Beschreibung

Verfahren und Vorrichtung zur in situ-Förderung von Bitumen oder Schwerstöl

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur „in situ"- Förderung von Bitumen oder Schwerstöl aus oberflächennahen ölsand-Lagerstätten als Reservoir, wobei dem Reservoir Wärmeenergie zur Verringerung der Viskosität des Bitumens oder des Schwerstöls zugeführt wird, wozu Elemente zum Energieeintrag in das Reservoir und Förderrohre zum Auffangen des verflüssigten Bitumens oder Schwerstöls verwendet werden. Daneben bezieht sich die Erfindung auf die zugehörige Vorrichtung, mit wenigstens einem Element zum Energieeintrag und weiterhin einem Förderrohr.

Beim in situ-Abbau Verfahren von Bitumen aus ölsanden mittels

Dampf und horizontalen Bohrlöchern entsprechend dem

SAGD (S_team Assisted Gravity .Drainage) -Verfahren besteht vor allem bei dünnen Bitumen-Schichten das Problem, dass eine wirtschaftlich nur begrenzte Menge Bitumen erschlossen werden kann. Diese liegt im günstigen Fall bei 40 bis 60 % des im Reservoir vorliegenden Bitumens, bei dünnen Schichten aber deutlich niedriger. Grund hierfür ist die begrenzte Breite der sich ausbildenden Dampfkammer, die typischerweise etwa doppelt so breit ist wie hoch. Für eine hohe Ausbeute in flachen Reservoiren (20 bis 30 m) bedeutet dies, dass alle 40 bis 60 m über dem Förderrohr ein Injektionsrohr zum Energieeintrag vorgesehen sein muss. Beide übereinanderliegende Roh- re werden in der einschlägigen Technik als sog. Wellpairs bezeichnet .

Aus der US 6 257 334 Bl ist ein spezifisches SAGD-Verfahren zur Förderung von Schwerstöl bekannt, bei dem neben einem so genannten „Well Pair" aus übereinander liegenden Rohren weiterhin weitere Elemente vorhanden sind, durch die Beheizung des Bereiches verbessert werden soll. Daneben wird in der WO 03/054351 Al eine Einrichtung zur elektrischen Beheizung

bestimmter Bereiche beschrieben, bei der zwischen zwei Elektroden ein Feld erzeugt wird, das den dazwischen liegenden Bereich erwärmt.

Beim Stand der Technik sind die Wellpairs in geringen Abständen vorgesehen, was allerdings hohe Kosten für Horizontalbohrungen und für Verrohrungen verursacht. Alternativ müsste zur Kosteneinsparung auf hohe Ausbeuten verzichtet werden.

Davon ausgehend ist es Aufgabe der Erfindung, ein verbessertes Verfahren zur Förderung von Bitumen oder Schwerstöl vorzuschlagen und eine zugehörige Vorrichtung zu schaffen.

Die Aufgabe ist bezüglich des Verfahrens erfindungsgemäß durch die Maßnahmen des Patentanspruches 1 und bezüglich der Vorrichtung durch die Merkmale des Patentanspruches 4 gelöst. Weiterbildungen des Verfahrens und der zugehörigen Vorrichtung sind in den Unteransprüchen angegeben.

Bei der Erfindung werden insbesondere folgende Verfahrensschritte durchgeführt:

- Der Energieeintrag erfolgt jeweils in einem vorgebbaren Abschnitt des Reservoirs über wenigstens zwei separate Elemente, wobei eine vorgegebene Geometrie der Elemente zum Förderrohr eingehalten wird;

- zum Energieeintrag über die separaten Elemente werden wenigstens ein weiteres Rohr zum Einbringen von Dampf und/ oder als Elektrode zur elektrischen Bestromung verwendet;

- das Injektionsrohr und das Rohr zur Bestromung werden als elektrische Leiterschleife geschaltet;

- zumindest über das weitere Rohr werden auch äußere Bereiche des Reservoirs mit Wärmeenergie versorgt.

