Verfahren zur Förderung von Bitumen und/oder Schwerstöl aus einer unterirdischen Lagerstätte, zugehörige Anlage und Be- triebsverfahren dieser Anlage

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Förderung von Bitumen und/oder Schwerstöl aus einer unterirdischen Lagerstätte, bei dem die Viskosität des Bitumens und/oder Schwerstöl in-situ erniedrigt wird, wozu der Lagerstätte

Energie in Form von die Lagerstätte durchströmendem Dampf einerseits und elektrischer Beheizung andererseits zugeführt wird. Daneben bezieht sich die Erfindung auch auf die zugehörige Anlage und auf ein Betriebsverfahren dieser Anlage.

Beim „in situ"-Abbauverfahren von Bitumen aus Ölsänden mittels Dampf (z. B. C_yclic S_team Stimulation = CSS; S_team Assisted Gravity Drainage = SAGD) werden große Mengen Wasserdampf zum Aufheizen des Bitumen in der Lagerstätte benötigt. Typischerweise wird Dampf mit der Temperatur 250 ⁰ C und einer Qualität 0,95, d.h. im nahezu überhitzten Zustand, verwendet. Obwohl dieser Dampf sehr hohen Energieinhalt aufweist, fallen sehr große Wassermengen an, die zusammen mit dem Öl wieder an die Erdoberfläche gefördert und dort aufbereitet werden müs- sen.

Die Verwendung zusätzlicher elektrischer Aufheizung eines Reservoirs wird bereits in der DE 10 2007 008 292 Al sowie in den älteren nicht vorveröffentlichten deutschen Patentanmel- düngen der Anmelderin AZ 10 2007 036 832.3,

AZ 10 2007 040 605.5 und AZ 10 2007 040 607.1 vorbeschrieben und kann durch rechnerische Simulationen erfolgreich demonstriert werden. Speziell im Fall der dort vorgeschlagenen zusätzlichen induktiven Beheizung wird vom EM (Electromagnetic) - SAGD-Verfahren gesprochen.

Der vergleichsweise hohe Preis für elektrische Leistung reduziert allerdings im Vergleich zur Energieform „Dampf" den ökonomischen Vorteil letzterer Vorschläge.

In der Praxis ist eine durch elektrische Heizung gestützte Bitumenförderung aus Ölsanden kommerziell noch nicht einge- setzt. Bei bekannten Pilotanlagen, die eine rein elektrische, resistive Heizung einsetzen, wird die elektrische Leistung aus dem Netz genommen.

Der Dampf für SAGD- oder CSS-Verfahren wird zumeist in sepa- raten Dampfkesseln erzeugt, welche typischerweise mit Erdgas (z. B. Suncor's Millenium Project aus „Canadas Oilsands and Heavy OiI", April 2000, http://www.centreforenerqy. com/documents/187.pdf - S. 23, unten) oder Bitumen befeuert werden. Es wurde auch vorgeschlagen, vorhandenen GuD-Anlagen, deren elektrische Energie in das

Netz eingespeist wird, für obigen Zweck Prozessdampf zu entziehen. Diese Anlagen sind daher immer zentral und ortsfest angeordnet, wobei die Übertragung der Energie nicht vernachlässigbare Verluste mit sich bringt.

Davon ausgehend ist es Aufgabe der Erfindung, ein Verfahrenskonzept vorzuschlagen, mit dem die Wirtschaftlichkeit der bereits vorgeschlagenen Verfahren verbessert werden kann. Daneben soll eine zugehörige Anlage mit entsprechendem Be- triebsverfahren angegeben werden.

Die Aufgabe ist erfindungsgemäß durch ein Verfahren gemäß Patentanspruch 1 gelöst. Eine zugehörige Anlage ist im nebengeordneten Patentanspruch 11 angegeben. Deren vorteilhaftes Be- triebsverfahren ist Gegenstand des weiteren nebengeordneten Patentanspruches 24. Weiterbildungen des Verfahrens, der Anlage und des zugehörigen Betriebsverfahrens sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.

