiagramm für Kohlendioxid, Inertgas und mittlere Kohlenwasserstoffe
für ein System, bei dem ein Gemisch aus Kohlendioxid und einer geringen Inertgasmenge bei der
Temperatur und dem Druck der Lagerstätte gerade bedingt mischbar ist; und
Fig.3 ein hypothetisches Dreistoff-Mischungsdiagramm
für Inertgas, mittlere Kohlenwasserstoffe und Kohlendioxid für ein System, bei dem Kohlendioxid für
sich mit dem Lagerstättenöl nicht bedingt mischbar ist, jedoch durch Zumischen einer geringen Menge von
mittleren Kohlenwasserstoffen mischbar gemacht wird.
Die vorliegende Erfindung ist ganz allgemein ein Verfahren zur erhöhten Gewinnung von Erdöl unter Bedingungen
bedingter Mischbarkeit, das in einer ein Gefälle aufweisenden Lagerstätte unter Bedingungen anwendbar
ist, die die Erzielung bedingter Mischbarkeit erlauben, und das die Aufrechterhaltung des Vorteils einer
schwerkraft-stabilisierten Gasverdrängung erlaubt, wobei gleichzeitig das Verfahren mit relativ hoher Injektionsgeschwindigkeit
durchführbar ist.
Die Erfindung liegt in der Feststellung, daß es möglich ist, ein System, mit dem bei der Temperatur und dem
Druck in der Lagerstätte eine bedingte Mischbarkeit zwischen Kohlendioxid und dem Lagerstättenöl gerade
erzielbar ist, zu modifizieren, indem entweder reines Kohlendioxid oder mit geringen Mengen von Inertgas
oder mittleren Kohlenwasserstoffen vermischtes Kohlendioxid eingesetzt wird, wobei die Dichte des Kohlendioxid-Verdrängungsmittels
verringert wird, um die kritische Geschwindigkeit zu steigern, wie noch erläutert
wird. Die Zugabe von Inertgas zur Verringerung der Dichte bewirkt, daß das Kohlendioxidgemisch aufhört,
mit dem Lagerstättenöl bedingt mischbar zu sein. Es können dann genügend mittlere Kohlenwasserstoffe
wie Butan dem Gemisch zugesetzt werden, wodurch die Mischbarkeit erhöht und gleichzeitig die erwünschte
niedrigere Dichte des Gasgemischs aufrechterhalten wird.
Der hier verwendete Ausdruck bedingte Mischbarkeit unterscheidet sich von sofortiger Mischbarkeit, die
häufig auch einfach als Mischbarkeit bezeichnet wird, dadurch, daß die bedingte Mischbarkeit erreicht wird,
nachdem in der Lagerstätte eine Serie von Mehrphasen-Übergangsbedingungen erreicht wurde, wobei das eingepreßte
Gasgemisch mittlere Kohlenwasserstoffanteile aus dem Lagerstättenöl verdampft, so daß mischbare
Obergangszonen mit ständig steigender Konzentration an mittleren Kohlenwasserstoffanteilen gebildet werden,
bis ein Zustand echter Mischbarkeit erreicht ist, der is
daraus resultiert, daß die Konzentration der mittleren Kohlenwasserstoffe auf einen Punkt erhöht wurde, an
dem bei der Temperatur und dem Druck der Lagerstätte eine Mischbarkeit erreichbar ist. Eine bedingte
Mischbarkeit kann unter bestimmten Bedingungen durch den Einsatz von nur Kohlendioxid erreicht werden,
oder sie kann in Abhängigkeit von der Temperatur, dem Druck und den Eigenschaften des Lagerstättenöls
unter Einsatz eines Gemischs von Kohlendioxid und einer geringen Inertgasmenge, z. B. Methan oder Stickstoff,
erreicht werden. In anderen Lagerstätten ist reines Kohlendioxid mit dem öl unter Lagerstättenbedingungen
nicht bedingt mischbar, und es ist somit erforderlich, eine geringe Menge von mittleren Kohlenwasserstoffen,
z. B. Flüssiggas, mit Kohlendioxid zu vermischen, um einen Zustand bedingter Mischbarkeit zu erreichen.
