DE1205474B

DE1205474B - Process for separating a petroleum-water mixture

Info

Publication number: DE1205474B
Application number: DEP33515A
Authority: DE
Inventors: Zein Nyhuis
Original assignee: BOHRVERWALTUNG; PREUSSISCHE BERGWERKS und HUET
Current assignee: BOHRVERWALTUNG; PREUSSISCHE BERGWERKS und HUET
Priority date: 1964-02-01
Filing date: 1964-02-01
Publication date: 1965-11-25

Description

Verfahren zum Trennen eines Erdöl-Wasser-Gemisches Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Trennen eines z. B. aus einer Erdölbohrung geförderten Erdöl-Wasser-Gemisches, bei welchem das Gemisch in einen künstlich erstellten, als Trennstrecke wirkenden unterirdischen Hohlraum gegeben wird.Method for Separating a Petroleum-Water Mixture The invention relates to a method for separating a z. B. oil-water mixture extracted from an oil well, in which the mixture in an artificially created, acting as a separating distance underground cavity is given.

Eine Erdölproduktionsbohrung wird unrentabel, wenn der durch das Erdöl erzielte Erlös durch die zur Förderung notwendigen Kosten aufgezehrt wird. Dieser Zustand tritt bei Förderbohrungen, in denen neben Öl noch Wasser mitgefördert werden muß, früher ein als bei unverwässerten Bohrungen, weil die Trennung von Öl und Wasser zusätzliche Kosten verursacht. Es kommt deshalb darauf an, die Kosten für die Trennung des Öls vom Wasser und für den Abtransport des Wassers möglichst niedrig zu halten.An oil production well becomes unprofitable if the oil is used The proceeds obtained are consumed by the costs necessary for the promotion. This The condition occurs in production wells in which, in addition to oil, water is also pumped must, earlier than with undiluted drilling, because the separation of oil and water causes additional costs. It therefore depends on the cost of the separation to keep the oil from the water and for the removal of the water as low as possible.

Zur Lösung dieses Problems ist bereits ein Verfahren der eingangs genannten Gattung bekanntgeworden, gemäß welchem das Wasser-Erdöl-Gemisch in eine in einem Salzhorizont durch Auswaschen hergestellte Caverne verbracht wird. An diesem Verfahren ist zunächst einmal nachteilig, daß das Verfahren nur angewendet werden kann, wenn überhaupt ein auslaugbarer Salzhorizont vorhanden ist. Darüber hinaus muß in diesen Salzhorizont eigens eine Tiefbohrung gebracht werden, damit zunächst einmal das Auslaugen vorgenommen werden kann, welches seinerseits auch recht kostspielig ist, insbesondere im Hinblick darauf, dag sehr viel Wasser gebraucht wird. Bei der Durchführung des Verfahrens wird die Caverne dauernd mit ungesättigtem Salzwasser beschickt und dadurch weiter ausgesolt, so daß die Gefahr des Zubruchgehens und von Bergschäden entsteht. Dieses Verfahren ist also bereits aus der Sicht der erforderlichen Sicherheit bedenklich, ganz abgesehen davon, daß es aus den obenerwähnten Gründen zu teuer ist und zusätzlich noch an das Vorhandensein eines aushöhlbaren Salzhorizontes gebunden ist.To solve this problem there is already a method of that at the beginning named genus became known, according to which the water-petroleum mixture in a Caverne produced by washing out in a salt horizon is spent. At this The first disadvantage of the method is that the method can only be used can, if there is a leachable salt horizon at all. Furthermore a deep borehole must be drilled into this salt horizon, so that first once the leaching can be done, which in turn is also quite costly especially in view of the fact that a lot of water is used. In the Carrying out the procedure, the cavern is constantly filled with unsaturated salt water charged and thereby further drawn out, so that the risk of breaking and from mountain damage. So this procedure is already required from the point of view of the Security questionable, quite apart from the fact that it is for the reasons mentioned above is too expensive and in addition to the existence of a hollow salt horizon is bound.