Gegenstand der Erfindung ist ein verfahrenstechnisches Konzept zur Förderung von Bitumen oder Schwerstöl aus Ölsanden, das sich durch eine autarke Energieversorgung und durch eine ökonomisch besonders günstige Förderung auszeichnet. Die da- für notwendigen Betriebsmittel werden mit der erfindungsgemäßen Anlage bereitgestellt.

Mit der Erfindung wird ein Betriebskonzept für die Bitumen oder Schwerstölproduktion aus insbesondere Ölsandlagerstätten vorgeschlagen, bei dem eine Industrieturbine zum Einsatz kommt, die mit einem Generator und einem Abhitzekessel bzw. einem separat gefeuerten Kessel kombiniert ist. Die Industrieturbine kann entweder ein Gasturbine oder aber eine Dampfturbine sein.

Erfindungsgemäß kann bei der fakultativen Verwendung der Gasturbine oder der Dampfturbine entweder ein Abhitzekessel oder ein gefeuerter Kessel verwendet werden. In den Abhitzekessel wird die Abhitze bei der Erzeugung der elektrischen Leistung eingeleitet. Der Abhitzekessel wird von einer Ventileinheit mit Betriebswasser versorgt, das durch die Abwärme der Gasturbine verdampft wird. Der so erzeugte Dampf wird der Sammlereinheit zugeführt. Mit einem separat befeuerten Kessel kann dagegen aus extern zugeführtem Wasser gleichermaßen der Dampf sowohl für das SAGD-Verfahren als auch zur Generierung von elektrischer Leistung über die Dampfturbine erzeugt werden .

Gegebenenfalls sind im Rahmen der Erfindung auch eine Gasturbine und eine Dampfturbine miteinander kombinierbar. Darin wird die Abhitze bei der Erzeugung der elektrischen Leistung in der Gasturbine verwertet. Im gefeuerten Kessel kann weiter Dampf nach dem Boilerprinzip erzeugt werden, sofern das aus der Gasturbine genutzte Abgas zur Dampferzeugung des Abhitzekessels nicht ausreicht. Mit dem dabei anfallendem Dampfüber- schuss wird die Dampfturbine betrieben.

In beiden Alternativen wird ein Teil des geförderten Bitu- mens, vorzugsweise ca. 20 %, verbrannt. Damit kann gleichzeitig elektrische Leistung und Dampf im Verhältnis von beispielsweise ca. 1:4 bezüglich der Leistung erzeugt werden. Eine solche Leistungsaufteilung entspricht einem günstigen Verhältnis bei bisher durchgeführten Reservoir-Simulationen für das elektromagnetische Heizen kombiniert mit Dampfinjektion (EM-SAGD) .

Besonders vorteilhaft ist bei der Erfindung der in sich geschlossene, autarke Kreislauf beim Betrieb der EM-SAGD-AnIa- ge . Dies ergibt sich in erster Alternative insbesondere dadurch, dass die Gasturbine, welche für die Verbrennung von Bitumen oder Schwerstöl geeignet sein muss, direkt mit dem Brennstoff befeuert wird, welcher aus der Bitumenproduktion des auszubeutenden Ölsandvorkommens kommt. Das Abgas der Gasturbine kann dabei thermisch einem Abhitzekessel mit Dampferzeuger zugeführt werden, der einen solchen Dampf erzeugt, der z. B. ca. bis zu 300 ⁰ C heiß ist. Das Speisewassersystem des Abhitzedampferzeugers kann mit einer Speisepumpe versehen werden, so dass der Reservoir-spezifische Druck geregelt werden kann. Als Kondensator dient das Reservoir, wo der Dampf eingespeist wird über das sogenannte „Injektor Well". Der Dampf erhitzt das Reservoir und macht es permeabler. Bei der zweiten Alternative mit der Dampfturbine wird dagegen Dampf mit einem separat gefeuerten Kessel erzeugt, in welchem Brennstoff aus der Bitumenproduktion verfeuert wird. Der aus diesem Kessel stammende Dampf kann einerseits auf die Dampfschiene der Injektorrohrleitungen gegeben werden und kann an- dererseits die Dampfturbine antreiben.