Im Rahmen der vorliegenden Erläuterung wird unter Inertgas ein Gas verstanden, dessen Löslichkeit in Lagerstättenöl
geringer als die Löslichkeit von Kohlendioxid bei der Temperatur und dem Druck der Lagerstät- 35 mit
te ist. Hierfür sind Methan, Äthan, Erdgas, Separatorgas, Rauchgas, Stickstoff, Luft oder Gemische dieser Gase, Vc
bevorzugt Methan, einsetzbar. Wenn Inertgas mit Koh- k lendioxid vermischt wird, hat dies mehrere Folgen. Die Φ
Dichte des Gasgemischs wird verringert, da die Dichte von Inertgas erheblich geringer als diejenige von Koh- Ap
lendioxid bei den normalerweise in untertägigen Lagerstätten während der Gasverdrängung herrschenden Δμ
Drücken ist. und zwar wegen der ungewöhnlichen Kompressibilität von Kohlendioxid. Auch werden die Kosten
für das Fluid stark verringert, da Kohlendioxid teurer als jedes der vorgenannten Inertgase ist Da jedoch die
Inertgase in öl geringer löslich sind als Kohlendioxid, ist
das Gemisch aus Inertgas und Kohlendioxid mit Erdöl schwächer mischbar als reines Kohlendioxid. Wenn
Kohlendioxid mit Erdöl bei Drücken unterhalb des Lagerstättendrucks
bei Lagerstättentemperatur bedingt mischbar ist. können Inertgas-Kohlendioxid-Gemische
angesetzt werden, die immer noch bei der Lagerstättentemperatur
mit dem Lagerstättenöl bedingt mischbar sind. Wenn Kohlendioxid bei Lagerstättentemperatur
und -druck bedingt mischbar ist, jedoch bei nur gering unter dem Lagerstättendruck liegenden Drücken nichtmischbar
wird, so hat die Zugabe einer nur geringen Inertgasmenge zu Kohlendioxid ein Gemisch zur Folge,
das mit dem Lagerstättenöl bei Lagerstättentemperatur und -druck nicht bedingt mischbar ist Wenn Kohlendioxid
mit Lagerstättenöl bei Lagerstättentemperatur und -druck nicht bedingt mischbar ist, ist auch ein Gemisch
aus einer nur geringen Inertgasmenge und Kohlendioxid mit Lagerstättenöl bei Lagerstättentemperatur
und -druck nicht mischbar.
Im Rahmen dieser Erläuterung wird unter mittleren Kohlenwasserstoffen jeder Kohlenwasserstoff verstanden,
dessen Molekulargewicht zwischen demjenigen des Lagerstättenöls und entweder Kohlendioxid oder dem
Inertgas liegt. Bevorzugte mittlere Kohlenwasserstoffe sind solche mit 2—6, bevorzugt 3 — 5 Kohlenstoffatomen
einschließlich Gemische solcher Kohlenwasserstoffe. Auch handelsübliche Gemische wie Flüssiggas
sind einsetzbar. Paraffinische oder aromatische Kohlenwasserstoffe sind ebenfalls mit Erfolg einselzbar, wobei
jedoch wegen der wesentlich niedrigeren Kosten paraffinische Kohlenwasserstoffe bevorzugt werden.
Bei jedem tertiären Ölgewinnungsverfahren durch Fluten mit einem gasförmigen ölverdrängungsfluid tritt
das schwerwiegende Problem des viskosen Durchfingerns auf, d. h. das weniger viskose gasförmige Verdrängungsfluid
dringt in unregelmäßiger Weise in das Erdöl ein, so daß praktisch Lösungsmittelfinger gebildet werden,
die die Erdölbank durchsetzen. Es ist möglich, ein Gasverdrängungsverfahren in einem ein Gefälle aufweisenden
Reservoir durchzuführen, insbesondere, wenn der Neigungswinkel relativ groß, z. B. größer als
5° und bevorzugt größer als 10°, ist, so daß eine Stabilisierung der Grenzfläche zwischen dem eingepreßten
Fluid un dem Lagerstättenöl durch Schwerkraft erreicht wird. Für jede bestimmte Gruppe von Bedingungen gibt
es eine kritische Geschwindigkeit, unterhalb welcher eine Abwärtsverdrängung von Erdöl mit einem gasförmigen
ölverdrängungsmittel durch Schwerkraft stabilisiert wird. Diese kritische Geschwindigkeit ist durch die
folgende Gleichung gegeben:
Vc
2,74 1 kAp sin θ
Ap
;
'1Au
'1Au
ΦΔμ
kritische Geschwindigkeit (Fuß/Tag), Permeabilität (D),
Porosität des beweglichen Fluids (Φ [1,0—Swr—-So«])· dimensionslos, Dichtedifferenz zwischen örtlicher Flüssigkeit (öl) und Verdrängungsfluid (CO2) (g/cm3), Viskositätsdifferenz zwischen örtlicher Flüssigkeit (Öl) und Verdrängungsfluid (CO2) (mPa - s).