Es ist auch ein Verfahren zum Trennen von Wasser und öl bei Produktionsbohrungen bekanntgeworden. Bei einem solchen Verfahren werden für jede Bohrung drei Leitungen benötigt, und die ganze -Ausrüstung für die Trennung in Produktionsbohrungen ist darüber hinaus sehr kostspielig. Eine erhebliche Beschränkung dieses bekannten Verfahrens besteht darin, daß bei zu hoher Förderung ein öldurchschlag in die Steigleitung des Wassers erfolgt. Ferner ist sehr nachteilig, daß die Produktion nur über die Wasserentnahme geregelt werden kann. Wegen dieser Einschränkungen ist das eben beschriebene Verfahren praktisch nur im geringen Umfang durchgeführt worden. Die Erfindung betrifft somit ein Verfahren zur Trennung von öl-Wasser-Mischungen der eingangs erwähnten Art und besteht zur Vermeidung der den bekannten Verfahren anhaftenden Nachteile im wesentlichen darin, daß als Trennstrecke eine leer geförderte Tiefbohrung verwendet wird. Nach einem vorteilhaften Merkmal der Erfindung wird das Öl-Wasser-Gemisch durch einen inneren Rohrstrang in die Tiefbohrung verbracht und das in dem das Innenrohr umgebenden Ringraum aufsteigende, im wesentlichen wasserfreie Öl am Kopf der Bohrung abgenommen. Besonders vorteilhaft ist die Anwendung der Erfindung dann, wenn als Trennstrecke ein Schluckbrunnen zur Verfügung steht, da dann das Wasser offensichtlich nicht mehr aus der Bohrung ausgefördert werden muß.A method for separating water and oil in production wells has also become known. In such a process three lines are required for each well and all the equipment for separation in production wells is also very expensive. A significant limitation of this known method is that if the delivery is too high, oil penetrates into the riser of the water. It is also very disadvantageous that the production can only be regulated via the withdrawal of water. Because of these limitations, the method just described has only been carried out to a limited extent in practice. The invention thus relates to a method for separating oil-water mixtures of the type mentioned at the outset and, in order to avoid the disadvantages inherent in the known methods, consists essentially in the fact that an empty deep borehole is used as the separating section. According to an advantageous feature of the invention, the oil-water mixture is brought into the deep borehole through an inner pipe string and the essentially water-free oil rising in the annular space surrounding the inner pipe is removed at the head of the borehole. The application of the invention is particularly advantageous when a suction well is available as a separating section, since then the water obviously no longer has to be pumped out of the bore.

Im folgenden wird die Erfindung an Hand zweier Ausführungsbeispiele unter Hinweis auf die Zeichnung beschrieben. Es zeigt F i g. 1 schematisch eine Möglichkeit zur Durchführung der Erfindung, F i g. 2 eine graphische Darstellung der der Erfindung zugrunde liegenden theoretischen Zusammenhänge und F i g. 3 schematisch eine zweite Ausführungsmöglichkeit des erfindungsgemäßen Verfahrens.In the following the invention is illustrated by means of two exemplary embodiments described with reference to the drawing. It shows F i g. 1 schematically a Possibility of carrying out the invention, FIG. 2 is a graphical representation the theoretical relationships on which the invention is based and FIG. 3 schematically a second embodiment of the method according to the invention.

In F i g. 1 ist das die Tiefbohrung auskleidende Futterrohr mit 1 und das Innenrohr, durch das das Öl-Wasser-Gemisch zugeführt wird, mit 2 bezeichnet. 3 ist die Wasser aufnehmende Lagerstätte, in deren Bereich das Futterrohr bei 4 perforiert ist. Das Futterrohr ist noch um eine bestimmte Strecke über die Lagerstätte hinaus nach unten verlängert und bildet dort einen Sumpf 5, in welchem sich eventuell mitgeführte Tonteilchen und Sandkörper sammeln. Vom Bohrlochkopf geht ein Rohr 6 aus, durch das das an Öl angereicherte öl-Wasser-Gemisch zur nachfolgenden Feinreinigung abströmt.In Fig. 1 is the casing lining the deep borehole with 1 and the inner pipe through which the oil-water mixture is supplied is denoted by 2. 3 is the water-absorbing deposit, in the area of which the casing at 4 is perforated. The casing is still a certain distance beyond the deposit extended downwards and there forms a sump 5, in which there may be Collect entrained clay particles and sand bodies. A pipe 6 extends from the wellhead from, through the the oil-water mixture enriched in oil to the following Fine cleaning flows off.

Das aus einer Förderbohrung kommende Öl-Wasser-Gemisch wird durch das Innenrohr 2, das im Abstand T oberhalb der Lagerstätte 3 endet, in die Tiefbohrung eingeführt. Der Bereich T beträgt vorzugsweise mehrere hundert Meter und bildet eine Trennstrecke, in der von oben nach unten zunehmend Wasser vorhanden ist. Der Ringraum R zwischen Innen- und Außenrohr füllt sich mit einem an Öl angereicherten öl-Wasser-Gemisch, in welchem der Ölanteil von unten nach oben zunimmt.The oil-water mixture coming from a production well is carried through the inner tube 2, which ends at a distance T above the deposit 3, into the deep borehole introduced. The area T is preferably several hundred meters and forms a separating distance in which water is increasingly available from top to bottom. Of the Annular space R between the inner and outer pipe is filled with an oil-enriched one oil-water mixture in which the oil content increases from bottom to top.