In beiden Fällen ist die Gasturbine oder die Dampfturbine mechanisch mit einem Generator gekoppelt, welcher in bekannter Weise elektrische Leistung erzeugt, die aber nunmehr aus- schließlich für den Eigenbedarf der Bitumen- bzw. Schwerstöl- Produktion verwendet wird. Die so generierte elektrische Leistung wird über Transformatoren und Schaltanlagen eines so genanten „WellPads" derart verteilt, dass die einzelnen elektrischen Module für die EM-SAGD-Stromversorgung versorgt wer- den. Die EM-SAGD-Module versorgen insbesondere Induktoren, welche als spezielle Leitungen im Erdreich des Reservoirs angeordnet sind und über welche durch Wechselstromverluste eine zusätzliche Aufwärmung des Erdreiches erfolgt, was zu einer Optimierung der Bitumenproduktion führt.

Mit der Erfindung kann die Bitumenproduktion einer vorhandenen SAGD-Anlage mit so genannten „Well pairs", bei denen ein Paar aus einem Dampfinjektionsrohr („injector well") und einem zugeordneten Drainage-Bitumenproduktionsrohr („producer well") oder kurz „Förderrohr" besteht, in beachtlichem Maß verbessert werden. Über das Förderrohr, das horizontal unter dem Induktor liegt wird das Bitumen-Wasser-Gemisch gefördert.

Das Verhältnis zwischen aufgebrachter elektrischer Energie auf den Induktor und der damit in das Reservoir eingebrachten Energie und dem Dampf ist gleich dem Verhältnis der Erzeugung aus Turbinengenerator sowie dem Abhitzekessel, welcher der Gasturbine nachgelagert ist. Entsprechendes gilt für den separat feuerbaren Dampfkessel der Dampfturbine. Das Verhältnis beträgt in beiden Fällen typischerweise 1:3. Die Leistung für ein Wellpair kann dabei bei etwa 1 MW elektrischer Heizleistung sowie zwischen 3 und 4 MW Dampfleistung liegen.

Beim erfindungsgemäßen Verfahren wird das geförderte Bitumen- Wasser-Gemisch in einer Aufbereitungsanlage gereinigt und das Wasser entfernt. Das gewonnene Wasser wird kesseltauglich dem Speisewassersystem zugeführt. Das Bitumen wird transport- bzw. raffinerietauglich behandelt, d.h. getrocknet und gesäubert. Unverdünntes Bitumen wird abgezweigt um dieses in der Industriegasturbine oder im gefeurten Dampfkessel zu verbrennen. Hierzu ist es notwendig, das Bitumen auf ca. 110 ⁰ C aufzuheizen, um es in eine hinreichend niedrige Viskosität zu überführen.

Speziell bei Verwendung einer Gasturbine ist es zwar für das Anfahren aus dem Kaltstart notwendig, vorübergehend konventionelles leichtes Heizöl zu verwenden. Nach dem erreichen ei- ner ausreichenden Brennkammertemperatur und nach dem Aufheizen des Bitumens, welches aus einem Teilstrom des Dampfes aus dem Abhitzekessel erfolgen kann, kann das Brennstoffversorgungssystem („Fuel skid") der Gasturbine auf Bitumenverbren- nung umgestellt werden. Soll die Turbine abgestellt werden, so ist vorher zurück auf Heizölbetrieb zu stellen, so dass sämtlicher Bitumen aus den Zuleitungen zu den Brennern gespült ist.

Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Figurenbeschreibung von Ausführungsbeispielen anhand der Zeichnung in Verbindung mit den Patentansprüchen .

Es zeigen

Figur 1 perspektivisch einen Teil einer Ölsandlagerstätte, die Mittel für das bekannte SAGD-Verfahren aufweist und in die weitere Mittel zur induktiven Beheizung des Reservoirs eingebracht sind, Figur 2 eine erste Ausführungsform der anlagentechnischen

Mittel zur Erzeugung elektrischer Leistung einerseits und Dampferzeugung andererseits und Figur 3 eine zweite Ausführungsform der anlagentechnischen

Mittel zur Erzeugung elektrischer Leistung einerseits und Dampferzeugung andererseits.

In den Figuren haben gleiche Einheiten gleiche Bezugszeichen. Figur 2 und Figur 3 werden so weit zusammen beschrieben, dass deren Unterschiede deutlich werden.

In der Figur 1 ist ein Teil einer Ölsandlagerstätte dargestellt, die sich einige hundert Meter unter Tage befinden kann.

Entsprechend dem in der älteren, nicht vorveröffentlichten deutschen Patentanmeldung AZ 10 2007 040 605.5 vorbeschriebenen Stand der Technik beinhaltet Figur 1 in einer Elementar- zelle 100 eines Reservoirs einen Dampfinjektor mit einem Injektionsrohr 101 und ein Produktionsrohr 102 für die Bitumen- /Schwerstöl-Produktion mit gleichzeitiger Wasserrückführung. Insbesondere für eine induktive Heizung sind separate Leitun- gen 10, 20 als Induktoren vorhanden, die entweder unter Tage oder über Tage über eine Schleife 25 geschlossen sind. Weitere Zellen 100', 100'' ... des Reservoirs sind entsprechend ausgelegt .

Anhand der Figuren 2 und 3 sind die unterschiedlichen Betriebsmittel zur Realisierung eines kombinierten EM-SAGD- Verfahrens mit induktiver Beheizung verdeutlicht:

In Figur 2 ist eine Gasturbine mit einem Kompressor mit 1 bezeichnet. Die Gasturbine 1 kann eine übliche Industrieturbine sein, die mit unterschiedlichen Brennstoffen befeuerbar ist. Rückseitig ist ein Lufteinlass vorhanden und seitlich eine Zuführung für einen Brennstoff.

Der Gasturbine 1 ist ein elektrischer Generator 2 nachgeschaltet, wobei Gasturbine 1 und Generator 2 mechanisch gekoppelt sind. Vom Generator 2 wird eine Schaltanlage bzw. elektrischen Verteilereinheit 3 zur Leistungsverteilung ange- steuert. Vo der Einheit 3 zur elektrischen Leistungsverteilung wird eine allgemeine Verteiler- und Sammlereinheit 4 für die Verteilung von Dampf und Strom einerseits und für das Einsammeln des Produktes andererseits angesteuert. In der Fachwelt eine solche Einrichtung 4 allgemein als „WellPad" bezeichnet.

Von der Verteilereinheit 4 werden die einzelnen in den Zellen 100, 100', 100'', ... aus Figur 1 befindlichen „Wellpairs" aus jeweils einem Rohrpaar mit Injektorrohrleitung 101 angesteu- ert . Es wird eine Verteilung der Energie in Form von Dampf einerseits und in Form von elektrischer Leistung andererseits vorgenommen .

Das WellPad 4 beinhaltet dazu eine nicht im Einzelnen darge- stellte Dampf-Sammelschiene, eine elektrische Schaltanlage und eine Aufnahmeeinrichtung für das geförderte Produkt Damit sind Mittel zur Steuerung des Materialflusses bei der Förderung des Bitumens und/oder Schwerstöls einschließlich des rückgeführten Wassers realisiert. Bezugszeichen 8, 8', 8'' ... stellen Umrichter für die Wechselstromversorgung dar, welche von der Schaltanlage gespeist wird.

