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Geologisches Bohrverfahren und hiefür geeignete Bohrflüssigkeit
Die Erfindung betrifft das Bohren von Erdöl- und Erdgas-Bohrlöchern und befasst sich insbesondere mit einer wässerigen Bohrflüssigkeitszubereitung sowie mit einem Verfahren zum Bohren von Bohrlöchern, wobei die Bohrgeschwindigkeit gesteigert wird.
Nach allgemeiner Ansicht ist das Haupthindernis gegen eine schnellere Abtragsgeschwindigkeit eines Bohrers in einer Gesteinsschicht nicht das Durchbrechen des Gesteins, sondern das Entfernen der Bohrabfälle und des Bohrgesteins vom Boden des gebohrten Bohrloches. Eine Schwierigkeit ist darin gelegen, dass die beim Bohren von Bohrlöchern benutzte Bohrflüssigkeit dazu neigt, auf dem Boden des Bohrloches einen Filterkuchen zu bilden. Durch diesen Filterkuchen entsteht ein Druckgefälle in den Bohrabfällen, das praktisch dem gesamten Druckunterschied zwischen der Säule des Bohrschlammes im Bohrloch und der Flüssigkeit in den Bohrabfällen oder der Gesteinsschicht gleich ist. Durch Verwendung von klarem Wasser als Bohrflüssigkeit wird dieses Problem vermieden, so dass die schnellsten Bohrgeschwindigkeiten mit reinem Wasser erreicht werden.
Im allgemeinen ist es jedoch notwendig, eine Bohrflüssigkeit zu verwenden, aus welcher sich ein Filterkuchen absetzt, so dass die Grösse des Bohrloches stabilisiert und übermässige Filtrierverluste in die während des Bohrens durchdrungene Gesteinsschicht vermieden werden können.
In diesem Zusammenhang wäre es ideal, eine Flüssigkeit zu verwenden, bei der sich ein Filterkuchen auf den Seiten des Bohrloches, jedoch nicht auf dem Grunde desselben absetzen kann. Dies grün- det sich auf der Annahme, dass unter idealen Bedingungen der Schlammkuchen an jeder Stelle auf dem Boden des Bohrloches regelmässig entfernt wird, wenn ein Bohrzahn über diese Stelle hinwegstreicht. Es ist darum erwünscht, eine Bohrflüssigkeit zu verwenden, aus der sich auf einer frisch freigelegten Gesteinsoberfläche in dem zwischen aufeinanderfolgenden Bohrzahnberührungen verstreichenden Zeitraum (0, 2 sec für einen mit drei Kolben versehenen Bohrer mit 100 Umdr/min) nur ein geringer oder kein Filterkuchen absetzt, im Verlauf einer längeren Zeitdauer jedoch ein entsprechender Kuchen absetzen kann.
Zu Beginn der Filtration, d. h., wenn die Flüssigkeit oder die kontinuierliche Phase der Bohrflüssig-
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notwendigen Grössenbereich aufweisen. Ein Hauptziel der Erfindung besteht daher darin, eine Bohrflüssigkeitszubereitung mit einer sehr niedrigen, jedoch kritischen Konzentration an Teilchen in dem für ein Überbrücken der Poren geeigneten Grössenbereich sowie im Gemisch mit einer geeigneten Menge eines feinen Kolloids zu schaffen, so dass auf dem Grunde des Bohrloches infolge der zeitlichen Begrenzung kein Filterkuchen entstehen kann, wogegen an den Seiten des Bohrloches, wo die verfügbare Zeit im wesentlichen unbegrenzt ist, ein Schlammkuchen von geeigneter Dicke und Undurchlüssigkeit gebildet wird.
Eine Verfahrensweise für die Bewertung von Bohrflüssigkeiten hinsichtlich ihres Einflusses auf das Niederhalten der Bohrabfälle (d. h. der Einfluss des Druckes, die Gesteinsbrocken nach dem Abtragen
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durch die Bohrerzähne auf dem Grunde des Bohrloches zu halten) beruht auf einem experimentell bestimmten Druckabfall, der in Prozenten des gesamten Druckabfalles ausgedrückt wird und ein Kriterium für die Bewertung von Bohrflüssigkeiten hinsichtlich ihres Vermögens, Bohrabfälle niederzuhalten, darstellt. Diese Prozentangabe wird gewöhnlich als"Bohrabfallniederhaltedruck"bezeichnet. Je weniger solche Feststoffe für das Zusammenbacken bzw. Porenschliessen eine Bohrflüssigkeit enthält, umso niedriger ist der Bohrabfallniederhaltedruck und umso grösser infolgedessen die Bohrgeschwindigkeit.
Die grösste Steigerung der Bohrgeschwindigkeit wird erreicht, wenn der Feststoffgehalt einer Bohrflüssigkeit weniger als 1 Gew. -0/0 beträgt, und bei einem Gehalt an Bohrklein von weniger als 2 Gel.-% ist die Geschwindigkeit immer noch bedeutend besser als bei höheren Feststoffgehalten. Bei praktischen Bohrarbeiten hat sich gezeigt, dass mit niederen Feststoffanteilen in der Bohrflüssigkeit tatsächlich hohe Abtragsgeschwindigkeiten erreicht werden.