Der Energieeintrag kann an vorgebaren Stellen des Reservoirs wiederholbar ausgeführt werden. Dazu weist die zugehörige Vorrichtung wenigstens ein Förderrohr pro definierter Einheit des Reservoirs, wobei das Förderrohr auf dem Grund des Reservoirs in horizontaler Richtung verläuft und wobei darüber in

vorgegebenem Höhenabstand und lateralem Abstand vom Förderrohr wenigstens zwei weitere Energieeintragselemente in horizontaler Richtung verlaufen

Gegenstand der Erfindung ist also das Einbringen von Wärmeenergie an genau definierten Stellen des Reservoirs, wofür getrennte Wege für den Energieeintrag verwendet werden. Dies lässt sich insbesondere durch Einbringen zusätzlicher Horizontalrohre in das Reservoir und eine zusätzliche Aufheizung des sonst kalt bleibenden Bitumens zu realisieren. Da hierzu nicht Rohrpaare sondern nur einzelne Rohre zu verwenden sind, sind vergleichbar niedrige Kosten zu erwarten.

Ausgehend von Erfahrungen mit induktivem Aufheizen von öl- sandreservoirs hat sich gezeigt, dass Bitumen sich großräumig aufheizt und nicht nur in der diskreten Umgebung der Elektroden. Daraus lässt sich ableiten, dass sich Bitumen bzw. Schwerstöl durch einzelne zusätzliche Elektroden großräumig aufschmelzen und in der Viskosität verringern lässt, was dann in ein bestehendes „SAGD-Wellpair"-System mit Dampfblase einfließen kann und gefördert wird.

Durch die erfindungsgemäße Vorgehensweise kann eine deutlich höhere Bitumenausbeute erzielt werden. Wirtschaftlichkeitsre- chungen versprechen Erfolg. Die Aufheizung durch dieses zusätzliche Horizontalrohr kann von Anfang an, kontinuierlich mit vergleichsweise geringer Leistung oder zeitversetzt mit angepasst höherer Leistung, erfolgen. Entscheidend ist, dass der konventionelle SAGD-Prozess mit der sich ausbildenden Dampfkammer nicht durch eine frühzeitige Flutung gestört wird.

Das spätere Zuschalten einer Zusatzheizung ist insbesondere auch vorteilhaft als Nachrüstlösung für bestehende SAGD- Reservoire, die nur noch einen geringen Ausbeutegrad versprechen, zu sehen.

Das Zusatzheizrohr muss nicht zwangsläufig ein elektrisch be-

triebenes sein, sondern kann gegebenenfalls auch ein Injektions-Rohr sein, , das im Dampfcycling-Modus betrieben wird, d.h. der Heißdampf wird dabei nicht ins Reservoir entlassen sondern zurückgeführt. Hierdurch entsteht ebenfalls ein Auf- heizen, das allerdings nur durch Wärmeleitung sich ins Volumen ausbreitet.

Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Figurenbeschreibung von Ausführungsbei- spielen anhand der Zeichnung in Verbindung mit den Unteransprüchen .

Es zeigen

Figur 1 eine Schnittdarstellung durch eine Lagerstätte entsprechend dem Stand der Technik,

Figur 2 eine dreidimensionale Darstellung von Elementareinheiten des Reservoirs als ölsand-Lagerstätte und Figur 3 bis Figur 6 jeweils Querschnitte durch die Lagerstät- te entsprechend Figur 1 mit unterschiedlichen Anordnungen zusätzlicher Elemente zum Wärmeeintrag.

In der Figur 1 ist mit einer dicken Linie E die Erdoberfläche angedeutet, unter der eine ölsand-Lagerstätte liegt. übli- cherweise ist unter der Erdoberfläche zunächst ein Deckgebirge aus Gestein bzw. anderem Material vorhanden, nach der in vorgegebener Tiefe ein Flöz als ölsand-Reservoir gefunden wird. Das Flöz hat eine Höhe bzw. Dicke h, eine Länge von 1 und eine Breite w (width) . Das Flöz enthält also das Bitumen bzw. Schwerstöl und wird nachfolgend kurz als Reservoir 100 bezeichnet. Beim bekannten SAGD-Verfahren sind ein Injektionsrohr 101 für Dampf und ein Förderrohr 102, das auch als Produktionsrohr bezeichnet wird, horizontal am Boden des Reservoirs 100 geführt.

