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Die vorliegende Erfindung bezieht
sich auf ein Verfahren für
die Stimulation von Ölbohrlöchern durch
das Verwenden von Schallwellen, die von dem Ölbohrloch mittels einer hydraulisch
betriebenen Schallquelle oder eines hydraulisch betriebenen Hammers
emittiert werden.
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Bis heute ist es wegen der speziellen
Haftkräfte,
die das Öl
in der Formation zurückhalten,
nur möglich,
Teile des in den unterirdischen Ölreservoiren
gefunden Öls
zu gewinnen. Diese sind eine Kombination von Kapillarkräften, Adhäsionskräften, Kohäsionskräften und
hydraulischen Kräften.
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Der größte Anteil des Öls verbleibt
im Reservoir, bis eine neue Technologie die Restölgewinnungseffizienz durch
das Beeinflussen der Haftkräfte,
die das Öl
in der Formation einschließen,
verbessern kann.
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Da die Reserven in einem Ölreservoir
gewaltige ökonomische
Ressourcen darstellen, ist es von größtem Interesse, Verfahren und
eine Anlage zu entwickeln, um in der Lage zu sein, die Effizienz
der Restölgewinnung
zu verbessern.
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Es ist eine Aufgabe der vorliegenden
Erfindung, ein Werkzeug zu zeigen, das die Restölgewinnungseffizienz verbessert
und den Beginn der Ölförderung
aus Ölbohrlöchern ermöglicht,
bei denen die Förderung
schon zum Stillstand gekommen ist oder rapide abfällt. Dies
wird mit Hilfe von Schallwellen erreicht, bei denen ermittelt wurde,
dass die beste Wirkung erzielt wird, wenn die Schallwellen von dem Ölförder-Bohrloch
erzeugt und an die Formation gesendet werden.
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Gemäß der Erfindung wird ein Verfahren
für die
Schallstimulation von Ölbohrlöchern vorgeschlagen,
dadurch gekennzeichnet, dass ein vertikal schwingender Vibrator
(Hammer) in dem Bohrloch angeordnet wird, der dadurch durch das
aus dem Ölbohrloch
geförderte Öl betrieben
wird, dass ein Teil des Öls
von einer Hydraulikleistungseinheit an der Oberfläche in den
Vibrator gepumpt wird, wobei das Auslassöl aus dem Vibrator in das Ölbohrloch
durchgelassen und mit dem aus der Ölformation geförderten Öl zurückbefördert wird.
Der Vibrator erzeugt dadurch elastische Schallwellen, dass ein Tauchkolben darin
gegen ein Erweiterungsstück
schlägt
und die Schallwellen als elastische Schallwellen mit einer Folgefrequenz
von wenigen hundert bis zu mehreren hundert Schallwellen pro Minute
in das Reservoir schickt, wobei die Frequenz in der Wellenfolge
z. B. aus der Resonanzeigenfrequenz des Stoßes von dem Tauchkolben, die
im Bereich von 100 Hz bis zu gerade einigen wenigen Hz ermittelt
wurde, gebildet wird. Eine intensive Forschung wird weltweit im
Gebiet der so genannten sekundären
Restölgewinnung ausgeführt, um
Verfahren zum Erhöhen
der Ölausbeute
zu ermitteln. Diese beinhalten Verfahren, die sich von der Chemikalieneinspritzung,
der elektrischen Stimulation, zur elektromagnetischen Stimulation
und außerdem
bis zu verschiedenen Verfahren der akustischen Stimulation erstrecken.
Das Interesse ist insbesondere auf die Bedingungen gerichtet, welche
die Oberflächenspannung
zwischen dem Öl und
dem Wasser umgeben, wobei Versuche gemacht wurden, die hier betroffenen
Probleme durch das Injizieren von Tensiden und grenzflächenaktiven Stoffen
zu lösen.
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Die vorliegende Erfindung ist außerdem zur Verwendung
in Verbindung mit solchen Verfahren und im Zusammenhang mit der
elektrischen und der elektromagnetischen Stimulation geeignet, die
z. B. in dem norwegischen Patent 161 697 und in dem US-Patent 5.282.508
beschrieben sind.
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Das Folgende ist ein Bericht darüber, wie
die Schallwellen die Ölförderung
beeinflussen und was durch Laborversuche bezüglich der Stimulation von dreidimensionalen Ölreservoiren
erfunden wurde.