Mit der Erfindung wird angestrebt, eine optimale Abtragsgeschwindigkeit beim Bohren von Bohrlöchern dadurch zu erreichen, dass man eine Bohrflüssigkeit anwendet, deren Feststoffgehalt möglichst nahe an dem Optimum liegt. Der minimale Feststoffgehalt eines Schlammes wird natürlich von der zum Überbrücken der Poren einer durchdringbaren Gesteinsschicht erforderlichen Menge bestimmt, ohne dass dabei allzu grosse Mengen Bohrschlamm an die Gesteinsschicht verloren gehen. Die Erfahrung zeigt, dass das Optimum bei ungefähr 0,5 Grew.-% Feststoff, bezogen auf die gesamte Bohrflüssigkeit, liegt.
Bei Versuchen ergab sich, dass Teilchen mit einem Grössenbereich von 2 bis 10 iL erforderlich sind, um das Überbrücken eines Sandsteines mit einer Permeabilität von ungefähr 200 md zu erzielen. Beim Bohren eines Bohrloches variiert die Permeabilität des angetroffenen Gesteins über einen weiten Bereich, so dass ein entsprechend weiter Bereich der Feststoffteilchen notwendig ist. Da beim Bohren ohnedies Teilchen jeder Grösse entstehen, braucht man keine Feststoffe zuzusetzen, sondern muss im Gegenteil danach trachten, ein Ansteigen der Feststoffe über den idealen Wert von 0, 5% hinaus zu vermeiden. Ein weiteres Ziel der Erfindung besteht daher darin, unter Aufrechterhaltung einer hohen Abtragsgeschwindigkeit dafür zu sorgen, dass der Feststoffgehalt des Bohrschlammes auf dem jeweils gewählten minimalen Wert verbleibt.
Mit dem erfindungsgemässenverfahren soll weiterhin das Bohren mit einer solchen Geschwindigkeit ermöglicht werden, die in unmittelbarer Nähe der bei Verwendung von Wasser als Bohrflüssigkeit erreichbaren Geschwindigkeit liegt, wobei gleichzeitig eine gute Filtrierverlustkontrolle gewährleistet bleibt.
Die erfindungsgemässen Bohrflüssigkeitszubereitungen weisen ein ziemlieh hohes Gewicht sowie eine gute Filtrierverlustkontrolle auf, wobei sie jedoch einen kleinen, aber nutzbringenden Anteil von unlöslichen Feststoffen enthalten.
In den Bereich der Erfindung gehört weiterhin eine Fertigstellungsflüssigkeit, mittels welcher die erbohrten Bohrlöcher fertiggestellt werden, wobei diese Fertigstellungsflüssigkeit auf der Wand des Bohrloches eine Schicht bildet, die einerseits eine gute Begrenzung des Filtrierverlustes ermöglicht, anderseits aber in vielen gebräuchlichen Lösungsmitteln leicht löslich ist.
Das erfindungsgemässe Verfahren zum Bohren eines Bohrloches in unterirdischen Formationen, bei welchem ein Bohrer auf dem Boden des Bohrloches unter Bildung von Bohrklein in Drehung versetzt wird und eine wässerige Bohrflüssigkeit, in welcher Öl emulgiert ist, durch den Bohrer und das Bohrloch geleitet wird, ist nun dadurch gekennzeichnet, dass in dem in der wässerigen Flüssigkeit emulgierten Öl ein Kolloid dispergiert ist.
Die zum B obren von Bohrlöchern geeignete Flüssigkeit in Form einer Öl-in-Wasser-Emulsion enthält also eine Emulsion von Öl in Wasser, wobei in der Ölphase ein oleophiles Kolloid in ausreichender Menge dispergiert ist, damit die Filtrierverluste der Emulsion herabgesetzt werden.
Beim Arbeiten mit einer solchen Bohrflüssigkeit, wobei aus der aus dem Bohrloch zurückkehrenden Flüssigkeit vor dem Wiedereinleiten in das Bohrloch Bohrklein entfernt wird, ist es im Rahmen der Erfindung besonders vorteilhaft, den Gehalt an Bohrklein, z. B. durch Absitzenlassen, auf weniger als 2 Gew.-% der Emulsion herabzusetzen. Danach wird die Flüssigkeit, wie bereits erwähnt, erneut in das Bohrloch eingeleitet.
Ein einzigartiges Merkmal der erfindungsgemässen Bohrflüssigkeit in Form einer Kolloidemulsion mit niedrigem Feststoffgehalt ist darin gelegen, dass das zur Begrenzung von Filtrierverlusten dienende Kolloid in der Dispersionsphase der Bohrflüssigkeit enthalten ist. Beispielsweise kann zuerst das organische Kolloid in Öl dispergiert und das Öl dann unter Bildung der Bohrflüssigkeit in Wasser emulgiert werden. Die Abwesenheit des Kolloids in der Wasserphase führt zu einer Bohrflüssigkeit mit ungewöhnlich niedriger Viskosität, die ein rasches Absitzen von Feststoffen gestattet. Somit kann während der Bohrarbeiten ein niedriger Feststoffgehalt aufrechterhalten werden. Man erzielt so Bohrgeschwindigkei-
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ten in der Nähe jener, die mit Wasser erreicht werden, sowie eine gute Kontrolle der Filtrierverluste im Verlaufe der Bohrarbeiten.