In der Versorgungseinheit mit den Betriebsmitteln ist weiterhin eine Vorrichtung zur Separierung des geförderten Bitumens/Schwerstöls vom rückgeführten Wasser vorhanden, die mit 13 bezeichnet ist. Darin kann gleichermaßen eine Einheit zur Behandlung und Wiederaufbereitung des rückgeführten Wassers integriert sein, wobei weiterhin eine Einheit 14 zur Zu- und Wegführung des Wassers vorhanden ist. Das aufbereitete Wasser kann dann gleichermaßen zur Dampferzeugung verwendet werden und wird mittels einer Pumpe 15 mit Motor 15' dem Abhitzekessel 16 zur Erzeugung von Dampf zugeführt. Der so erzeugte Dampf gelangt über eine Ventilanordnung 22 in die Verteilereinheit 4. Über interne Verteilerschienen wird die elektrische Leistung und der Dampf an die entsprechenden Ausgänge der Verteilereinheit 4 gegeben.

Mit 17 ist in Figur 2 ein Speicher für das geförderte Bitumen und/oder Schwerstöl bezeichnet, von dem insbesondere eine Abgangsleitung zu Aufbereitungs- und Raffinierungszwecke des geförderten Produktes weggeht. Ein kleiner Teil des geförderten Bitumens und/oder Schwerstöl wird über eine Wärmetau- schereinheit 18 geführt, die einen Ausgang zur Beheizung der Gasturbine 1 hat.

Anhand Figur 3 werden zu Figur 2 alternative bzw. ergänzende Betriebsmittel zur Realisierung eines kombinierten SAGD-Ver- fahrens und elektrischer Beheizung, insbesondere induktiver Beheizung, verdeutlicht:

in Figur 3 ist eine Dampfturbine mit 11 bezeichnet. Die Dampfturbine 11 ist eine spezifische Industrieturbine, die ausschließlich mit Dampf betreibbar ist. Der Dampfturbine 11 ist ein elektrischer Generator 2 nachgeschaltet, wobei Dampfturbine 11 und Generator 2 mechanisch gekoppelt sind. Vom Generator 2 wird wiederum die Einheit 3 zur elektrischen Leis- tungsverteilung sowie eine allgemeine Verteiler- und Sammlereinheit 4 für die Verteilung von Dampf und Strom einerseits und für das Einsammeln des Produktes andererseits angesteuert, die oben bereits als „WellPad" bezeichnet wurde. Damit ist in der englischsprachigen Fachterminologie die Zusammenfassung mehrerer Bohrlöcher zu einer technischen Einheit definiert (well = Bohrloch, päd = Block, Feld) .

Von der Verteilereinheit 4 werden die einzelnen „Wellpairs" aus jeweils einem Rohrpaar angesteuert, über das eine Verteilung der Energie in Form von Dampf einerseits und in Form von elektrischer Leistung andererseits vorgenommen wird.

Das WellPad 4 beinhaltet dazu eine nicht im Einzelnen darge- stellte Dampf-Sammelschiene, eine elektrische Schaltanlage und eine Aufnahmeeinrichtung für das geförderte Produkt. Damit sind Mittel zur Steuerung des Materialflusses bei der Förderung des Bitumens und/oder Schwerstöls einschließlich Wasser realisiert. Bezugszeichen 8 stellt eine Betriebsein- heit für die Stromversorgung dar, welche von der Schaltanlage gespeist wird.

In der Versorgungseinheit mit den Betriebsmitteln ist weiterhin eine Vorrichtung zur Separierung vom geförderten Bitumen- /Schwerstöl vom rückzuführenden Wasser vorhanden, die mit 13 bezeichnet ist. Darin ist gleichermaßen eine Einheit zur Behandlung und Wiederaufbereitung des Wassers integriert, wobei mit 14 das Speisewassersystem bezeichnet ist.