Porosität des beweglichen Fluids (Φ [1,0—Swr—-So«])· dimensionslos, Dichtedifferenz zwischen örtlicher Flüssigkeit (öl) und Verdrängungsfluid (CO2) (g/cm3), Viskositätsdifferenz zwischen örtlicher Flüssigkeit (Öl) und Verdrängungsfluid (CO2) (mPa - s).
Unter vielen Bedingungen ist das eingepreßte Kohlendioxid (oder ein Gemisch aus Kohlendioxid und entweder
Inertgas oder mittleren Kohlenwasserstoffen in Abhängigkeit von dem minimalen Druck, bei dem Kohlendioxid
unter Lagerstättenbedingungen mischbar ist) mit dem örtlichen Rohöl bedingt mischbar. Da Kohlendioxid
ein hochkompressibles Gas ist, liegt die Dichte von Kohlendioxid bei relativ höheren Drücken und normalen
Lagerstättentemperaturen sehr nahe an der Dichte des in der Lagerstätte vorhandenen Erdöls. Je
näher die Dichtewerte beieinander üegen, desto niedriger ist der Wert von Δρ in der obigen Gleichung für die
kritische Geschwindigkeit. Wenn also die Dichte von Kohlendioxid sehr nahe bei der Dichte des Lagcrstättenöls
liegt, ist Ap niedrig, und somit ist die kritische Geschwindigkeit zu niedrig für den praktischen Einsatz
in einem Feldprojekt. Obwohl Kohlendioxid mit Erdöl bei Lagerstättenbedingungen bedingt mischbar sein
kann, resultiert die Injektion von Kohlendioxid in einem Verdrängungsverfahren, in dem die lineare Geschwindigkeit,
mit der der Kohlendioxidslug sich durch die Lagerstätte bewegt, größer als die in der obigen Glci-
7 8 I
chung definierte kritische Geschwindigkeit ist, in star- F i g. 1 entspricht dieser als Punkt 4 bezeichnete Punkt
kern viskosem Durchfingern, wodurch ein Vermischen 100% Kohlendioxid. Wie nachstehend erläutert wird,
zwischen dem eingepreßten Kohlendioxidslug und dem fällt die Zusammensetzung von Kohlendioxid und Inert-Lagerstättenöl
bewirkt wird. Schließlich wird die Inte- gas oder Kohlendioxid und mittlerem Kohlenwassergrität
des Slugs zerstört, und damit hört das Verdrän- 5 stoff (Normalbutan im vorliegenden Fall), die bei Lagergungsverfahren
auf, ein Mischphasen-Ölverdrängungs- Stättenbedingungen mit dem öl gerade mischbar ist,
verfahren zu sein. häufig nicht mit dem 100%-Kohlendioxidpunkt zusam-Es
wurde festgestellt, daß einem Kohlendioxidslug so men. Das andere Ende der Kurve 1 ist längs der Butan
viel Inertgas wie Methan oder Stickstoff zugesetzt wer- und Methan verbindenden Seite des Dreistoff-Miden
kann, daß die Dichte des Slugs hinreichend verrin- io schungsdiagramms an dem Punkt verankert, der einem
gert wird, um die kritische Geschwindigkeit des ölver- Gemisch aus Methan und Normalbutan mit der gleichen
drängungsprozesses auf einen Wert zu steigern, der die kritischen Massenmittelwert-Temperatur wie die kriti-Durchführung
des tertiären Gewinnungsverfahrens im sehe Temperatur der vorstehend definierten CC>2-Kom-FeId
auf einem wirtschaftlich vertretbaren Niveau er- ponente entspricht; d. h. dem CC>2-Gemisch, das bei Lalaubt
Wenn Kohlendioxid bei Lagerstättentemperatur 15 gerstättenbedingungen mit dem Lagerstättenöl gerade
und -druck mit dem Lagerstättenöl gerade bedingt mischbar ist Nach Fi g. 1 entspricht der Verankerungsmischbar
ist (d. h. wenn das Kohlendioxid bei nur gering punkt 3 für die Kurve 1 dem Gemisch aus Methan und
unter dem Lagerstättendruck liegenden Drücken und Normalbutan, das eine kritische Massenmittelwertbei
der Lagerstättentemperatur die bedingte Mischbar- Temperatur hat, die derjenigen von im wesentlichen
keit verliert), dann resultiert die Zugabe von Inertgas zu 20 reinem Kohlendioxid (304,4 K (= 5480R)) entspricht.