Ist eine beschwerte Bohrflüssigkeit bei den Bohrarbeiten erforderlich, so werden zur Erzielung des bereits erwähnten Salzgehaltes die erfindungsgemässen Emulsionen mit verschiedenen Solen hergestellt oder es wird ihnen ein lösliches Salz zugefügt. So können erfindungsgemäss Emulsionen in Natriumchloridlaugen hergestellt werden, die eine Dichte bis zu 1, 2 kg/l haben. Mit Calciumchloridlaugen kann eine Dichte bis zu 1, 4 kg/l und mit Zinkchloridlaugen eine Dichte bis zu 1, 6 kg/l erreicht werden. Gebräuchliche Beschwerungsmittel, wie z. B.
Baryt, können bei der erfindungsgemässen Bohrflüssigkeit mit niedrigem Feststoffgehalt nicht zur Steigerung der Dichte verwendet werden, weil die Teilchengrösse von Baryt in dem zur "Brücken"-bildung führenden Grössenbereich liegt. Beim Arbeiten mit Salzlaugen hoher Dichte muss man Emulgatoren anwenden, die die Emulsionen bei der am Boden des Bohrloches herrschenden Temperatur stabil halten. Es steht hiefür eine grössere Zahl von Emulgatoren zur Verfügung, deren Auswahl für ein bestimmtes Bohrloch von solchen Faktoren, wie der Art des benutzten Salzes, der am Boden des Bohrloches zu erwartenden Temperatur, der Natur der durchzubohrenden Gesteinsschichten usw., abhängt.
Im allgemeinen müssen die meisten bekannten Bohrflüssigkeiten auf Basis von Wasser ein Kolloid, wie z. B. Ton, Stärke oder Carboxymethylcellulose, enthalten, durch das an den Seiten eines Bohrloches ein Filterkuchen gebildet und das Eindringen von Filtrat in die Gesteinsschicht kontrolliert wird.
In diesen bekannten Schlämmen wird durch die in der kontinuierlichen Phase befindlichen Kolloide die Viskosität der Flüssigkeit gesteigert und infolgedessen ein schnelles Bohren sowie auch das Abscheiden von im Verlaufe des Bohrens erzeugtem Bohrklein an der Oberfläche verhindert, so dass der Feststoffgehalt der Flüssigkeit zunimmt und die Bohrgeschwindigkeit weiter abnimmt. Diese Nachteile werden mit Hilfe der erfindungsgemässen Bohrflüssigkeit auf Basis von Wasser durch Dispergieren eines oleophilen Kolloids in Öl und Emulgieren dieser Dispersion in Wasser überwunden, wobei das Kolloid in der diskontinuierlichen Phase dispergiert wird. Oleophile Kolloide, die mit einer kleinen Menge von unlöslichen Feststoffen vermischt sind, bilden Filterkuchen, die eine wirksame Kontrolle des Filtrates von Wasser ermöglichen.
Man braucht so nur eine geringe Menge der Kolloiddispersion, um niedrige Filtergeschwindigkeiten gewährleisten zu können.
Ein besonderes Merkmal der erfindungsgemässen Emulsionen ist darin gelegen, dass das Filtrationskontrollmittel dispergiert ist und somit die Viskosität der kontinuierlichen Phase nicht beeinflusst. Wegen der hohen Beständigkeit eines oleophilen Schlammkuchens gegenüber strömendem Wasser werden vergleichsweise geringe Mengen Kolloid benötigt, um eine wirksame Begrenzung der Filtrierverluste im Bohrloch zu erzielen. Da die Ölphase nur gering, ist (z. B. 1 - 510 des Gesamtvolumens zu betragen braucht), ist die Viskosität der Bohrflüssigkeit im wesentlichen die gleiche wie die der wässerigen Phase. Für die Erreichung einer schnellen Bohrgeschwindigkeit auf Gestein von geringer Durchlässigkeit ist die sehr niedrige Viskosität der Kolloidemulsionen eine ebenso wichtige Grösse wie der Bohrabfallniederhaltedruck.
Im Hinblick auf die niedrige Viskosität und das hohe Absetzvermögen lässt sich der Fest- stoffgehalt der den Boden des Bohrloches bestreichenden Flüssigkeit ohne weiteres in einem Bereich von etwa 0,5 bis 2% an feinen Gesteinsteilchen halten. Diese Feststoffe, die an der Bohrspitze entstehen und von der vorbeiströmenden Flüssigkeit mitgerissen werden, setzen sich dann in einem Schlammabsetzbehälter oder in einer Grube an der Oberfläche ab. Im allgemeinen kann der optimale Anteil von verbleibenden Feststoffen, d. s. etwa 0, 5 - 1 Gew. -%, ohne weiteres durch übliches Absetzenlassen erreicht werden, doch kann in bestimmten Fällen, z. B. wenn beim Bohren eine ungewöhnlich hohe Menge von Feinmaterial entsteht, die Absetzgeschwindigkeit mit Hilfe von Zyklonen, Zentrifugen od. dgl. gesteigert werden.
Für die Herstellung der erfindungsgemässen Bohremulsionen können viele in Öl dispergierbare Kolloide verwendet werden. Vorzugsweise weist die Ölphase einen Gehalt von 5 bis 7010 an darin dispergiertem Kolloid auf. In der folgenden Tabelle A sind hiefür mehrere Beispiele zusammen mit dem Niederhaltedruck und dem API-Filtrierverlust angeführt, wobei in einigen Fällen die Bohrgeschwindigkeit in verschiedenen Berea Sandgesteinen beim Arbeiten mit einem 31,8 mm-Bohrer bestimmt wurde. Die Wirksamkeit eines gemäss der Erfindung gebildeten oleophilen Kuchens auf die Begrenzung des Filtrierverlustes kann aus den Ergebnissen des tieferstehenden Beispiels 4 entnommen werden. In diesem Fall wurde ein mit Öl benetzter und in Öl dispergierbarer Bentonit verwendet.
