Beschreibung

Die Erfindung bezieht sich auf ein kombiniertes elektrisch-hydraulisches Entölungsverfahren zur Steigerung der Ölausbeute aus konventionellen Erdöllagerstätten, die sich aus wasser- und ölführenden Gesteinsformationen aufbauen. Dabei werden bestehende Bohrloch-Fördersonden als Elektroden und Gegenelektroden genutzt, um kontrollierten funktionsvariablen niederfrequenten Wechselstrom in die Produktionshorizonte gleichzeitig während der Pumpenförderung einzuspeisen. Aufgrund des Zusammenwirkens diverser in-situ Prozesse werden zusätzliche Öl- mengen insbesondere aus den feinporösen Gesteinsbereichen mobilisiert. Das Verfahren kann insbesondere bei zunehmender Produktionsverwässerung eingesetzt werden.

Konventionelle Erdöllagerstätten bestehen aus permeablen Speichergesteinen, die in ihrer porösen Hohlraumstruktur (Poren, Klüfte, Karst), neben Öl auch salzhaltiges Wasser enthalten. Jahrzehntelange weltweite Erfahrungen zeigen, dass aus solchen Gesteinsformationen durch die konventionellen Entölungsmaßnahmen, wie Primärförderung mittels na- türlichem Lagerstättendruck und Pumpenförderung sowie Sekundärförderung mittels zusätzlicher Wasser-Injektionssonden, nur 20 - 40% des darin insgesamt vorhandenen Ölvolumens ausgebeutet werden kann.

Um den Entölungsgrad zu steigern, werden konventionelle tertiäre Ent- ölungsmaßnahmen eingesetzt, wie z.B. thermische, chemische und mikrobiologische Verfahren sowie Gasinjektionsverfahren, die alle die Errichtung zusätzlicher Injektionssonden erfordern.

Des Weiteren sind z. B. aus der WO 2012/074510 A1 oder der US 4 084 638 A1 tertiäre elektrische Verfahren bekannt, die Gleichstrom oder Stromimpulse verwenden, um durch resistive Erhitzung die Viskosität von Schweröl zu senken und somit die Fließfähigkeit zu verbessern. Hierfür sind zusätzliche Bohrlocheinbauten in Form eigenständiger Elektroden und Kabelzuleitungen bis in die Tiefen der Produktionshorizonte erforderlich. Bei einem aus der US 4 662 438 A1 bekannten Verfahren wird Wechselstrom über ein Elektrodenpaar innerhalb einer einzelnen Bohrloch-Fördersonde eingespeist beziehungsweise sind eigenständige Bohrungen für die Elektroden bis in die Produktionshorizonte abzuteufen.

Es ist Aufgabe der Erfindung ein elektrisch-hydraulisches Verfahren und eine Vorrichtung bereitzustellen, das bzw. die geeignet ist die Erdölausbeute aus Erdöllagerstätten mit wasser- und ölführenden Gesteinsformationen zu erhöhen.

Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des unabhängigen Anspruchs gelöst. Die Unteransprüche geben vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung an.

Bei einem elektrisch-hydraulischen Verfahren zur Steigerung der Ölaus- beute aus Erdöllagerstätten mit wasser- und ölführenden Gesteinsformationen

a) wird mindestens ein einer im Pumpenbetrieb befindlichen konventionellen Bohrloch-Fördersonde zugeordneter Stahlrohrausbau als Elektrode und elektrische Zuleitung und mindestens eine Metallstruktur im Untergrund als Gegenelektrode genutzt, b) stellen produzierende Zuflusszonen der Bohrloch- Fördersonde eine elektrische Ankopplung zu mindestens einer wasser- und ölführenden Gesteinsformation her,

c) durchströmt ein einen Wasser-Volumenanteil und einen Öl- Volumenanteil umfassender Wasser/Öl-Förderstrom eine Förderrohrleitung, die elektrisch isoliert zum Stahlrohrausbau ausgeführt ist,

d) weist eine aus dem unteren Teil des Stahlrohrausbaus der Bohrloch-Fördersonde gebildete Elektrode eine elektrische Kontaktfläche zu einem elektrolytisch leitfähigen Wasser/Öl- Flüssigkeitsgemisch im Bohrloch und über die Zuflusszone eine elektrische Kontaktfläche zur Gesteinsformation auf,