Kohlendioxid in einer solchen Menge, daß die Dichte Das dieser Bedingung entsprechende Gemisch aus Medes
Gemische verringert und dadurch die erwünschte than und Normalbutan enthält 47 Gew.-% oder
Steigerung der kritischen Geschwindigkeit erreicht 76,5 MoI-% Methan. In dem Mischungsdiagramm nach
wird, darin, daß das Gemisch seine Fähigkeit zur Erzie- Fig. 1 sind für alle Bestandteile Mol-% aufgetragen,
lung einer bedingten Mischbarkeit oder einer Multikon- 25 Die Dichte des dem Punkt 3 von F i g. 1 entsprechenden
takt-Mischbarkeit mit dem Lagerstättenöl bei Lager- Gemische ist 0,268 g/cm3.
stättenlemperatur und -druck verliert Es wurde er- Die die Punkte 3 und 4 verbindende Linie ist als mini-
kannt, daß die Mischbarkeit dadurch wiedergewinnbar male Multikontakt-Mischbarkeitslinie definiert. Jede
ist, daß eine sehr kleine Menge von mittleren Kohlen- unter dieser Linie liegende Zusammensetzung der drei
Wasserstoffen, z. B. paraffinische Kohlenwasserstoffe 30 Komponenten kann bei Lagerstättentemperatur und
mit 2—6, bevorzugt mit 3—5 C-Atomen wie Propan, -druck mit dem Lagerstättenöl keine bedingte oder
Butan oder Pentan, zugesetzt wird, ohne daß eine schäd- Multikontakt-Mischbarkeit erzielen. Jedes auf oder
liehe Verringerung der Fluiddichte eintritt Damit ist es oberhalb dieser Linie liegende Gemisch kann mit dem
möglich, ein verschnittenes Kohlendioxidgemisch anzu- Lagerstättenöl eine Multikontakt-Mischbarkeit errei-
setzen, das im wesentlichen die erwünschte Dichte hat 35 chen. Obwohl eine Mischbarkeit bei beträchtlich über
wobei gleichzeitig die bedingte Mischbarkeit zwischen der Linie 1 liegenden Abständen in der Lagerstätte
dem Lösungsmittelgemisch und dem örtlichen Erdöl leicht erreichbar ist erhöhen sich die Kosten des Lö-
aufrechterhalten wird. Der Einsatz des kritisch ver- sungsmittelsystems mit steigendem Butangehalt erheb-
schnittenen Gemischs aus Kohlendioxid, Lösungsmittel Hch, so daß es erwünscht ist, das Verfahren unter Einsatz
und Inertgas ermöglicht ein Fluten von ein Gefalle auf- 40 einer Zusammensetzung durchzuführen, die nur gering
weisenden Lagerstätten, ohne daß die günstige Auswir- oberhalb der minimalen Multikontakt-Mischbarkeitsli-
kung der Schwerkraftstabilisierung der Mischphasen- nie 1 liegt
Flutung aufgegeben zu werden braucht während Fig.2 zeigt ein Dreistoff-Mischungsdiagramm für
gleichzeitig mit einer Einpreßrate gearbeitet wird, die Inertgas, mittlere Kohlenwasserstoffe und Kohlendi-
gewährleistet daß die Flutung innerhalb einer annehm- 45 oxid, und zwar für ein System, bei dem Kohlendioxid bei
baren Zeit abgeschlossen werden kann. Lagerstättentemperaturen und bei gering unter dem
Die Durchführung des vorliegenden Verfahrens wird Lagerstättendruck liegenden Drücken mischbar ist Das
unter Bezugnahme auf Fig. 1 erläutert die ein Drei- heißt daß es möglich ist eine geringe Menge Inertgas
stoff-Mischungsdiagramm für Kohlendioxid, Methan mit Kohlendioxid zu mischen und immer noch eine MuI-
und Normalbutan zeigt Die Daten wurden während der 50 tikontakt- bzw. eine bedingte Mischbarkeit mit Lager-Untersuchung