Mit einer Kolloidemulsion mit einem Gehalt von nur 0, 75% an in Öl dispergierbarem Bentonit wurde ein Filtrierverlust von 8,8 ml im Vergleich zu einem Filtrierverlust von 16 ml im Falle einer gebräuchlichen wässerigen Suspension mit einem Gehalt von 50/0 Bentonit erreicht.
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Tabelle A :
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<tb>
<tb> Bei- <SEP> % <SEP> Kolloid <SEP> % <SEP> Öl <SEP> % <SEP> Emul- <SEP> API-Filter- <SEP> Bohrabfall- <SEP> Bohrge- <SEP>
<tb> spiel <SEP> gator <SEP> verlust <SEP> Niederhalte- <SEP> schwindigkeit <SEP>
<tb> ml <SEP> druck <SEP> kg/cm2 <SEP> m/h
<tb> 1 <SEP> 2,5 <SEP> 5 <SEP> 1 <SEP> 5,0 <SEP> 2,52 <SEP> KE
<tb> 2 <SEP> 2, <SEP> 5 <SEP> 5 <SEP> 1 <SEP> 5, <SEP> 0 <SEP> 1, <SEP> 89 <SEP> 7, <SEP> 9 <SEP>
<tb> 3 <SEP> 1,7 <SEP> 5 <SEP> 1 <SEP> 5,0 <SEP> KE <SEP> KE
<tb> 4 <SEP> 0, <SEP> 75 <SEP> 5 <SEP> 1 <SEP> 8, <SEP> 8 <SEP> 1, <SEP> 75 <SEP> 6, <SEP> 4 <SEP>
<tb> 5 <SEP> 0, <SEP> 3 <SEP> 5 <SEP> 1 <SEP> 7, <SEP> 2 <SEP> 2, <SEP> 10 <SEP> 5, <SEP> 8 <SEP>
<tb> 6 <SEP> 1,0 <SEP> 10 <SEP> 2 <SEP> 3, <SEP> 1 <SEP> 2, <SEP> 66 <SEP> KE
<tb> 7 <SEP> 2, <SEP> 5 <SEP> 5 <SEP> 0, <SEP> 25 <SEP> 8, <SEP> 8 <SEP> 1, <SEP> 05 <SEP> 10,
<SEP> 3 <SEP>
<tb> 8-----12, <SEP> 2 <SEP>
<tb>
Die Kolloide wurden in Dieselöl dispergiert und in Wasser emulgiert. KE = kein Ergebnis. Die in den Beispielen verwendeten Kolloide waren (1) Methacrylpolymerisat, (2) Polyisobutylen, (3) Dimethylpolysiloxan, (4) in Öl dispergierbarer Bentonit, (5) in Öl dispergierbarer Lignit, (6) Russ und (7) geblasener Asphalt. In Beispiel 8 wurde nur Wasser verwendet. Die erreichten Bohrgeschwindigkeiten beziehen sich auf eine Versuchsbohrmaschine mit 90,7 kg Druckbelastung des Bohrers, 60 Umdr/min des Bohrers und 30,3 1 Umwälzung/min. Der Niederhaltedruck für gewöhnliche Schlämme variiert von 4, 9 bis 7,0 kg/cm2 oder mehr.
Aus Tabelle A ist ersichtlich, dass ein erfindungsgemässer Kolloidemulsionsschlamm unter Verwendung von verschiedenen in Öl dispergierten Kolloiden hergestellt werden kann, wobei die erhaltenen Schlämme sowohl annehmbare Filtrierverluste, d. h. von weniger als 10 ml gemäss API, als auch relativ niedrige Niederhaltedrücke und Bohrgeschwindigkeiten aufweisen, die an jene bei alleiniger Verwendung von Wasser als Bohrflüssigkeit herankommen.
In einer andern Reihe von Bohrversuchen gemäss Tabelle B wurden mehrere verschiedene Bohrflüssigkeiten gemäss der Erfindung mit mehreren bekannten Bohrschlämmen und mit Wasser verglichen. Sämtliche Bohrversuche wurden nahe beieinander in dem gleichen Sandsteinblock durchgeführt. Es ist ersichtlich, dass die Kolloidemulsionen in den Beispielen 4,5 und 6 einen geringeren Niederhaltedruck als die üblichen Schlämme gemäss den Beispielen 1, 2 und 3 aufweisen, wogegen die Bohrgeschwindigkeit bei den Kolloidemulsionsschlämmen ungefähr doppelt so hoch wie bei bekanntem Schlamm war.