Der Vorgang der Abtrennung des Öles vom Wasser bzw. der Anreicherung des Öl-Wasser-Gemisches mit Öl beruht darauf, daß die höchste Geschwindigkeit der strömenden Flüssigkeit im Bereich der Rohrachse herrscht und nach außen zur Rohrwand hin abnimmt. Unmittelbar an der Rohrwand herrscht die Geschwindigkeit Null, wobei die Strömungsgeschwindigkeit in der Nähe der Rohrwand einen Bruchteil der an der Mitte des Rohres vorliegenden Geschwindigkeit ausmacht.The process of separating the oil from the water or enriching it of the oil-water mixture with oil is based on the fact that the highest speed of the flowing liquid prevails in the area of the pipe axis and outwards to the pipe wall decreases towards. Directly at the pipe wall there is zero velocity, whereby the flow velocity near the pipe wall is a fraction of that at the In the middle of the pipe.

Die Geschwindigkeitsverteilung ist für laminare und turbulente Strömungen in F i g. 2 dargestellt. Hierbei ist die Entfernung von der Rohrachse A zur Rohrwand W in Bruchteilen des Gesamtdurchmessers D wiedergegeben. Die Kurve Re = 10 000 entspricht einer turbulenten Strömung in dem Rohrquerschnitt, während die Kurve R, = 1000 der laminaren Strömung entspricht. Die am linken Rand der Darstellung angegebene Beziehung W, / W gibt die durchschnittliche Geschwindigkeit über den ganzen Rohrquerschnitt an. Dieses Verhalten einer ein Rohr durchströmenden Flüssigkeit ist bekannt und wird im Rahmen des erfindungsgemäßen Verfahrens auf vorteilhafte neuartige Weise für den besonderen Zweck ausgenutzt.The velocity distribution is for laminar and turbulent flows in FIG. 2 shown. Here, the distance from the pipe axis A to the pipe wall W is shown in fractions of the total diameter D. The curve Re = 10,000 corresponds to a turbulent flow in the pipe cross-section, while the curve R, = 1000 corresponds to the laminar flow. The relationship W, / W given on the left-hand side of the diagram indicates the average speed over the entire pipe cross-section. This behavior of a liquid flowing through a pipe is known and is used in the context of the method according to the invention in an advantageous, novel way for the particular purpose.

Bei der in Fig.2 dargestellten Geschwindigkeitsverteilung innerhalb des die Trennstrecke T bildenden Rohres besteht, sofern die Trennstrecke lang genug ist, die Wahrscheinlichkeit, daß jedes Öltröpfchen einmal in die Nähe der Rohrwandung gelangt und dort seine abwärts gerichtete Geschwindigkeit verliert. Diese Wahrscheinlichkeit ist um so größer, je länger die Trennstrecke ist. In dem Augenblick, in dem ein Öltröpfchen in die Nähe der Rohrwandung gelangt, wird der auf Grund des Unterschiedes im spezifischen Gewicht zwischen Öl und Wasser herrschende Auftrieb für Öl wirksam. Das Öltröpfchen steigt daher an der Ölwand entlang etwa nach dem Stokesschen Gesetz laminar auf.With the speed distribution shown in Fig.2 within of the pipe forming the separating distance T, provided that the separating distance is long enough is, the probability that each oil droplet once in the vicinity of the pipe wall and there it loses its downward speed. This probability is greater, the longer the isolating distance. The moment a If oil droplets come near the pipe wall, this will be due to the difference The buoyancy prevailing in the specific gravity between oil and water is effective for oil. The oil droplet therefore rises along the oil wall according to Stokes's law laminar on.

Die Aufwärtsbewegung der Ölkügelchen wird durch Entnahme des angereicherten Öl-Wasser-Gemisches am Bohrlochkopf aus dem Ringraum unterstützt. Auch im Ringraum findet noch eine Trennung von Öl und Wasser auf Grund des Unterschiedes im spezifischen Gewicht statt. Die Aufstiegsgeschwindigkeit w kann auf zweierlei Weise berechnet werden.The upward movement of the oil globules is supported by the removal of the enriched oil-water mixture at the wellhead from the annulus. There is also a separation of oil and water in the annulus due to the difference in specific weight. The rate of ascent w can be calculated in two ways.