e) wird eine elektrische Verbindungsleitung zwischen der Erdoberfläche und der Elektrode aus dem oberen Teil des Stahlrohrausbaus der Bohrloch-Fördersonde gebildet, wobei eine elektrische Isolierung der Verbindungsleitung nach innen durch einen zwischen der die Bohrloch-Fördersonde und dem Stahlrohraus- bau vorliegenden luftgefüllten Ringraum und nach außen zum Gebirge mittels einer bestehenden hochohmigen Zementfüllung im Ringraum zwischen Stahlrohrausbau und Bohrlochwandung ausgebildet ist,

f) ist mindestens ein elektrischer Kontaktanschluss an einem Stahlrohr-Bohrkopf der Bohrloch-Fördersonde und mindestens ein elektrischer Kontaktanschluss an der Gegenelektrode vorgesehen,

g) wird eine Wechselstromquelle mit einem zugeordneten Stromrichter an der Erdoberfläche installiert und eine Elektroka- belverbindung liegt zwischen dem Stromrichter und den elektrischen Kontaktanschlüssen vor, und

h) bewerkstelligt eine Förderpumpe in der Förderleitung der Bohrloch-Fördersonde, die eine elektrischer Isolierung zur Förderrohrleitung aufweist und aufgrund des zerhackten volumenportionierten Pumpenbetriebs eine elektrische Isolierung des hydraulischen Förderstroms in der Pumpe.

i) Durch den Pumpenbetrieb in der Bohrloch-Fördersonde wird eine druckgetriebene hydraulische Wasser/Öl- Volumenströmung in der Gesteinsformation kontinuierlich erzeugt, j) während einer Stimulationsphase wird ein elektrisches Wechselfeld dem hydraulischen Strömungsfeld überlagert, k) das elektrische Wechselfeld wird durch den Stromrichter kontrolliert erzeugt, wobei kontinuierliche Durchläufe von funktionsvariablem Wechselstrom in einem niederfrequenten Spektrum, insbesondere in einem Frequenzspektrum > 0Hz bis 500Hz, über die Elektrode und die Gegenelektrode eingespeist wird und hierdurch oszillierende elektrische Ströme der Kationen- und Anio- nen-Ladungsträger in der wasser- und ölführenden Gesteinsformation verursacht werden,

I) in den feinporösen überwiegend ölgesättigten Bereichen der Gesteinsformation wird durch die oszillierende Bewegung der Kationen- und Anionen-Ladungsträger eine Erhöhung der Oberflächen-Ladungsdichte verursacht, die wiederum eine Senkung der Grenzflächenviskosität und Oberflächenspannung sowie eine Erhöhung der elektrischen Abstoßung zwischen Öltröpfchen und Gesteinsmatrix bewirkt, wodurch die Permeabilität und das Fließverhalten verbessert werden,

m) in den hochpermeablen überwiegend wasserführenden Fließwegzonen der Gesteinsformation wird durch die oszillierende Bewegung der Kationen- und Anionen-Ladungsträger ein Mischungsvorgang mit Kontaktflächen- und Stoffaustausch- Vergrößerung zwischen Wasser und Öl erzeugt, der hochviskose Wasser-/ÖI-Emulsionen bildet, die eine Blockierung der hochpermeablen Zonen verursachen,

n) durch die Blockierung der hochpermeablen Fließwegzonen im Zusammenwirken von druckgetriebener Volumenströmung und elektrischer Stimulation werden zusätzliche bislang nicht förderbare Ölmengen mobilisiert und gleichzeitig neue Fließwege für den Weitertransport geschaffen.