Tabelle B :
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<tb>
<tb> - <SEP> ¯. <SEP> ¯Niederhaltedruck <SEP> Bohrgeschwindigkeit
<tb> kg/cm2 <SEP> m/h <SEP>
<tb> 1. <SEP> Tonschlamm <SEP> 1, <SEP> 15 <SEP> kg/l <SEP> 5,81 <SEP> 3, <SEP> 96 <SEP>
<tb> 2. <SEP> Milchemulsion, <SEP> 0,5 <SEP> Guar-Harz <SEP> 4,48 <SEP> 5,48
<tb> 3. <SEP> Milchemulsion, <SEP> 2% <SEP> vorhydrolysierte
<tb> Stärke, <SEP> 5% <SEP> Dieselöl,
<tb> 0, <SEP> 25% <SEP> Emulgator <SEP> 3,01 <SEP> 6
<tb> 4. <SEP> Emulsion, <SEP> 2, <SEP> 5% <SEP> geblasener <SEP> Asphalt,
<tb> 2, <SEP> 50/0 <SEP> Dieselöl, <SEP> 0, <SEP> 5% <SEP> Emulgator <SEP> 2,03 <SEP> 10,67
<tb> 5. <SEP> Emulsion, <SEP> 1, <SEP> 00/0 <SEP> geblasener <SEP> Asphalt,
<tb> 4% <SEP> Dieselöl, <SEP> 0,25% <SEP> Emulgator <SEP> 1,54 <SEP> 12,2
<tb> 6.
<SEP> Emulsion, <SEP> 2, <SEP> 5% <SEP> geblasener <SEP> Asphalt,
<tb> 7, <SEP> 5% <SEP> Dieselöl, <SEP> 0, <SEP> 5% <SEP> Emulgator <SEP> 1,12 <SEP> 13,1
<tb> 7. <SEP> Wasser <SEP> 0 <SEP> 25, <SEP> 3
<tb>
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Als Emulgator wurde ein nichtionisches Polyoxyäthylenpolymerisat (Atlosol S, hergestellt von der Atlas Powder Co.) benutzt. Der Bohrgeschwindigkeitsversuch erfolgte bei 100 Umdr/min mit 907 kg
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eine Karbonatgesteinsschicht von einem Bohrloch durchsetzt, wobei eine erfindungsgemässe Bohremulsion mit Asphalt als Kolloid benutzt wurde, der bis zu 1 kg/l Calciumchlorid zur Beschwerung der Flüssigkeit zugesetzt worden war.
Bei Verwendung dieser Kolloidemulsion war die Bohrgeschwindigkeit ungefähr doppelt so hoch wie in einem benachbarten Bohrloch, in welchem ein Kalkschlamm mit niedrigem Feststoffgehalt benutzt wurde. In einem andern Ölfeld wurde ein Kolloidemulsionsschlamm in drei Bohrlöchern untersucht, wobei die Bohrgeschwindigkeiten um 450 höher waren als im Falle der vorher auf dem gleichen Feld am schnellsten gebohrten Bohrlöcher. Die durchschnittliche Meterleistung je Bohrer wurde ebenfalls um 110 gesteigert.
Bei der Beschwerung der erfindungsgemässen Bohremulsionen mittels löslicher Salze können verschiedeneEmulgatoren verwendet werden, die sich zur Bildung einer Emulsion aus Öl und Wasser eignen.
In der folgenden Tabelle C sind derartige Emulgatoren angegeben, die unter variierenden Bedingungen verwendet werden können.
Tabelle C :
EMI5.2
<tb>
<tb> Atlosol <SEP> S <SEP> (polyoxyäthylierter <SEP> Sorbitantallölester)
<tb> DME <SEP> (polyoxyäthyliertes <SEP> Phenol)
<tb> CPB <SEP> (Cetylpyridiniumbromid)
<tb> Arquad <SEP> 12-50 <SEP> (monoalkyliertes <SEP> quaternäres <SEP> Amin)
<tb> Arquad <SEP> 18-50 <SEP> (monoalkyliertes <SEP> quaternäres <SEP> Amin)
<tb> Ethoquad <SEP> 0/20 <SEP> (äthoxyliertes <SEP> quaternäres <SEP> Amin)
<tb> Redicote <SEP> E <SEP> + <SEP> E <SEP> (Amine <SEP> + <SEP> Äthoxyphenol)
<tb> Actinol <SEP> P <SEP> (Tallöl <SEP> + <SEP> Na <SEP> OH) <SEP>
<tb> Sunaptic <SEP> C <SEP> (Naphthensäure <SEP> + <SEP> NaOH)
<tb> Triton <SEP> X <SEP> 171 <SEP> (Alkarylpolyätheralkohol)
<tb> Lecithin
<tb> Seecomul <SEP> (Harz <SEP> + <SEP> Fettsäureseife)
<tb> Pluronic <SEP> L <SEP> 661 <SEP> (Polyoxyäthylenpolypropylen)
<tb> Metall-Lignosulfonate <SEP> + <SEP> NaOH
<tb> Ca-Lignosulfonat <SEP> + <SEP> NaOH <SEP>
<tb> Carbonox <SEP> (Lignit) <SEP> + <SEP> NaOH <SEP>
<tb> White <SEP> Magie <SEP> (Lignit) <SEP> + <SEP> NaOH
<tb> Quebracho <SEP> + <SEP> NaOH
<tb>
Die ersten sieben Emulgatoren der Tabelle zeigten bei Verwendung in erfindungsgemässen Asphaltemulsionen, denen zum Zwecke einer Beschwerung Natriumchlorid oder Calciumchlorid in einer Menge von 10/0 bis zur Sättigung zugesetzt wurde, eine gute bis ausgezeichnete Temperaturbeständigkeit, in einigen Fällen bis zu 2040C. Sämtliche Emulgatoren besassen bei hoher Temperatur und niedriger Natriumchloridkonzentration eine gute Temperaturbeständigkeit.