einer Lagerstätte erhalten, deren Tempe- stättenöl bei Lagerstättentemperatur und -druck zu erratur
71,10C und dereiTbruck 231,4 bar war. Die Lager- zielen. Es ist jedoch dabei zu beachten, daß die minimale
Stättenporosität war 0,22, 5»r — 030, Sn- = 0,05, Multikontakt-Mischbarkeitslinie 12 an einem Punkt 9
p,5, = 0,72 g/cm, k -50OmD, der Lagerstätten-Nei- verankert ist der längs der Grundlinie zum 100%-Inertgungswinkel
= 33° und μ& = 0,50 mPa · s. Unter die- 55 gasscheitel verschoben ist und infolgedessen ist in diesen
Bedingungen ist reines Kohlendioxid bei der oben sem Diagramm die minimale Multikontakt-Mischbarangegebenen
Temperatur und dem Druck mit dem La- keitslinie 12 niedriger als die Linie 1 von Fig. 1. Der
gerstättenöl gerade mischbar. Unter diesen Bedingun- Punkt 13, also der zweite Verankerungspunkt der Linie
gen hat Kohlendioxid eine Dichte von 0,692 g/cm3 und 12, kann auch an einer etwas anderen Stelle liegen, da er
eine Viskosität von 0,06 mPa ■ s. 60 der Zusammensetzung der Inertgas- und mittleren Koh-
Bei Anwendung des vorliegenden Verfahrens muß lenwasserstoff-Komponente mit einer kritischen Maszuerst
die minimale Multikontakt-Mischbarkeitslinie senmittelwert-Temperatur gleich dem Gemisch entdefiniert
werden, die in F i g. 1 mit 1 bezeichnet ist Diese sprechend Punkt 9 von F i g. 2 entspricht Die genaue
Linie ist auf der rechten Seite des Diagramms verankert Lage dieses Punkts hängt von dem jeweils eingesetzten
durch Feststellen der Zusammensetzung von CO2 und 65 Inertgas und dem eingesetzten mittleren Kohlenwassermittleren
Kohlenwasserstoff oder CO2 und Inertgas, die stoff ab. Wenn das Inertgas Stickstoff ist wird der Verbei
Lagerstättentemperatur und -druck mit dem Lager- ankerungspunkt 13 nach oben verschoben, was bedeustättenöl
gerade mischbar ist Bei dem Beispiel nach tet, daß zur Erzielung der Mischbarkeit größere Men-
gen von mittleren Kohlenwasserstoffen dem Gemisch aus Kohlendioxid und Stickstoff zuzusetzen sind, als
dies für die Erzielung der Mischbarkeit eines Gemischs von Kohlendioxid und Methan erforderlich ist.
F i g. 3 zeigt einen weiteren Zustand auf, in dem Kohlendioxid bei Lagerstättentemperatur und -druck mit
dem Lagerstättenöl nicht mehr mischbar ist. Dabei ist es erforderlich, ca. 5% mittleren Kohlenwasserstoff mit
dem Kohlendioxid zu vermischen, um ein Gemisch zu bilden, das bei Lagerstättentemperatur und -druck mit
dem Lagerstättenöl gerade mischbar ist. Damit liegt die minimale Multikontaktlinie 11 von Fig.3 etwas höher
als in den F i g. 1 oder 2. Der Punkt 14, der den anderen Verankerungspunkt für die Linie 11 von F i g. 3 bildet,
kann auch auf einem anderen Punkt längs dem Inertgasmittlerer-Kohlenwasserstoffgas-Verlauf
des Dreistoffdiagramms liegen, und zwar in Abhängigkeit von dem jeweils eingesetzten Inertgas bzw. mittleren Kohlenwasserstoff.
Er sollte jedoch der Zusammensetzung von Inertgas und mittlerem Kohlenwasserstoff mit einer kritischen
Massenmittelwert-Temperatur gleich der Temperatur des Gemisches entsprechend Punkt 10 von
F i g. 3 entsprechen.
