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Verfahren zum Bohren eines Loches in einer durchlässigen unterirdischen Formation
Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Anlegen eines Bohrloches in einer durchlässigen unterirdischen Formation, bei dem ein Bohrmeissel benutzt wird, der gedreht und belastet wird, um ein Bohrloch zu erzeugen ; ausserdem wird eine Bohrflüssigkeit mindestens mit dem Boden des Bohrloches in Berührung gebracht, wobei der Druck der Bohrflüssigkeit höher ist als der in den Poren oder Zwischenräumen der Formation herrschende Druck ; wenn die Bohrflüssigkeit in die Porenräume der Formation eintritt, welche das Bohrloch umgibt, werden die Poren der Formation dadurch abgedichtet, dass die Bohr flüssigkeit die Porenräume der Formation verstopft.
Diese Verstopfungswirkung kann mit Hilfe eines Niederschlages herbeigeführt werden, der durch eine chemische Reaktion erzeugt wird, die sich abspielt, wenn die Bohrflüssigkeit mit einer in der Formation enthaltenen Flüssigkeit in Berührung kommt oder mit dieser Flüssigkeit gemischt wird ; alternativ kann die er wähnte Verstopfungswirkung darauf zurückzuführen sein, dass sich die Viskosität der Bohrflüssigkeit beim Eintreten in die Porenräume der Formation erhöht.
Durch diese Verstopfungswirkung im Porenraum der durchlässigen Formation wird eine Sperre erzeugt, die sich in den Porenräumen der Formation über eine gewisse Strecke hinweg ausbildet und einen Teil der Seitenwand des Bodens des Bohrloches abgrenzt ; der Druckunterschied zwischen der Flüssigkeit innerhalb des Bohrloches und der Flüssigkeit in den Porenräumen der Formation tritt längs der Sperre auf. Der Bohrmeissel bewirkt, dass sich im Boden des Bohrloches kleine Bruchstellen ausbilden, so dass die Bindung zwischen den Teilen der Formation am Boden des Bohrloches zerstört wird und kleine Bruchstücke, z. B. Späne, Bohrmehl od. dgl., entstehen.
Da die Tiefe, über der in der Formation solche Bruchstellen entstehen, nur über einen kleinen Teil der Strecke reicht, über die sich die Sperre in der Formation erstreckt, ist der Druckunterschied an den Bruchstücken im Vergleich zu dem Druckunterschied klein, der zwischen dem Inneren des Bohrloches und den Porenräumen der Formation vorhanden ist. Im Hinblick auf den kleinen Druckunterschied längs der Bruchstücke ist die Kraft, die benötigt wird, um die Bruchstücke vom Boden des Bohrloches abzuheben, sehr klein, wenn man sie mit der Kraft vergleicht, die erforderlich ist, um solche Bruchstücke bei einem Verfahren vom Boden des Bohrloches abzuheben, bei dem von einer Bohrflüssigkeit, die auf der Wandung des Bohrloches einen Schlammkuchen bildet, Gebrauch gemacht wird.
Dann tritt der gesamte Druckunterschied, der zwischen dem Innern des Bohrloches und den Porenräumen der Formation vorhanden ist, längs des Schlammkuchens auf ; infolgedessen wird auf die Bruchstücke der Formation eine grosse, nach unten gerichtete Kraft aufgebracht.
Da die Kräfte, mittels deren die Bruchstücke vom Boden des Bohrloches abgehoben werden, sehr klein sind, wenn man eine Bohrflüssigkeit verwendet, die in den Porenräumen der Formation ein Hindernis bildet, das im folgenden auch als "innere" Sperre oder "innere" Mörtelschicht bezeichnet wird, u. zw. im Gegensatz zu einem Kuchen, der sich auf der Wand des Bohrloches bildet, und der im folgenden als "äussere" Mörtelschicht bezeichnet wird, lässt sich die gesamte zur Durchführung des Bohrvorganges aufgewendete Energie mit einem höheren Wirkungsgrad ausnutzen. Infolgedessen wird erreicht, dass der Bohrmeissel mit einer höheren Geschwindigkeit in die Formation eindringt.