In mit Asphalt hergestellten Kolloidemulsionen wurden die besten Ergebnisse erzielt, wenn der PH- Wert der Asphaltemulsion in einem Bereich von 7 bis 10 gehalten wurde. Mit Ausnahme der Verwendung von Metalligninsulfonaten als Emulgatoren bei Natriumchloridemulsionen sollte der PH- Wert der Emulsion auf mindestens 10 erhöht werden.
Von den für die Herstellung von Emulsionen verwendbaren Kolloiden wird Asphalt bevorzugt, weil dieses in Öl dispergierbare Kolloid nicht nur die erforderlichen Eigenschaften aufweist, sondern auch billig und leicht erhältlich ist. Darüber hinaus ist es in aromatischen Ölen leicht löslich, was für die Fertigstellung eines Bohrloches von grossem Vorteil ist. Die besten Emulsionen im Hinblick auf die Filtrierverlustkontrolle wurden durch Dispergieren von verschiedenenAsphaltarten in einem geeigneten Öl, wie Dieselöl, erhalten. Es sind auch verschiedene handelsübliche Mischungen geeignet, die im allgemeinen eine 50/50-Dispersion von geblasenemAsphalt und Dieselöl mit einem Anilinpunkt von 600C sind.
Auch Raffinationsasphalte, wie solche zum Aufbringen einer Asphaltschicht, ergeben beim Dispergieren in
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Dieselöl zufriedenstellende Emulsionen. Ebenfalls befriedigende Asphaltemulsionen wurden aus schwerem asphalthaltigem Rohöl hergestellt. Recht gute Emulsionen wurden aus Ventura- und Coalinga-Roh- ölen und ausgezeichnete Emulsionen aus Athabasca-Teeröl gewonnen. Einige Rohöle besitzen den Vorteil, dass sie durch Zugabe von Natriumhydroxyd, das mit den Naphthensäuren des Rohöls Natriumnaph- thenat bildet, mit Wasser unter Bildung einer Bohremulsion emulgiert werden können. Die Asphaltmenge in der Ölphase kann von 50 bis 100% variieren.
Die Asphaltemulsionen weisen die ungewöhnlichen Eigenschaften bezüglich der Filtrationsgeschwindigkeit bei niedriger und bei höherer Temperatur auf.
Die Asphaltemulsionen bilden ausserordentlich dünne Filterkuchen, wobei praktisch kein Eindringen des Asphalts in die Gesteinsporen erfolgt. Mikrobilder von der Oberfläche des Gesteins zeigen, dass Asphalt aus einer Kolloidemulsion weder auf Berea-Sandstein noch auf Indiana-Kalkstein einen kontinuierlichen Belag bildete, sondern Ablagerungen in den Oberflächenporen zwischen den Körnern ergab, so dass die Matrix in starkem Masse freilag. Dies ist ein bedeutender Vorteil bei der Säurebehandlung von Karbonatgestein.
Der Mechanismus der Kuchenbildung ist bei Asphaltemulsionen der gleiche wie bei gewöhnlichen Schlämmen. An den an den Verengungen der Oberflächenporen gebildeten "Brücken" findet ein Ausfiltrieren der Asphaltkolloide statt. Der niedrige Gehalt an brückenbildenden Feststoffen und die niedrige Permeabilität des Asphalts für Wasser führt zur Bildung eines dichten kompakten Kuchens an den engeren Stellen in Strömungskanälen, wo die Strömungsquerschnittsfläche am kleinsten ist. Die Kombination dieser Faktoren bedingt die sehr niedrige Filtriergeschwindigkeit. Die Ergebnisse von Bohrversuchen zeigen, dass mit Asphaltemulsionen höhere Bohrgeschwindigkeiten als mit allen andern Bohrflüssigkeiten erreicht werden können.
In einem Ölfeldversuch wurde eineKolloidbohrflüssigkeit verwendet, in der das 50/50-Gemisch von in Dieselöl dispergiertem Asphalt von 2 bis 5% und der Anteil des Emulgators (Atlosol S) von 0, 5 bis zu 0, 75% variierte, wobei 20% Calciumchlorid vorhanden waren, so dass 1 kg/l Schlamm mit einer Trichterviskosität von 28 sec, einem 30 min-Wasserverlust gemäss API von 8 sec und einem Feststoffgehalt von weniger als l% vorlag. Die durchschnittliche Bohrgeschwindigkeit betrug 26, 8 m pro Tag, was fast der mit reinem Wasser in einem benachbarten Bohrloch erreichten Geschwindigkeit entsprach. Bei Verwendung von gewöhnlichem Kalkschlamm in dem benachbarten Bohrloch betrug die Durchschnittsgeschwindigkeit nur 15,25 m pro Tag.
Ausserdem war die Verwendungsdauer des Bohrers in dem Bohrloch, in welchem die Asphaltemulsion benutzt wurde, nahezu doppelt so gross.
Beim Durchbohren harter Gesteinsschichten zeigte sich, dass der Feststoffgehalt des erfindungsgemässen Kolloidemulsionsschlammes durch bekannte Mittel leicht auf 0, 5 oder l% vermindert werden kann, so dass der Schlamm, wenn er erneut in das Bohrloch gepumpt wird, im allgemeinen bis zu 1% und nie mehr als 2% Feststoffe enthält. Vergleichsweise bleiben 3-10% Feststoffe in dem gebräuchlichen Schlamm zurück, der in bekannten Schlammsystemen erneut in das Bohrloch eingeleitet wird.