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Die Bewegungsmechanismen in einem
Reservoir können
wie folgt sein:
- 1. Fluid- und Grundmasseerweiterung.
- 2. Wasserverdrängung
- 3. Gasverdrängung
- 4. Lösungsgasverdrängung
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Die vorliegende Erfindung kann in
Verbindung mit all diesen Mechanismen verwendet werden.
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In Verbindung mit dem in dem Öl aufgelösten Gas
dehnt sich das Gas, während
der Druck fällt
oder während
das Reservoir erwärmt
wird und der Druck unter dem kritischen Punkt liegt, in Form von
kleinen Blasen in dem Öl
aus.
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Die Gasblasen verdrängen das Öl, wobei
sie bewirken, dass das Öl
in dem Reservoir in der Richtung des Druckabfalls fließt.
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Die Öltröpfchen sind oft von Wasser
umgeben, und es existieren sehr wenige Partikel, an denen die Blasen
wachsen können.
In diesem Fall gibt es eine Erhöhung
des Blasenbildungspunkts in Übereinstimmung
mit der Erhöhung
des Siedepunkts, wobei der Druck, bei dem die Blasen gebildet werden,
wesentlich niedriger ist, als sich aus der vorhandenen Temperatur
scheinbar schließen
lässt.
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Deshalb muss der Druck verringert
werden, so dass die Blasen beginnen können, an den Mikrobläschen, die
in allen Flüssigkeiten
gefunden werden, zu wachsen. Es wurde gezeigt, dass akustische Schwingungen
die Erhöhung
des Blasenbildungspunkts beeinflussen, so dass das Sieden leichter
beginnen kann. Außerdem
hindert die Grenzflächenspannung
zwischen dem Öl
und dem Gas das Öl
daran, in dem Reservoir zu fließen.
Diese Grenzflächenspannungen
sind relativ niedrig und verringern sich, während sich der Druck erhöht. Sogar
mit schwachen Schwingungen wird deshalb eine große Wirkung erzielt.
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Laborversuche haben gezeigt, dass
es in einer Gesteinsgrundmasse, in welcher der Ölfluss aufgehört hat,
möglich
ist, das Fließen
mit einer so schwachen Schwingung wie 0,04 g neu beginnen zu lassen.
Damit wurde eine Restölgewinnung
von 80% des Restöls
erreicht.
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Die Erklärung dafür ist, dass, wenn der Ölfluss aufgehört hat,
ein Gleichgewichtszustand erreicht ist, der mittels schwacher akustischer
Stimulation geändert
werden kann.
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Da sich die Schallschwingungen in
einer radialen Richtung von dem Bohrloch ausbreiten und da das Öl in Richtung
des Bohrlochs fließt,
wird mit dem Verbrauch eines minimalen Energiebetrags eine optimale
Wirkung erreicht.
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Weiterhin wurde festgestellt, dass
das Öl
und andere Fluide leichter durch ein poröses Medium fließen, wenn
das Medium durch Schwingungen beeinflusst wird.
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Dies erklärt, warum sich sogar ein als
eine newtonsche Flüssigkeit
betrachtetes Fluid so verhält, als
ob es ein thixotropes Fluid in kleinen Tröpfchen wäre. In dem Grenzbereich zwischen
dem fließenden Fluid
und den umliegenden Poren werden die Moleküle als Folge höherer oder
niedrigerer Polarität "ausgerichtet".
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Wenn das Fluid zum Vibrieren gebracht
wird, werden so genannte Kapillarwellen in dem Fluid erzielt, so
dass die Moleküle
keine Zeit haben, heteropolare Verknüpfungen zu bilden. Das thixotrope
Gel wird dünner,
wobei das Öl
ungehinderter fließt.
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Die Schallenergie, die in dem Reservoir
absorbiert wird, wird in Wärme
umgewandelt und erhöht dadurch
als Folge der teilweisen Verdampfung den Gasdruck. Dies verursacht
ebenfalls eine verbesserte Restölgewinnung.
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Es ist ein großer Vorteil, dass die Wärme in dem
Reservoir selbst erzeugt wird und dass sie folglich nicht mittels
Wärmeleitung,
Dampfzufuhr und dergleichen in die Formation übertragen werden muss.