Nachstehend wird das Bestimmen der optimalen Konzentration für ein bestimmtes Ausführungsbeispiel
der Erfindung erläutert und gezeigt, warum ein solches Vorgehen notwendig ist und was für Ergebnisse damit
erzielbar sind. In der vorgenannten, im Zusammenhang mit den Daten von F i g. 1 erläuterten Lagerstätte ist bei
den angegebenen Bedingungen die kritische Geschwindigkeit von reinem Kohlendioxid 0,1 m/Tag. Bei der Anwendung
eines Verfahrens in einer Lagerstätte mit den oben angegebenen Charakteristika und unter Verwendung
von Bohrlochabständen von jeweils ca. 152 m würde
das Einpressen von reinem Kohlendioxid in die Lagerstätte mit einer Geschwindigkeit die bei oder gering
unter der kritischen Geschwindigkeit liegt, 1515 Tage (4,2 Jahre) bis zum Durchbrechen des eingepreßten Lösungsmittels
dauern. Der Prozeß wäre zwar wirksam, aber die Wirtschaftlichkeit wäre sehr schlecht aufgrund
der zur Durchführung der Flutung benötigten Zeit Durch Anwendung des Verfahrens nach der vorliegenden
Erfindung kann im wesentlichen die gleiche Ölmenge in wesentlich kürzerer Zeit gewonnen werden. Durch
Beimischen einer ausreichenden Inertgasmenge zur Verringerung der Lösungsmitteldichte von 0,692 g/cm3
auf 0,57 g/cm3 wird die kritische Geschwindigkeit von 0,1 auf 0,55 m/Tag gesteigert. Somit wird die zum Fluten
eines Bohrlochsystems mit Bohrlochabständen von ca. 152 m erforderliche Zeit von 4,2 auf 0,8 Jahre herabgesetzt
Die Wirtschaftlichkeit eines Feldprojekts wird durch eine so starke Zeitverringerung erheblich verbessert
Nachstehend wird insbesondere erläutert wie das vorliegende Verfahren für die Auslegung eines FIutungsverfahrens
in einer Lagerstätte unter den obengenannten Bedingungen angewandt wird. Jedes gasförmige
Gemisch des Inertgases (Methan bei dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 1) und der mittleren Komponente
(Normalbutan im vorliegenden Fall), das mit der ω Lagerstättenflüssigkeit unter den Arbeitsbedingungen
bedingt mischbar wäre, wäre in ailen Mengenanteilen mit Kohlendioxid mischbar, und das restultierende Gemisch
wäre ebenfalls mit der Lagerstättenflüssigkeit mischbar. Ein erwünschtes Gemisch aus Inertgas und
mittlerem Kohlenwasserstoff entsprechend Punkt 3 von F i g. 1 hat die gleiche kritische Massenmittelwert-Temperatur
wie Kohlendioxid (304,4 K). Das diese Bedingung erfüllende Gemisch aus Methan und Normalbutan
enthält 47,4 Gew.-% oder 76,5 Mol-% Methan. Bei den
Arbeitsbedingungen der Lagerstätte, nämlich 73,3°C und 231,4 bar, weist dieses Gemisch eine Dichte von
0,268 g/cm3 auf.
Alle Gemische dieser Mischung aus Methan und Normalbutan mit reinem Kohlendioxid sind mit dem Lagerstättenöl
mischbar. Beim Ansetzen der erwünschten Mischung muß dem Kohlendioxid zuerst ausreichend Methan
zugesetzt werden, um die Dichte des Kohlendioxid-Methan-Gemischs
auf den Sollwert, also 0,57 g/ cm3, zu verringern. Die Zugabe steigender Mengen von
Methan zu Kohlendioxid resultiert in Mischungen, die längs der Grundlinie des Dreistoffdiagramms von
Fig. 1 vom Punkt 4 zum Scheitel des Diagramms entsprechend
100% Methan verlaufen. Indem man sich längs der Grundlinie bewegt, bis die Dichte innerhalb
der angegebenen Dichtegrenzwerte von 0,55 und 0,60 liegt (vgl. Fig. 1), kann man ein Gemisch aus Kohlendioxid
und Methan mit der erwünschten Dichte ansetzen. Dieses Gemisch liegt unter der minimalen bedingten
Mischbarkeitslinie 1, und somit ist es, obwohl es die erwünschte Dichte aufweist, mit dem Lagerstättenöl bei
Lagerstättentemperatur und -druck nicht bedingt mischbar. Im anschließenden Schritt wird eine ausreichende
Menge an mittlerem Kohlenwasserstoff zugesetzt, um den Mischungspunkt über die Linie 1 (in
F i g. 1) zu bringen, wodurch ein Gemisch erhalten wird, das sowohl die erwünschte Dichte aufweist als auch
oberhalb der bedingten Mischbarkeitslinie liegt.