Die verwendete Asphaltemulsion ergibt nur sehr wenig Kuchenbildung ; ausserdem ist dieser Kuchen in vielen Rohölen löslich oder kann durch Auswaschen mit einem aromatischen Lösungsmittel entfernt werden.
Asphaltemulsionen der erfindungsgemässen Art wurden bisher für das Durchbohren von Gesteinsschichten mit wesentlichen Schiefer-und Tonanteilen als ungeeignet angesehen. Wurden jedoch Asphaltemulsionsbohrflüssigkeiten gemäss der Erfindung unter Verwendung von kationischen Emulgatoren hergestellt und im Laboratoriumsversuch mit Schieferbohrabfällen verunreinigt, dann war das Bohrklein in sämtlichen Fällen mit Asphalt beschichtet, wobei ein ausgezeichneter Schutz gegen Dispersion oder Zerfall erreicht wurde.
Ausser der Verwendung von etwa 0, 1 bis 1, 0% eines Emulgators in Form eines organischen, kationischen, kolloiden, die Ablagerung einleitenden Mittels erwies es sich bei der Herstellung der erfindungsgemässen Asphaltemulsionsbohrflüssigkeiten in vielen Fällen als erwünscht, etwa 0, 1-1, 0% eines kolloiden, die Ablagerung verzögernden Mittels zuzusetzen, das vorzugsweise nichtionisch ist und dazu dient, die Ablagerung von geblasenem Asphalt auf Schiefer zu verzögern. Ein solches Mittel ist z. B. das unter dem Handelsnamen Redicote E 12 erhältliche Produkt der Firma Armour Industrial Chemical Company.
Dieses Mittel ist ein durch Umsetzung eines Alkylphenols, wie Octyl- oder Nonylphenol, mit 2 - 16 Mol Alkylenoxyd, wie Äthylen- und/oder Propylenoxyd, erzeugter, vorzugsweise wasserlöslicher Alkylphenoxypolyalkylenglykol, dem gewünschtenfalls noch kleine Mengen anderer Amine als Antioxydantien und Korrosionsschutzmittel zugesetzt sein können.
Ein guter organischer kationischer Emulgator bzw. kolloides, die Ablagerung einleitendes Mittel für die Herstellung von erfindungsgemässen Asphalt-Öl-in-Wasser-Emulsionen, die in Verbindung mit
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dem nichtionischen, die Ablagerung verzögernden Mittel Redicote E 12 verwendet werden können, ist eine unter dem Namen Redicote E 11 von der Firma Armour Industrial Chemical Company hergestellte Emulsion. Dieses Produkt ist ein Chloridsalz einer quaternären Ammoniumverbindung auf Basis von Te- traalkylammoniumhalogeniden, das z. B. in Isopropylalkohol gelöst werden kann, was zur leichteren Handhabung, Lösung und Emulgierung in dem Gemisch aus geblasenem Asphalt-Öl und in Wasser dient.
Der kationische Emulgator eignet sich nicht nur zum Emulgieren der Phase aus geblasenem Asphalt-Öl in Wasser unter Bildung einer temperaturbeständigen und gegenüber Schiefer beständigen Emulsion, sondern fördert zusätzlich die Ausbreitung des geblasenenAsphalts auf dem Schiefergestein oder dem Bohrmehl. Diese Wirkung ist offenbar darauf zurückzuführen, dass die quaternäre Ammoniumverbindung zur Adsorption auf Ton- oder Schieferoberflächen und dazu neigt, dieselben vorzugsweise mit Öl zu benetzen.
Optimale Bedingungen liegen, wie Untersuchungen gezeigt haben, beispielsweise dann vor, wenn 1 Teil des kationischen Emulgators bzw. des die Ablagerung einleitenden Mittels auf 10 Teile der Ölphase (geblasener Asphalt-Öl) in einer Öl-in-Wasser-Bohremulsion verwendet werden. Bei dieser Zusammensetzung lag ein Volumenverhältnis des Emulgators zu dem die Ablagerung verzögernden Mittel von 5 : 1 vor. Gute Emulsionen wurden bei Anwendung eines Verhältnisses von 1 Teil Emulgator auf 5 - 20 Teile Asphalt-Öl hergestellt, wobei die letztgenannte Komponente im allgemeinen ein 50/50 - Gemisch von geblasenem Asphalt und Dieselöl war. Das Verhältnis des Emulgators bzw. des die Asphaltablagerung einleitenden Mittels zu dem die Ablagerung verzögernden Mittel kann von 10 : 1 bis 1 : 1 variieren.
Es ist klar, dass das jeweilige Verhältnis des die Ablagerung einleitenden Mittels zu dem die Ablagerung verzögernden Mittel je nach der Geschwindigkeit und dem Ausmass der Asphaltablagerung auf den Schieferbohrteilen variieren kann, wobei diese Geschwindigkeit von verschiedenen Faktoren, wie Temperatur, Menge des Schiefers in bezug auf die Ölphase. Zerfallgeschwindigkeit der jeweiligen Schiefersorte, Art der Salze und deren Konzentration, sowie von weiteren beim Bohren angetroffenen Bedingungen abhängt.