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Wenn Wasser in die Förderbohrlöcher eingedrungen
ist, ist es oft der Fall, dass aufgrund der Wirkung von Kapillarkräften große Ölmengen
in dem Reservoir eingeschlossen sind. Eine intensive Forschung wurde
durchgeführt,
um Tenside zu entwickeln, die diese Kapillarkräfte verringern können. Es wird
angenommen, dass ein mit der Verwendung von Tensiden gekoppeltes
akustisches Verfahren vorteilhaft ist, da das Verfahren sehr gut
dafür geeignet
ist, die Grenzflächenspannungen
zwischen dem Öl
und dem Gas zu senken.
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Es war mittels akustischer Stimulation
möglich, Öl aus von
Wasser eingeschlossenem Öl
zu gewinnen, wobei es jedoch notwendig war, leistungsfähige Schwingungen
(5–10
g) zu verwenden, wobei die Schwingungsrichtung die Gleiche wie die
Fließrichtung
war.
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In dem oben genannten US-Patent 5.282.508
sind eine Anzahl verschiedener Ausführungsformen von Vibratoren
für das
Stimulieren eines Ölreservoirs
in Verbindung mit der elektrischen Stimulation beschrieben. Diese
Vibratoren werden elektrisch betrieben, wobei jedoch ermittelt wurde,
dass der Betrieb von Vibratoren, die Elektroenergie verwenden, in
einer Umgebung eines Ölbohrlochs
größere praktische
Probleme hinsichtlich der Isolierung aufwirft, da die verwendeten
Spannungen etwa 1500 Volt betragen. Somit gibt es einen Bedarf,
einen Vibrator zu entwickeln, der mittels einer anderen Energiequelle
als der Elektrizität
betrieben werden kann. Das Natürlichste
war, an die Verwendung von Hydraulik oder Gas zu denken, das Problem,
das sich bei der Verwendung eines herkömmlichen Vibr4ators, wie er
z. B. beim Verpfählen
oder bei Hydraulikhämmern
an Baggern verwendet wird, ergibt, ist jedoch, dass zwei Ölversorgungsleitungen
verwendet werden müssen.
Im Fall von kurzen Abständen
ist es möglich,
zwei Leitungen zu verwenden, wenn jedoch ein Ölbohrloch von mehreren tausend Metern
betroffen ist, ist dies wegen des Druckverlusts in der Leitung unmöglich.
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Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung
ist es, eine Ausführungsform
zeigen, bei der es nur notwendig ist, eine Zuführungsleitung für das Öl zu verwenden,
und bei der das Rücklauföl in der
eigentlichen Förderverrohrung
in dem Ölbohrloch
heraufgebracht wird. Um dies zu erreichen, müssen die folgenden Bedingungen
erfüllt
werden. Es muss eine Leistungseinheit an der Oberfläche vorhanden
sein, die dem Vibrator ununterbrochen Drucköl zuführt. Da dies wegen des Abstands
zum Vibrator nicht mit einem Ventil von der Oberfläche gesteuert
werden kann, muss es darin einen Akkumulator geben, der das Drucköl ansammelt,
bei dem der Druck jedoch außerdem
den Vibrator auslöst.
Dies wird mittels eines speziellen Ventils erreicht, das aufgeht,
wenn der Druck in dem Akkumulator einen bestimmten Pegel erreicht.
Das Ventil ist in der Weise konstruiert, dass es am Ende des Hubs
alterniert, d. h., wenn der Tauchkolben infolge einer im hydraulischen
System wegen des plötzlichen
Halts des Tauchkolbens gebildeten Druckspitze gegen ein Expansionsrohr schlägt. Die
fest eingestellte Öffnung
des Ventils bestimmt die Geschwindigkeit des Tauchkolbens, während die
Zuführungsmenge
des Drucköls
die Folgefrequenz bestimmt.