Nach Maßgabe dieser Kriterien wurden zwei Gemische angesetzt, und ihre Zusammensetzung ist in F i g. 1
als Punkt 7 und Punkt 8 angegeben. Das Gemisch entsprechend Punkt 7 enthält 83,0% Kohlendioxid, 11,0%
Methan und 6,0% Normalbutan. Das Gemisch entsprechend Punkt 8 enthält 843% Kohlendioxid, 10,7% Methan
und 5,0% Normalbutan. Beide Gemische wiesen Mischbarkeits-Mindestdrücke von weniger als 235,5 kp/
cm2 (bestimmt durch Engrohr-Verdrängungsversuche) und Dichten zwischen 0,57 und 0,58 g/cm3 (basierend
auf Bestimmungen in der Druck-, Volumen-, Temperatur-Zelle (PVT-ZeIIe)) auf. Diese Messungen zeigen, daß
jedes der Gemische ein zufriedenstellendes Lösungsmittel wäre, da es sowohl bedingt mischbar ist als auch
die Dichte aufweist die für die Durchführung einer Mischphasen-Flutung mit einer unter der kritischen Geschwindigkeit
für das System liegenden Flutungsrate und doch einer technisch akzeptablen Rate erforderlich
ist
Aus F i g. 2 ist ersichtlich, daß es zwar unter bestimmten Bedingungen möglich ist, eine bedingte Mischbarkeit
mit einem Gemisch aus Kohlendioxid und einer geringen Menge Inertgas (entsprechend der Zusammensetzung
von Punkt 9) zu erzielen, daß diese Zusammensetzung jedoch nicht die Kriterien des vorliegenden
Verfahrens erfüllt Der Stand der Technik lehrt daß es erwünscht ist Kohlendioxid eine geringe Menge Inertgas
zuzusetzen, wenn dies möglich ist ohne daß das Gemisch dadurch seine bedingte Mischbarkeit verliert
Um die Wichte der Komponente entsprechend Punkt 9 zu verringern, die zwischen ca. 0,60 und 0,65 liegt ist es
erforderlich, wenigstens weitere 5% Inertgas zuzusetzen, um die Gemischdichte auf den erwünschten Wert
von 0,57 g/cm3 herabzusetzen. Die Zugabe dieser Gasmenge
hat jedoch zur Folge, daß das Gemisch bei Lagerstättentemperatur und -druck nun nicht mehr bedingt
mischbar ist, und es ist also erforderlich, 2 oder 3% mittleren Kohlenwasserstoff diesem Gemisch zuzusct-
11
zen, um ein Fluid mit der Zusammensetzung entsprechend dem Punkt 15 in F i g. 2 zu erhalten, der oberhalb
der minimalen Multikontakt-Mischbarkeitslinie 12 liegt.
Rs ist zu beachten, daß die diesem Gemisch zur Erzielung eines sämtliche Kriterien des vorliegenden Verfahrens
erfüllenden Gemischs zuzusetzende Menge an mittlerem Kohlenwasserstoff erheblich geringer als die
Menge an mittlerem Kohlenwasserstoff ist, die dem Gemisch von F i g. 1 zur Erzielung eines bedingt mischbaren
Gemischs mit annehmbarer Dichte zugefügt wird.
Fig.3 zeigt einen Fall, in dem reines Kohlendioxid
mit dem Lagerstättenöl bei Lagerstättentemperatur und -druck nicht bedingt mischbar ist, so daß ca. 4%
mittlerer Kohlenwasserstoff zuzufügen sind, um ein Fluidgemisch zu erhalten, das gerade bedingt mischbar
ist. Dabei wird wiederum das vorliegende Verfahren angewandt, indem genügend Inertgas zugesetzt wird,
um die Dichte des ersten Gemischs aus Kohlendioxid und mittlerem Kohlenwasserstoff (Punkt 10 in Fig.3)
auf den erwünschten Bereich zu verringern; dies erfordert ca. 11% Inertgas. Dieses Gemisch ist wiederum
nicht mehr bedingt mischbar, und es müssen also weitere 3% mittlere Kohlenwasserstoffe zugesetzt werden,
um das Gemisch auf einen Punkt oberhalb der minimalen Muhikontakt-Mischbarkeitslinie 11 anzuheben. Dieser
Punkt 16 entspricht ca. 82% Kohlendioxid, 8% mittleren Kohlenwasserstoffen und 10% Inertgas.