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ken kann, eine Abdichtungsflüssigkeit in einer bestimmten Menge zu der Formation geführt wird.
Die Abdichtungsflüssigkeit, welche eine reine Flüssigkeit ist, wird in die Formation gedrückt und verbindet sich dort auf chemische Weise mit in der Formation befindlichem Öl und bildet einen festen Stoff, welcher den Durchgang durch die Formation verstopft. Die Abdichtung einer durchbohrten Formation mittels Gelierung einer Abdichtungsflüssigkeit durch Temperaturanstieg bei Eintritt in die Formation ist aus der USA-Patentschrift Nr. 2, 543, 868 bekannt. In beiden bekannten Prozessen ist die Zirkulation der Bohrflüssigkeit während des Abdichtungsverfahrens normalerweise unterbrochen.
Ein Ziel der Erfindung besteht darin, ein Bohrverfahren der vorstehend genannten Art vorzusehen, bei dem von einer inneren Sperre oder Mörtelschicht Gebrauch gemacht wird, die sich auf einfache Weise und mit geringen Kosten herstellen lässt.
Gemäss der Erfindung ist das Verfahren zum Bohren eines Bohrloches in einer durchlässigen unterirdi- schen Formation unter Benutzung eines drehbaren Bohrmeissels und einer die Bohrlochwand nicht äusserlich pflasterndenFlüssigkeit, welche unter einem Druck, der höher ist als der Druck im Porenraum der Formation, mit dem Boden des Loches in Berührung steht, dadurch charakterisiert, dass man eine Flüssigkeit mit darin suspendierten Teilchen verwendet, welche beim Eindringen der Flüssigkeit in den Porenraum sich im Porenraum ablagern und diese im wesentlichen undurchlässig machen.
Bei den in der Flüssigkeit suspendierten Teilchen kann es sich um feste Stoffe in verschiedenen Formen und bzw. oder um Flüssigkeitströpfchen handeln. Als feste Teilchen kann man z. B. Bitumen oder Polymere verwenden. Die Tröpfchen bestehen vorzugsweise aus einem Kohlenwasserstoff oder einem Gemisch aus mehreren Kohlenwasserstoffen.
Vorzugsweise fügt man der Bohrflüssigkeit ein Emulgiermittel bei, um das Ausmass zu erhöhen oder zu stabilisieren, in welchem die Teilchen in der Flüssigkeit suspendiert gehalten werden.
Die Menge der in der Bohrflüssigkeit vorhandenen Teilchen kann zwischen 0, 5 und 15 Gel.-% der Flüssigkeit liegen. Vorzugsweise macht die Menge der Teilchen zwischen 2 und 6 Gew.-% der Bohrflüssigkeit aus.
Um eine bessere Berührung zwischen der Bohrflüssigkeit und dem Boden des Bohrloches zu erzielen, kann man die Bohrflüssigkeit in dem Bohrloch zirkulieren lassen, vorzugsweise innerhalb des mit dem Bohrmeissel verbundenen Bohrstranges, sowie durch die Öffnungen in dem Bohrmeisselkörper und dem Ringraum zwischen dem Bohrstrang und der Wandung des Bohrloches.
Vorzugsweise wird die Bohrflüssigkeit längs des Bohrloches ständig erneut umgewälzt und unerwünschte Mengen von Bruchstücken der Formation, die in der Bohrflüssigkeit enthalten sind, werden aus der Bohrflüssigkeit entfernt, bevor die Bohrflüssigkeit erneut in das Bohrloch eintritt. Es hat sich gezeigt, dass es-nach dem Entfernen des grössten Teiles der Bruchstücke aus der Bohrflüssigkeit, z.
B. durch Hindurchleiten der Bohrflüssigkeit durch ein Sieb und bzw. oder durch einen Zyklonabscheider oder eine Zentrifuge, möglich ist, eine kleine Menge der Bruchstücke in der Bohrflüssigkeit zu belassen, die dem Bohrloch erneut zugeführt wird ; hiebei ist jedoch vorausgesetzt, dass diese Menge der Bruchstücke nicht ausreicht, um den unteren Teil des Bohrloches an seiner Wandung während des Betriebes des Bohrmeissels mit einer äusseren Mörtelschicht zu versehen.