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Die Funktion des Vibrators kann wie
folgt beschrieben werden:
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Wenn der Einspeisedruck der Pumpe
und die Einstellung des Ventils auf p (Bar) eingestellt sind, ist
die Kraft des Kolbens durch F = pA bestimmt, wobei A die aktive
Kolbenoberfläche
ist, die gleich A = n(D2 – d2)/4 ist. Der Kolben und der Tauchkolben
haben eine Beschleunigung von a = F/G, wobei G die Masse des Kolbens
und des Tauchkolbens in Kilogramm ist. Die Geschwindigkeit des Tauchkolbens bei
dem Stoß wird
durch v = (2gs)0,5 berechnet, wobei s die
Strecke des Kolbenhubs in Metern ist. Die Zeit des Hubs wird durch
t = v/a erhalten. Am Punkt des Aufschlags haben der Kolben und der
Tauchkolben eine kinetische Energie E = Gv2/2
(Nm) angesammelt. Die Leistung in dem Stoß wird durch den Impulssatz
P = E/Δt
ausgedrückt,
wobei Δt
die Bremszeit des Kolbens ist. Tests haben gezeigt, dass es mit gemäßigten Dimensionen
möglich
ist, etwa 3000 Nm anzusammeln, wobei es bei einer Bremszeit von etwa
10 Minuten möglich
ist, im Augenblick des Stoßes
eine Leistung von 300.000 W zu erzielen.
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Der Vibrator kann, neben der Verwendung als
Vibrator für
das Stimulieren eines Ölbohrlochs, mit
der Absicht, mehr Öl
aus dem Reservoir zu gewinnen, als eine ununterbrochen arbeitende
seismische Schallquelle für
die Kartierung des Reservoirs und um auszuwerten, wie sich die Fluide
darin verändern,
während
das Öl
in dem Reservoir fließt,
genutzt werden. Dies ist, mit der Absicht die Gesamtrestölgewinnung
aus dem Reservoir zu optimieren, – besonders bei Offshore-Ölbohrlöchern – für die Planung der
Förderung
aus jedem einzelnen Bohrloch von großer Wichtigkeit.
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Die Erfindung wird ausführlicher
anhand der Zeichnung beschrieben, in der
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1 den
Vibrator gemäß der Erfindung zeigt,
wobei
1(a) ein Umriss
des Vibrators ist; und
1(b) ein
Schnitt durch ihn ist;
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2 das
Ergebnis einer Prüfung
darstellt, das den von der Mitte des Bohrlochs gemessenen Beschleunigungsfortschritt
zeigt.
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Der eigentliche Vibrator und all
seine Komponenten sind an dem Ende der Verrohrung a), in der eine
herkömmliche
Wellenanhebpumpe angebracht ist, die Öl aus dem Bohrloch an die Oberfläche befördert, aufgehängt. In
dem Gehäuse
b) ist ein Hohlraum c) geschaffen, der als Akkumulator für das Öl, das aus
dem Zuleitungsrohr d) dort zugeführt
wird, wirkt. Der Akkumulator ist mit einem Gas vorgefüllt, das
vorzugsweise Stickstoff ist und das, wenn es durch das Öl verdichtet
wird, als eine Feder wirkt.
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Das Öl fließt aus dem Akkumulator nach
unten zu einem speziellen Ventil e), das in der Weise angeordnet
ist, dass es Öl
aus dem Akkumulator zulässt,
wenn der Druck in dem Akkumulator den maximalen Belastungsdruck
erreicht. Das Öl
wird danach an die Oberseite des Kolbens f) geleitet und presst diesen
zusammen mit dem Tauchkolben g) nach unten. Wenn der Tauchkolben
gegen das Erweiterungsrohr h) schlägt, schlägt dies wiederum gegen das Futterrohr
im Ölbohrloch
und schickt die Schallwellen nach außen. Der Stoß führt zu einer
Druckspitze in dem hydraulischen System, die bewirkt, dass das Ventil
alterniert und Öl
an die Unterseite des Kolbens f) leitet, was diesen und den Tauchkolben
wieder anhebt. Während
des Hubs fällt
der Druck in dem Akkumulator etwas, wenn sich dieser jedoch erneut
aufbaut, wird ein neuer Hub durchgeführt. Die Hubfrequenz wird folglich
durch die zugeführte Ölmenge gesteuert,
und diese wiederum wird von der Förderpumpe reguliert.
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Das Rücklauföl oder genauer das Auslassöl von den
Hüben tritt,
wie gezeigt ist, an der Seite des Ventils in das Bohrloch aus.
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An dem Akkumulator hat das Gehäuse b) einen
verengten Teil i), der beim Anbringen der ersten Förderungsverrohrung
als ein Griff für
ein Werkzeug an der Oberfläche
wirkt.
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An der Oberseite der Kolbenstange
j) gibt es eine Öffnung
l) an der Spitze der Bohrung k) in dem Gehäuse, die dem Öl aus der
Formation ermöglicht, mit
den Hüben
ein- und auszu"atmen".