Das vorstehend angegebene Verfahren ist in einer ein Gefälle aufweisenden Lagerstätte anwendbar, oder es
kann in einem Vertikal Verdrängungsprozeß An wendung finden, bei dem vor der Injektion des Verdrängungsfluids
eine Lösungsmittelzone aufgebaut wird, die von dem Verdrängungsfluid durch die Lagerstätte nach
vertikal unten bewegt wird.
Das vorliegende Verfahren ist somit ein Flutungsverfahren unter Bedingungen bedingter Mischbarkeit, das
durch Ansetzen eines Gemischs aus einem kohlendioxidhaltigen Gas, das mit dem Lagerstättenöl gerade
mischbar ist, mit ausreichend Inertgas zur Verringerung der Gemischdichte auf einen erwünschten Wert, der eine
hinreichend hohe kritische Geschwindigkeit im jeweiligen Anwendungsfall erlaubt, und anschließendes
Zusetzen einer ausreichenden Menge an mittleren Kohlenwasserstoffen zu dem Gemisch, um dieses auf einen
Punkt im Dreistoffdiagramm oberhalb der minimalen Multikontakt-Mischbarkeitslinie zurückzuführen, besteht,
wodurch gewährleistet ist, daß das Gemisch aus Kohlendioxid, Inertgas und mittleren Kohlenwasserstoffen
mit dem Lagerstättenöl bei Lagerstättentemperatur und -druck bedingt mischbar ist Bei jedem der
vorstehend erläuterten Ausführungsbeispiele wird, nachdem eine bestimmte Menge des Slugs angesetzt
und in die Lagerstätte injiziert wurde, wobei diese Menge ausreicht, eine gesonderte Lösungsmittelbank in der
Lagerstätte zu bilden, ein Verdrängungsfluid wie Inertgas oder Wasser in die Lagerstätte eingepreßt, das den
Lösungsmittelslug durch die Lagerstätte verdrängt, wodurch wiederum Erdöl durch die Lagerstätte zur Förderbohrung
verdrängt wird, durch die es an der Erdoberfläche gewonnen wird. Wenn entsprechend dem
vorstehend erläuterten Verfahren gearbeitet wird, resultiert eine hochwirksame schnelle Verdrängung von
Lagerstättenöl unter Einsatz einer kostengünstigen Lösungsmittelzusammensetzung.
65
Hierzu 3 Blatt Zeichnungen
Claims (3)
1. Verfahren zur ölgewinnung aus unterirdischen Lagerstätten, die durch mindestens eine Injektionsbohrung und mindestens eine Produktionsbohrung
durchteuft sind, mit Hilfe von Kohlendioxid und eines Inertgases unter Bedingungen bedingter Mischbarkeit,
wobei zunächst ein gasförmiges Verdrängungsmittel in die Lagerstätte eingepreßt, danach
ein Treibmittel injiziert und abschließend aus der Produktionsbohrung das verdrängte Erdöl gewonnen
wird, dadurch gekennzeichnet,
daß als gasförmiges Verdrängungsmittel ein Gemisch aus Kohlendioxid, Inertgas und mittleren
Kohlenwasserstoffen eingesetzt wird, wobei das Inertgas mit dem Kohlendioxid in einer Konzentration
vermischt wird,
daß das Gemisch aus Kohlendioxid und Inertgas eine Dichte aufweist, bei der die kritische Geschwindigkeit
des Verdrängungsprozesses auf einen vorbestimmten Wert gesteigert ist, und die Konzentration
an mittleren Kohlenwasserstoffen zumindest ausreicht, um das gasförmige Gemisch mit dem Lagerstättenöl
bei Lagerstättentemperatur und -druck bedingt mischbar zu machen.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Inertgas Methan oder Stickstoff
eingesetzt wird.
3. Anwendung des Verfahrens nach einem der vorhergehenden Ansprüche zur Gewinnung von Erdöl
aus Lagerstätten mit Gefälle, welche mit der Horizontalen einen Winke! von mindestens 5° bilden,
wobei das gasförmige Verdrängungsmittel von oben nach unten in die geeignete Lagerstätte eingepreßt
wird und die Verdrängung in absteigender Richtung erfolgt, und zwar mit einer Injektionsgeschwindigkeit,
die eine Strömungsgeschwindigkeit des Verdrängungsmittels durch die Lagerstätte verursacht,
die geringer als die kritische Geschwindigkeit ist.
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