Der Unterschied zwischen dem spezifischen Gewicht der Teilchen und dem spezifischen Gewicht der Bohrflüssigkeit einerseits und dem spezifischen Gewicht der Bruchstücke der Formation anderseits begünstigt die Abscheidung der Bruchstücke aus der Bohrflüssigkeit, wenn man zu dieser Abscheidung einen Zyklon oder eine Zentrifuge benutzt.
Wenn sich im Laufe der Zeit auf der Seitenwand des Bohrloches eine äussere Mörtelschicht bildet, ist dagegen kein schwerwiegender Einwand zu erheben, denn nachdem der Bohrmeissel den betreffenden Teil des Bohrloches passiert hat, brauchen keine Bruchstücke mehr von der Seitenwand des Bohrloches abgehoben zu werden. Nur dann, wenn in der Bohrflüssigkeit eine solche Menge von Bruchstücken enthalten ist, dass sich eine äussere Mörtelschicht auf dem Boden des Bohrloches zwischen den aufeinanderfolgenden Zeitpunkten ausbilden kann, in denen die Schneidorgan jeweils den gleichen Punkt passieren, lässt sich das erfindungsgemässe Bohrverfahren nicht einwandfrei durchführen.
Bei Beginn der Bohrarbeiten hat sich noch keine innere Mörtelschicht gebildet. Die die suspendierten Teilchen mitführende Bohrflüssigkeit tritt aus dem Bohrloch in die Porenräume der Formation über, wobei die Teilchen die Durchlässigkeit der Porenräume verringern, so dass sich der dem Hindurchströmen entgegengesetzte Widerstand vergrössert. Auf diese Weise wird eine innere Mörtelschicht erzeugt, die im Laufe der Zeit längs der Seitenwand des Bohrloches das Eintreten der Bohrflüssigkeit in die Porenräume
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der Formation nahezu vollständig verhindert.
Am Boden des Bohrloches wird jedoch durch den Bohrmeissel ständig ein Teil der inneren Mörtelschicht zusammen mit Bruchstücken der Formation entfernt. Infolgedessen kann die Bohrflüssigkeit in einem begrenzten Ausmass vom Boden des Bohrloches aus in die Porenräume der Formation eindringen, so dass ständig Teilchen am unteren Teil der Mörtelschicht abgelagert werden, die somit kontinuierlich nach unten in die Formation hineinwandern, u. zw. vor dem Boden des Bohrloches, der seinerseits unter der Wirkung des Bohrmeissels nach unten verlagert wird.
Die Erfindung wird im folgenden unter Bezugnahme auf Versuche beschrieben, die im Laboratorium unter den im Felde anzutreffenden Bedingungen durchgeführt wurden. Bei diesen Versuchen wurden Bitumen, ein Polymer und ein Öl hoher Viskosität verwendet ; diese Stoffe wurden in Form von Teilchen so in einer Flüssigkeit suspendiert, dass man eine Bohrflüssigkeit zum Durchführen des erfindungsgemässen Verfahrens erhielt. Es sei bemerkt, dass es sich bei den vorstehend genannten Stoffen nur um Beispiele handelt und dass sich die Erfindung nicht auf die Verwendung der erwähnten Stoffe beschränkt, denn die erforderliche Verstopfungswirkung bezüglich der Porenräume im Innern der Formation lässt sich mit dem gleichen Ergebnis erzielen, wenn man andere Stoffe verwendet, die in Form von Teilchen in einer Flüssigkeit suspendiert sind.