Für Re < 0,6 (Stokessches Gesetz): Für Re = 0,6 - 2.300 (Gesetz von Rittinger-Schulz): Darin bedeutet o w = Dichte des Wassers, 0 ö = Dichte des Öles, 77 w (ö) = Viskosität des Wassers (Öles), D = Durchmesser des Tropfens, w = Aufstiegsgeschwindigkeit des Öltröpfchens (bzw. Sinkgeschwindigkeit der Wasser- tröpfchen), C =eine für jedes Medium charakteristische empirische Konstante. Beide Gesetze gelten für den Fall, daß die Tröpfchen sich gegenseitig nicht beeinflussen.For Re <0.6 (Stokes law): For Re = 0.6 - 2,300 (Rittinger-Schulz's law): In it means ow = density of water, 0 ö = density of the oil, 77 w (ö) = viscosity of the water (oil), D = diameter of the drop, w = ascent rate of the oil droplet (or rate of descent of the water droplet), C = one characteristic of each medium empirical constant. Both laws apply in the event that the droplets do not influence each other.

Von großem Vorteil für eine möglichst weitgehende Trennung ist die Tatsache, daß in Erdölbohrungen verhältnismäßig lange Entmischungsstrecken zur Verfügung stehen und daß das Verhältnis von Bohrlochdurchmesser zu Durchsatzvolumen groß ist, da die Futterrohrdurchmesser im allgemeinen zwischen 5" und 7" liegen.The is of great advantage for the greatest possible separation The fact that relatively long segregation distances are available in oil wells stand and that the ratio of borehole diameter to throughput volume is large, since casing diameters are generally between 5 "and 7".

Die Einpreßteufe ist bei Injektionsbohrungen die Teufe des wasseraufnehmenden Horizontes. Wenn kein wasseraufnehmender Horizont vorhanden ist, kann das sich abtrennende Wasser durch einen zweiten in das Bohrloch eingebauten, in die Wasserzone reichenden Rohrstrang zum Bohrlochkopf abgeleitet werden. Hierbei kann eine unmittelbare überwachung der ölabscheidung durchgeführt werden, weil auch das Wasser auf etwaig noch darin enthaltenes Öl untersucht werden kann.In the case of injection wells, the injection depth is the water-absorbing depth Horizons. If there is no water-absorbing horizon, the separating one can Water through a second built into the borehole, reaching into the water zone Pipe string to be diverted to the wellhead. Immediate monitoring can be used here The oil separation must be carried out because the water may still be in it contained oil can be examined.

Die zwischen dem unteren Ende des Innenrohres 2 und der Lagersätze 3 erforderliche Trennstrecke T kann mit Hilfe der nachfolgenden Formel angenähert berechnet werden: In der Formel bedeutet d = Durchmesser des Futterrohres in Meter, z = die Länge der Trennstrecke T in Meter, q = die Durchsatzmenge in m3/h, C = eine durch Versuche zu bestimmende Kon- stante mit der Dimension h/m. Aus der Formel ergibt sich, daß das Innenrohr 2 bei geringer Durchsatzmenge tiefer als bei großen Durchsatzmengen in das Futterrohr eingebaut werden kann. Bei Vergrößerung des Futterrohres kann ebenfalls die Länge der Trennstrecke T reduziert werden.The separation distance T required between the lower end of the inner tube 2 and the bearing sets 3 can be approximately calculated using the following formula: In the formula means d = diameter of the casing pipe in meters, z = the length of the isolating distance T in meters, q = the throughput in m3 / h, C = a consistency to be determined by experiments stante with the dimension h / m. The formula shows that the inner tube 2 can be installed deeper in the casing when the throughput is low than when the throughput is large. If the casing is enlarged, the length of the separation distance T can also be reduced.

Es ist wünschenswert, die Austrittsöffnung des Innenrohres 2 möglichst tief in dem Bohrloch anzuordnen, weil dann die in der größeren Tiefe herrschende höhere Gebirgstemperatur auf das Öl-Wasser-Gemisch einwirken und den Trennvorgang beschleunigen kann.It is desirable to have the outlet opening of the inner tube 2 as possible to be arranged deep in the borehole, because then the one prevailing in the greater depth higher rock temperatures affect the oil-water mixture and the separation process can accelerate.