Die erzielten Vorteile bestehen insbesondere darin, dass im Vergleich zu den konventionellen tertiären Entolungsverfahren keine aufwendigen und teuren Injektionsbohrungen und zusätzliche Infrastrukturanlagen erforderlich sind und keine umweltschädlichen Einwirkungen verursacht werden sowie keine Tiefenlimitierung besteht. Im Vergleich zu anderen elektrischen Tertiärverfahren sind, neben dem verbesserten Entölungs- grad auch keine zusätzlichen Tiefbohrungen und keine zusätzlichen Bohrlocheinbauten in Fördersonden notwendig. Entsprechend können mit dem neuen Verfahren Produktionsausfälle, die im Zeitraum für Einbau, Durchführung und Ausbau entstehen, verhindert werden. Weitere Vorteile sind die flexible Anwendung bei vertikalen, geneigten und horizontalen Bohrungen unterschiedlicher Ein- und Ausbauten sowie die schnelle und kostengünstige Installation und Ausführung. Insgesamt ergibt sich ein erheblicher wirtschaftlicher Nutzen, der zum einen in der Steigerung der Ölausbeute und Einsparung von Wasserhaltungskosten gegenüber einer ausschließlichen Pumpenförderung besteht (primäre und sekundäre Förderung) und zum anderen in den wesentlich geringeren Kosten pro Volumeneinheit für das zusätzlich produzierte Öl im Vergleich zu den anderen Tertiärverfahren.

Bei dem elektrisch-hydraulischen Entölungsverfahren erfolgt im Vergleich zu einer konventionellen Pumpenförderung eine Erhöhung des Erdölfördervolumens aufgrund der Einspeisung von niederfrequentem Wechselstrom in wasser- und ölführende Gesteinsformationen von Erdöllagerstätten. Dabei werden bestehende Einbauten von Bohrloch- Fördersonden als Elektroden und Gegenelektroden sowie als elektrische Leitung genutzt und die elektrische Stimulation während der Pumpenförderung ausgeführt. Die elektrische Anregung bewirkt gleichzeitig in-situ Mischungs- und Mobilisierungsprozesse sowie Generierung neuer Fließwege, wodurch zusätzliche Ölmengen insbesondere aus den feinporösen Gesteinsbereichen ausgefördert werden können. Die Erfindung wird im Folgenden anhand eines Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme auf die zugehörige Zeichnung näher erläutert.

Es zeigt:

Fig. 1 eine schematische Darstellung eines Profilschnittes der Komponenten der Vorrichtung nach der Erfindung sowie die Wirkungsweise des Verfahrens und

Fig. 2 eine Darstellung eines Ölanteil-Zeit-Diagramms mit Ergebnisdarstellung der Verfahrensanwendung.

Gemäß Fig. 1 wird bei einer produzierenden Bohrloch-Fördersonde 1 der bestehende Stahlrohrausbau als elektrische Verbindungsleitung 1 1 und Elektrode 10 sowie eine entfernte Metallstruktur 2 als Gegenelektrode genutzt, um niederfrequenten elektrischen Wechselstrom über salziges elektrolytisch leitfähiges Wasser/Öl-Flüssigkeitsgemisch 9b im Bohrloch und den Zuflusszonen 3 in die wasser- und ölführende Gesteinsformation 4 einer Erdöllagerstätte einzuspeisen, wodurch dort eine oszillierende Bewegung der im salzigen Wasser enthaltenen Kationen- und Anionen-Ladungsträger 20 bewirkt wird. Dabei wird der funktions- und frequenzvariable Wechselstrom ausgehend von einer Dreiphasen- Stromversorgung 16 durch einen an der Erdoberfläche 12 aufgestellten Stromrichter 15 erzeugt, der über Elektrokabelverbindungen 17 mit elektrischen Kontaktanschlüssen 14 am Bohrkopf der Bohrloch- Fördersonde 1 und dem Kopf der Metallspieß-Gegenelektrode verbunden ist. Für die Funktionstauglichkeit des Verfahrens ist eine elektrische Isolierung der folgenden drei Bestandteile erforderlich: der Stahlrohr- Verbindungsleitung 1 1 , einer Förderrohrleitung 5 und eines Förderstroms 9a. Dies wird durch die folgenden bestehenden Komponenten erreicht: eine hochohmige Ringraum-Zementfüllung 13 zwischen der Stahlrohr-Verbindungsleitung 1 1 und der Bohrlochwandung zum Gebirge, ein luftgefüllter Ringraum 8 zwischen der Förderrohrleitung 5 und der Stahlrohr Verbindungsleitung 1 1 , ein Kunststoff- oder Gummi- Ringpacker 6, eine Außenrohr-Isolation 7 zwischen der Förderohrleitung 5 und dem Stahlrohr-Bohrkopf und einer isolierten Förderpumpe 18. Letztere wirkt zum einen aufgrund einzelner Kunststoff-Bauteile als isolierende Unterbrechung der elektronischen Leitfähigkeit der metallischen Förderrohrleitung 5 und zum anderen aufgrund des Pumpenbetriebs selbst, wobei die elektrolytische Leitfähigkeit des Flüssigkeits- Förderstroms 9a unterbrochen wird durch die Zerhackung in luftgetrennte Volumenportionen, so dass der hydraulische Förderstrom 9a oberhalb der Förderpumpe 18 keinen elektrischen Strom mehr führen kann. Aufgrund des gleichzeitigen Betriebs der Förderpumpe 18 und des Stromrichters 15 überlagert sich in der produzierenden Gesteinsformation 4 ein hydraulisches Strömungsfeld mit einem elektrischen Wechselfeld, entsprechend einer Wasser/Öl-Volumenströmung 19 mit einem oszillierenden Strom umfassend Kationen- und Anionen-Ladungsträger 20. In den hochpermeablen überwiegend wasserführenden Fließwegzonen der Gesteinsformation führt dies zu einer Durchmischung von Wasser und Öl und damit zur Ausbildung von hochviskosen Wasser-/ÖI-Emulsionen, die eine Blockierung der hochpermeablen Zonen verursachen. In den feinporösen überwiegend ölgesättigten Bereichen der Gesteinsformation erfolgt durch die elektrische Stimulation gleichzeitig eine Mobilisierung von Öltröpfchen. Insgesamt werden durch das Zusammenwirken beider Effekte bislang nicht förderbare Ölmengen mobilisiert und gleichzeitig neue Fließwege für den Weitertransport geschaffen.