Versuche 1 und 2 :
Bei diesen Versuchen wurden Bohrlöcher in einen Gildehaus-Sandstein gebohrt, dessen Durchlässigkeit 3 Darcies betrug ; hiebei wurde ein 105 mm-Kegelrollen-Düsenmeissel benutzt. Bei beiden Versuchen wurde der Bohrmeissel mit 3000 kg belastet und mit 115 Umdr/min gedreht. Beide Versuche wurden bei Formationstemperaturen von 25 und 800C durchgeführt. Die Zirkulationsgeschwindigkeit der Bohrflüssigkeit betrug 400 l/min. Der Unterschied zwischen dem Druck im Bohrloch und im Porenraum der unbeschädigten Formation betrug 50 at. Der Sandstein hatte ein spezifisches Gewicht von 2, 0.
Beim Versuch 1 bestand die Bohrflüssigkeit aus einer anionischen Bitumensuspension in Wasser, die 4 Gew.-% Bitumenteilchen und 1 Gew. -0/0 eines Stabilisators enthielt ; beim Stabilisator handelte es sich um einen Alkali-Lignin-Abkömmling. Da es für zweckmässig gehalten wurde, mit einem beschwerten Bohrmittel zu arbeiten, wurden der Bohrflüssigkeit Natriumchlorid und Natriumnitrat beigefügt. Hiebei wurde die maximal lösliche Menge an Natriumchlorid beigefügt, so dass das spezifische Gewicht der in dem Bohrmittel enthaltenen Flüssigkeit auf 1, 19 anstieg. Eine weitere Beschwerung dieser Flüssigkeit bis zu einem spezifischen Gewicht von 1, 30 wurde durch Auflösen von Natriumnitrat in der Flüssigkeit erzielt.
Da das spezifische Gewicht des Bitumens gleich 1 war, konnten Sandsteinbruchstücke leicht mit Hilfe eines Zyklons oder einer Zentrifuge von der Bohrflüssigkeit getrennt werden, ohne dass das Bitumen von der Flüssigkeit getrennt wurde.
Es wurde festgestellt, dass sich unter den vorstehend genannten Bedingungen eine Eindringgeschwindigkeit von 2,22 mm je Umdrehung des Bohrmeissels bei einer Formationstemperatur von 25 und 800C erzielen liess.
Eine Eindringgeschwindigkeit von 2, 19 mm je Umdrehung bei einer Formationstemperatur von 250C und bzw. oder 800C wurde beim Versuch 2 erzielt, wenn kationische Bitumenteilchen verwendet wurden, die in einer Menge von 2 Gew. -0/0 in Wasser suspendiert waren, wobei eine quaternäre Ammoniumverbindung als Emulgiermittel verwendet wurde.
Es wurde kein Beschwerungsmaterial verwendet ; das spezifische Gewicht der flüssigen Phase des Vormittels war gleich 1. Gegebenenfalls kann man jedoch das spezifische Gewicht des Bohrmittels erhöhen, z. B. durch Beifügen von Kalziumchlorid. Das spezifische Gewicht des Bitumens war gleich 1.
Vergleicht man die bei den vorstehend beschriebenen Versuchen erzielten Eindringgeschwindigkeiten mit der Eindringgeschwindigkeit von 0, 28 mm je Umdrehung, wie sie unter den oben genannten Bedingungen dann erzielt wird, wenn man einen Bohrschlamm bekannter Art aus Ton und Wasser verwendet, der auf der Seitenwand und dem Boden des Bohrloches eine äussere Mörtelschicht bildet, erkennt man, dass die Anwendung des erfindungsgemässen Verfahrens zu einer enormen Steigerung der Bohrgeschwindigkeit führt.
Ferner geht aus den vorstehenden Ausführungen hervor, dass man beim erfindungsgemäss verwendeten Bohrmittel sowohl kationische als auch anionische Bitumenteilchen verwenden kann. Auch'nichtioni- sches Bitumen erfüllt den beschriebenen Zweck.
Die Tatsache, dass die Porenräume der Versuchsblöcke verstopft wurden, zeigt sich deutlich nach dem Spalten der Blöcke im Bereich der Bohrlöcher.
Versuch 3 :
Bei diesem Versuch wurde ein Polymer verwendet, das zu 2 Gew.-% aus dem Material Shell"Carina"36
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