DE3116617C2

DE3116617C2 - Verfahren zur Gewinnung von Erdöl aus untertägigen Lagerstätten

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Publication number: DE3116617C2
Application number: DE3116617A
Authority: DE
Inventors: Robert Bailey 77459 Missouri City Tex. Alston
Original assignee: Texaco Development Corp
Current assignee: Texaco Development Corp
Priority date: 1980-05-21
Filing date: 1981-04-27
Publication date: 1986-03-06
Also published as: GB2077324A; GB2077324B; DE3116617A1; CA1151063A; US4299286A

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-

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, V_c 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:

V_c

2,74 1 kAp sin θ

Ap ;
'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).

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-

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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, S_n- = 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-

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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.

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Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

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.