In Fig. 2 wird der zeitliche Verlauf des gemessenen Öl-Volumenanteils des Wasser/Öl-Förderstroms 9a dargestellt, der bei Pumpenbetrieb aus einer Bohrloch-Fördersonde 1 gefördert wird und zwar vor, während und nach einer Stimulationsphase 21 , währenddessen die verfahrensgemäße elektrische Anregung angewendet wurde. Bis zum Beginn der Stimulationsphase weist die Ölanteil-Datenkurve 22 einen absteigenden Trend auf wie es typisch ist aufgrund der zunehmenden Verwässerung bei primären und sekundären Entolungsmaßnahmen. Der Trend lässt sich statistisch über eine gestrichelte Regressionsgerade 24 darstellen, die an der Nullprozentlinie das theoretisch zeitliche Ende der Ölförde- rung bei ausschließlichem Pumpeneinsatz angibt, woraus sich das maximale Öl-Entleerungsvolumen (Erdölausbeute) aus den mittel- und hochpermeablen Bereichen der Gesteinsformation 4 berechnen lässt. Durch die elektrische Stimulation wird während und nach der Stimulationsphase 21 der Ölanteil des Wasser/Öl- Gesamtförderstrom gegenüber der Regressionsgeraden 24 beziehungsweise gegenüber der Nullprozentlinie erhöht. Aus dem entsprechenden Differenzen-Ölanteil 23 erhält man nach Multiplikation mit der konstanten Wasser/Öl- Gesamtförderrate das zusätzliche Ölfördervolumen pro Zeiteinheit, das im Wesentlichen aus den feinporösen und geringpermeablen Bereichen der Gesteinsformation stammt. Bezugszeichen

. Bohrloch-Fördersonde

. Metallstruktur

. Zuflusszone

. Gesteinsformation

. Förderrohrleitung

. Ringpacker

. Außenrohr-Isolation

. Ringraum

a Förderstrom

b Flüssigkeitsgemisch

0. Elektrode

1. Verbindungsleitung

2. Erdoberfläche

3. Zementfüllung

4. Kontaktanschluss

5. Stromrichter

6. Dreiphasen-Stromversorgung

7. Elektrokabelverbindung

8. Förderpumpe

9. Wasser/Öl-Volumenströmung

0. Ladungsträger

1. Stimulationsphase

2. Ölanteil-Datenkurve

3. Differenzen-Ölanteil

4. Regressionsgerade