In F i g. 3 ist eine Tiefbohrung entsprechend der F i g. 1 dargestellt, bei der das aus dem Öl-Wasser-Gemisch sich abscheidende Erdölgas mit Hilfe eines weiteren Innenrohres 7, das das Rohr 2 im wesentlichen konzentrisch umgibt und um die Strecke S nach unten über das untere Ende des Rohres 2 hinaus verlängert ist, nach oben zum Bohrlochkopf abgeführt wird. Das Erdölgas strömt im Rohr 7 durch einen Regler, der mit Impuls von der Flüssigkeitsableitung, d. h. dem angereicherten Öl, arbeitet und der das Gas dem bei 6 ausfließenden, an Öl angereicherten Öl-Wasser-Gemisch bei seinem Weg zur nachgeschalteten Feinreinigung wieder zugesetzt wird. Der Regler ist mit R bezeichnet. Abgesehen von der Abscheidung des Erdölgases entspricht die Verfahrensführung oder Anordnung nach F i g. 3 derjenigen der F i g. 1.In Fig. 3 is a deep hole corresponding to FIG. 1 shown, in which the oil gas separating out of the oil-water mixture with the help of a further inner tube 7, which surrounds the tube 2 essentially concentrically and around the distance S is extended downwards beyond the lower end of the tube 2, is discharged up to the wellhead. The petroleum gas flows in the pipe 7 through a Regulator, the one with momentum from the liquid discharge, d. H. the enriched oil, works and that of the gas is the oil-water mixture which is enriched in oil and which flows out at 6 is added again on its way to the downstream fine cleaning. The regulator is denoted by R. Apart from the separation of the petroleum gas, the Procedure or arrangement according to FIG. 3 of those of FIG. 1.

Bei einem praktisch ausgeführten Versuch wurden aus einer Menge von 483 m3 Öl und Wasser in einer Bohrung nach dem beschriebenen Verfahren 398 m3 Wasser direkt abgeschieden und in der wasseraufnehmenden Lagerstätte versenkt. Weitere 40 m3 Wasser setzen sich im Tank ab. Das restliche Gemisch enthielt somit 20% Wasser und 80% Öl. Die zu transportierende und im Treater aufzuheizende Flüssigkeitsmenge verminderte sich somit von ursprünglich 483 m3 auf 45 m3, d. h. etwa auf den zehnten Teil.In a practical experiment, a set of 483 m3 of oil and water in a borehole using the method described, 398 m3 of water deposited directly and sunk in the water-absorbing deposit. Further 40 m3 of water settle in the tank. The remaining mixture thus contained 20% water and 80% oil. The amount of liquid to be transported and heated in the treater thus decreased from the original 483 m3 to 45 m3, i.e. H. about the tenth Part.

Bei Anbringung einer Drosselstelle in Form einer Düse am Auslauf der Bohrung, die einen Gegendruck erzeugte, konnte der Restwassergehalt auf 2% herabgesetzt werden.When attaching a throttle point in the form of a nozzle at the outlet of the Well, which created a counter pressure, could reduce the residual water content to 2% will.

Claims

Claims: 1. A method for separating a z. B. from an oil well promoted petroleum-water mixture, in which the mixture in an artificially created, underground cavity acting as a separating distance is given, d a - characterized by, that an empty deep borehole is used as a separating distance.

2. Procedure according to claim 1, characterized in that the oil-water mixture by an inner Pipe string introduced into the deep borehole and that in the one surrounding the inner pipe Annular rising, essentially anhydrous oil removed at the head of the bore will.

3. The method according to claims 1 and 2, characterized in that a used as a sink well working deep borehole and the separating water under pressure the water-absorbing horizon associated with the borehole is forwarded.

4. The method according to claims 1 and 2, characterized in that that the separated water through a second, built into the borehole, pipe string reaching into the water zone is diverted to the wellhead.

5. Procedure according to claims 1 to 4, characterized in that the countersink or extraction of the water, required head pressure of the bore and the liquid level set automatically.

6. The method according to claims 1 to 5, characterized characterized in that gas detaching itself from the oil through a feed pipe surrounding pipe string is discharged to the wellhead.

7. The method according to the claims 1 to 6, characterized by the series or parallel connection of several Deep drilling. B.

Process according to Claims 1 to 7, characterized in that that by packers, pressure control valves or the like devices above of the water-absorbing horizon are built in, the penetration of oil into them Horizon is prevented.

9. The method according to claims 1 to 8, characterized in that that a counter pressure is generated at the outlet of the bore. Considered publications: U.S. Patent Nos. 3,066,732, 2,341,359, 2194616.