Die stärkstenAsphaltüberzüge auf Schiefer werden unter sonst gleichen Bedingungen in Abwesenheit von Salz in der Bohremulsion erreicht. Die Dicke des Asphaltüberzuges nimmt mit zunehmender Salzkonzentration ab. Da jedoch die Bohrabfälle wegen des schützenden Einflusses der gelösten Salze in Salzlaugenemulsionen besser erhalten bleiben, wird dadurch der dünne Asphaltüberzug auf dem Schiefer mehr als kompensiert.
Eine höhere Bohrtemperatur hat eine raschere Ablagerung des Asphalts auf Schieferbohrabfällen zur Folge, so dass dann zur Verminderung dieser schnellen Ablagerung eine höhere Menge des die Ablagerung verzögernden Mittels benötigt wird. Gute Hochtemperatur-Bohrflüssigkeiten können unter Anwendung eines Verhältnisses des die Asphaltablagerung einleitenden Mittels zu dem die Ablagerung verzögernden Mittel von l : l hergestellt werden, doch wird bei sehr hoher Temperatur und bei hoher Salzkonzen- tration eine geringere Menge des die Ablagerung verzögernden Mittels benötigt.
Bei einem Verhältnis von die Asphaltablagerung einleitendem zu diese Ablagerung verzögerndem Mittel von 5 : 1 wurde eine gute Beständigkeit der Emulsionen bei einer Temperatur von über 1320C beobachtet, wenn 15% Natriumchlorid vorhanden waren oder wenn die Emulsion mit Natriumchlorid gesättigt war.
Es ist zu beachten, dass bei der Herstellung der erfindungsgemässen Emulsionen das die Ablagerung verzögernde Mittel auch ein Emulgator sein kann. Es hat sich gezeigt, dass mit Redicote E 12 allein hergestellte Emulsionen ungefähr den gleichen API-Filtrierverlust wie eine gleichartige, aber mit Redicote E 11 allein hergestellte Emulsion ergeben. Die Vereinigung der beiden war noch etwas wirksamer als eine gleiche Menge der beiden getrennt. Insbesondere ergab der Zusatz einer geringen Menge Redicote E 12 zu einer Redicote E 11-Emulsion eine unverhältnismässig starke Herabsetzung des Filtrierverlustes. Der API-Filtrierverlust kann durch Erhöhung der Konzentration von Redicote E 11 und E 12 in konstantem Verhältnis, bis das gesamte Volumen der beiden ungefähr 10% des Volumens der Ölphase beträgt, herabgesetzt werden.
So ergab eine erfindungsgemässe Bohremulsion mit einem Gehalt von ungefähr 1, 25% Dieselöl und 1, 25% geblasenem Asphalt zusammen mit Natriumchlorid als Beschwerungsmittel und jeweils 0, 25% Redicote E 11 und E 12 einen API-Filtrierverlust von 8 ml. Entsprechende Calciumchloridemulsionen zeigten einen Filtrierverlust von nur 3 ml. Eine höhere Konzentration von Öl und Asphalt ergab nur einen geringfügig niedrigeren Filtrierverlust.
Erfindungsgemäss unter Verwendung von Redicote E 11 und Redicote E 12 in Asphaltemulsionen hergestellte Bohremulsionen sind gleichermassen wirksam, ob die Bohrflüssigkeit sauer oder basisch ist. Es konnte hinsichtlich des Filtrierverlustes, der Emulsionsbeständigkeit bei erhöhter Temperatur oder des Beschichtungsvermögens für Schiefergestein kein Unterschied zwischen Emulsionen mit einem hohen
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oder niedrigen pH-Wert (etwa 8, 5-5, 8) festgestellt werden. Bei allen vorgenannten Verhältniswerten ist bei den Gewichten von Redicote E 11 und E 12 jeweils ein Gehalt von 15% Isopropanol zu berücksichtigen.
Der API-Filtrierverlust der erfindungsgemäss benutzten Bohremulsion soll ungefähr 10 ml sein, wenn die Emulsion mit 0, 5-2 Gew.-% festen organischen Teilchen eines Grössenbereiches von 2 bis 10 J1 vermischt wird.
Beim Entfernen des Bohrkleins aus der Bohremulsion, ehe diese in das Bohrloch zurückgepumpt wird, kann Emulgator und/oder in Öl dispergiertes Kolloid verlorengehen. Vorteilhaft kann dann eine weitere Menge des in Öl dispergierten Kolloids und/oder eine weitere Menge eines Emulgators der Emulsion zugesetzt werden, bevor sie erneut in das Bohrloch eingeleitet wird. Diese weiteren Mengen können der Emulsion auf diskontinuierliche Weise zugesetzt werden. Dabei kann das Kolloid zusammen mit Emulgator in einer ausreichenden Menge Wasser emulgiert werden, so dass eine konzentrierte Öl-in-WasserEmulsion mit dem Kolloid in der Ölphase entsteht.
PATENTANSPRÜCHE :
1. Verfahren zum Bohren eines Bohrloches in unterirdischen Formationen, wobei ein Bohrer auf dem Boden des Bohrloches unter Bildung von Bohrklein in Drehung versetzt und eine wässerige Bohrflüssigkeit, in welcher Öl emulgiert ist, durch den Bohrer und das Bohrloch geleitet wird, dadurch gekennzeichnet, dass in dem in der wässerigen Flüssigkeit emulgierten Öl ein Kolloid dispergiert ist.