Mit 17 sind in Figur 2 und Figur 3 Speicher bzw. Lager für das geförderte Bitumen und/oder Schwerstöl bezeichnet, von dem insbesondere eine Abgangsleitung zu Aufbereitungs- und Raffinierungszwecke weggeht. Ein bestimmter Teil des geförderten Bitumens und/oder Schwerstöl wird über eine Einheit 18 geführt, und dient der Dampfzeugung im Kessel, d.h. gleichermaßen Dampf für das SAGD-Verfahren und Dampf zur Erzeugung von elektrischer Leistung in der Dampfturbine zwecks induktiver Beheizung der Lagerstätte. Die beiden Verfahrenskonzepte unterscheiden sich also speziell in der Auslegung der Industrieturbine: Eine Gasturbine ist mit unterschiedlichen Brennstoffen betreibbar, wobei mit der anfallenden Abwärme der Dampf für das SAGD-Verfahren erzeugt wird. Eine Dampfturbine kann dagegen nur mit Dampf betrieben werden, der zunächst in einem Boiler durch elektrisches Erhitzen von Wasser erzeugt wird.

In einem spezifischen Ausführungsbeispiel wird eine Anlage mit 50 Wellpairs zugrunde gelegt, um ca. 50.000 bl Bitumen pro Tag zu produzieren. Es werden drei Gasturbinen mit je 17 MW elektrische Leistung verwendet. Jedes Wellpair benötigt 1 MW elektrische Energie und 3... 4 MW Dampf. Der für den Eigenbedarf zum Betrieb der Anlage benötigte Strom und Dampf wird abgezweigt. Bei Ausfall einer Gasturbine wird der Stromverbrauch für die Bitumenproduktion gesteuert reduziert und entsprechend ebenfalls die zu verteilende Dampfmenge verteilt.

Insgesamt erfolgt bei beiden Ausführungsbeispielen die Erzeugung der zur Förderung notwendige Energie durch Verbrennung von gefördertem Bitumen oder Schwerstöl in einem autarken, in sich geschlossenen Kreislauf. Zur Verbrennung wird das Bitu- men oder ein Bitumen-Gemisch bestehend aus Bitumen/Leichtöl oder Bitumen/Lösungsmittel verwendet, wobei als Lösungsmittel Naphta verwendet wird. Sofern als Industrieturbine eine Gasturbine verwendet wird, kann eine Brennstoff-Aufbereitung vor den Brennkammern der Gasturbine dafür sorgen, dass durch Auf- heizung des Brennstoffes auf bis zu 150 ⁰ C eine hinreichende Viskosität erreicht ist die Einspritzung in die Brennkammern erfolgen kann. Es können Separatoren und Filter in der Brennstoffaufbereitung verwendet werden, die Schwermetalle, Asche und sonstige Partikel ausbringen. Es kann auch ein Destiller vorgeschaltet sein, dessen Destillat der Brennstoff-Aufbereitung der Industrieturbine zugeführt wird, wobei die schwereren Polyaromate, d.h. Asphaltene, dem produzierten Bitumen, welcher als Produkt zur Raffinerie transportiert wird, zuge- setzt wird. Anstelle eines Destillers kann ein sog. Cracker vorgesehen sein, der langkettige Kohlenwasserstoffe bis zu einem tauglichen Brennstoff degradiert.

Bei beiden im Einzelnen beschrieben Anlagenschemata ist wesentlich, jeweils einen in sich geschlossenen, autarken Kreislauf zur Bitumen-/Schwerstölförderung zu realisieren, der keine zusätzliche externe elektrische Energieversorgung benötigt. Damit ist man von vorhandenen Netzen unabhängig, so dass die gesamte Anlage mobil und an wechselnden Einsatzorten eines Ölsand- bzw. Ölschiefervorkommens mit jeweils bereits vorhandener SAGD-Förderanlage einsatzfähig ist.