Figur 1 gibt ein Verfahrensschema entsprechend dem Stand der Technik wieder. Extern, d.h. oberhalb des Erdbodens, sind Mittel zur Dampferzeugung vorhanden, auf die im vorliegenden

Zusammenhang nicht im Einzelnen eingegangen wird. Durch den Dampf wird die Umgebung des Injektionsrohrs 101 aufgeheizt und das im ölsand befindliche Bitumen bzw. Schwerstöl in seiner Viskosität verringert. Im Förderrohr 102, die parallel zum Injektionsrohr 101 verläuft, wird das öl aufgefangen und über den senkrechten Bereich durch das Deckgestein zurückgeführt. Anschließend wird in einer verfahrenstechnischen Anlage 4 eine ölabtrennung vom Rohbitumen und weitere Aufbereitung, beispielsweise Flotation od. dgl . , vorgenommen.

In Figur 2 ist eine ölsand-Lagerstätte dargestellt, die eine Längenausdehnung 1 und eine Höhe h hat. Es wird eine Breite w (width) definiert, mit der eine Elementareinheit 100 als Reservoir für ölsand definiert ist. In der Einheit sind beim Stand der Technik das Injektionsrohr 101 und das Förderrohr übereinander parallel in horizontaler Richtung geführt. Der Ausschnitt aus dem öl-Reservoir wiederholt sich nach beiden Seiten mehrfach.

In den Figuren 3 bis 6 sind jeweils Querschnitte durch die Lagerstätte entsprechend Figur 1 (Linie IV-IV) bzw. Figur 2 (Sicht von vorne) dargestellt. Gemeinsam sind die Abmessungen w x h und die Anordnung des Förderrohres 102 am Boden des Reservoirs 1. Ansonsten sind für die Injektionsrohre und/oder Elektroden jeweils Alternativen dargestellt.

In Figur 3 ist ein Horizontal-Rohr-Paar („Wellpair") dargestellt, wobei das obere von beiden Rohren, d.h. das Injektionsrohr 101, gegebenenfalls auch als Elektrode ausgebildet sein kann. Zusätzlich ist hier ein weiteres Horizontalrohr 106 vorhanden, das speziell als Elektrode ausgebildet ist.

In den benachbarten Abschnitten sind weiterhin Elektroden 106', 106'', ... vorhanden, so dass sich eine regelmäßig wie- derholende Struktur ergibt.

Bei der dargestellten Anordnung erfolgt eine induktive Bestromung durch das elektrische Verbinden an den Enden der

zusätzlichen Elektrode 106 und des Injektionsrohres 101, so dass sich eine geschlossene Schleife ergibt.

Der horizontale Abstand von der Elektrode 106 zum Förderrohr ist w/h; der vertikale Abstand der Elektrode 106, 106', ... zu dem well pair, insbesondere Injektionsrohr, beträgt 0,1 m bis etwa 0,9 h. Dabei ergeben sich in der Praxis Abstände zwischen 0,1 m und 50 m.

Aus Figur 3 ist entnehmbar, dass durch das Wellpair mit den

Rohren 101, 102 ein vorgegebener Bereich beheizt wird, dessen Wärmeverteilung zu einem definierten Zeitpunkt in etwa durch die Linie A umrandet ist. Durch die zusätzliche induktive Beheizung zwischen den Rohren 101 und 106 ergeben sich vorteil- hafterweise im Randbereich entsprechende Wärmeverteilungen in dem von der Linie B umrandeten Bereich, der in Figur 3 asymmetrisch ist.

Die Figur 4 geht von einer Anordnung wie in Figur 3 aus, wo- bei hier oberhalb des Wellpairs auf Lücke jeweils Elektroden 107, 107' zwischen zwei Wellpairs angeordnet sind.

Der Ausschnitt aus dem Reservoir, der sich nach beiden Seiten mehrfach wiederholt, entspricht Figur 2. Das Horizontalpaar mit Injektionsrohr 101 und Produktionsrohr 102 ist aus dem Querschnitt ersichtlich. Das weitere Horizontalrohr 107 ist als elektrischer Leiter ausgebildet. Jeweils zwei Leiter 107, 107' stellen die Elektroden für die induktive Bestromung durch elektrisches Verbinden an den Enden dar. Dabei können die Verbindungen außerhalb der Lagerstätte, d.h. oberhalb des Erdbodens, erfolgen.

Bei der Anordnung gemäß Figur 4 beträgt der horizontale Abstand von der Elektrode 107 zu dem Förderrohr 102 dl = w/2. Der vertikale Abstand entspricht wiederum dem der Figur 2 mit etwa typischen Werten von 0,1 m bis 50 m.

Bei Figur 4 ergibt sich eine ähnliche Wärmeverteilung wie in

Figur 3, die aber in diesem Fall symmetrisch ausgebildet ist.

In der Figur 5 ist die Anordnung gemäß Figur 2 derart angeordnet, dass pro Produktionsrohr 101 zwei Injektionsrohre 108 und 109 vorhanden sind, die gleichermaßen als Elektroden dienen. Damit kann eine induktive Bestromung zwischen zwei benachbarten Elektroden erfolgen, sofern eine Leiterschleife gebildet ist.

In der Figur 5 beträgt der horizontale Abstand der Injektionsrohre 108 bzw. 109 zum Förderrohr 102 etwa 0,1 w bis 0,8 w, was Werte von typischerweise 10 m bis 80 m bedeutet. Der vertikale Abstand der Injektionsrohre 108 und 109 zum Förderrohr 102 beträgt 0,2 h bis 0,9 h, was einen Wert von 5 m bis 60 m entspricht.

Die Wärmeverteilung ergibt sich in Figur 5 entsprechend der Umrandung A.

In Figur 6 ist schließlich eine Anordnung ähnlich wie in Figur 2 dargestellt, bei der zusätzlich zwei Injektionsrohre 111, 111', oberhalb des Wellpairs aus Injektionsrohr 101 und Förderrohr 102 auf Lücke zwischen zwei Wellpairs gesetzt sind, wobei in diesem Fall keine Bestromung erfolgt. Das In- jektionsrohr wird so betrieben, dass Dampf zur Oberfläche zurückgeführt wird. Dies entspricht im Wesentlichen dem vom Stand der Technik bekannten Cycling-Modus in der Vorheizphase .

Im Einzelnen ist wiederum der Ausschnitt aus dem öl-Reservoir 1 dargestellt, der sich nach beiden Seiten mehrfach wiederholt. Das Wellpair besteht aus dem Injektionsrohr 101 und dem Förderrohr 102 und das zusätzliche Horizontalrohr 111 bzw. 111' wird im Dampf-Cycling-Modus betrieben. Dabei wirkt das sich wiederholende Injektionsrohr 111' für den benachbarten Abschnitt der sich regelmäßig wiederholenden Abschnitte.

Bei der in Figur 6 dargestellten Anordnung ist der horizonta-

Ie Abschnitt der weiteren Injektionsrohre zum Förderrohr wiederum w/h; der vertikale Abstand der zusätzlichen Injektionsrohre 111, 111' zum ersten Injektionsrohr liegt etwa zwischen 0,1 m bis 0,9-h, was Werten zwischen 0,1 und 50 m entspricht.

In Figur 6 ergibt sich eine Wärmeverteilung mit den Umrandungen entsprechend Figur 4 mit einer symmetrischen Ausbildung aufgrund der sich wiederholenden zum Wellpair auf Lücke gesetzten Injektionsrohren.

Bei den vorstehend anhand der Figuren 3 bis 6 beschriebenen Beispielen ergeben sich durch die erfindungsgemäßen Maßnahmen verbesserte Wärmeverteilungen über den Querschnitt, wobei der Aufwand vertretbar bleibt. Insgesamt ergeben sich Effizienz- Verbesserungen, die sich in einer höheren Ausbeute der ölför- derung zeigen.