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Die Erfindung bezieht sich auf Prozesse der Bereitung von Spülungen, Trüben und Suspensionen, insbesondere auf Verfahren zur Überwachung des Prozesses der Dispergierung von Bohrspülungen.
Besonders zweckmässig wendet man die Erfindung in der Erdöl- und Gasindustrie bei der Bereitung von Bohrspülungen an.
Der Prozess der Dispergierung der festen Phase ist eine wichtige technologische Operation, von der die Qualität der bereiteten Bohrspülung weitgehend abhängt. Die Dispergierung der festen Phase macht es möglich, den Verbrauch an Tonmaterialien durch die Erhöhung der Ausbeute an Spülung, bezogen auf die eingesetzte Tonpulvermenge, zu senken. Die Senkung der Gesamtmenge an fester Phase in der Spülung unter Beibehalten des Kolloiditätsgrades bewirkt eine Erhöhung der mechanischen Bohrgeschwindigkeit.
Die Dispergierung wird angewendet bei der Bereitung von Bohrspülungen vorzugsweise auf Tonbasis, besonders in den Fällen, wenn die eingesetzten Tonpulver einen niedrigen Kolloiditätsgrad aufweisen.
Die Dispergierung der festen Phase in der flüssigen wird durch physikalisch-chemische Ver- änderungen begleitet, die den Zustand und die Eigenschaften sowohl der festen als auch der flüssigen Phase beeinflussen. Ein Mass für die Qualität der Dispergierung ist der Zerkleinerungsgrad der festen Phase, gekennzeichnet durch die teilweise Konzentration derselben in der Spülung.
Es ist bekannt, dass besonders wirksame Tonteilchen bei der Strukturbildung der Bohrspülung Teilchen mit einer Grösse von 5 11m und weniger sind. Der Prozess der Dispergierung besteht in der Überführung eines grossen Volumens der festen Phase in weniger als 5 11m grosse kolloide Teilchen.
Bei der Bildung der Koagulationsstruktur aber spielt nicht nur die Grösse der kolloiden Teilchen sondern auch deren Menge, d. h. die Grösse der teilweisen Konzentration eine Rolle. In der Tat macht es die geringe Menge der festen kolloiden Teilchen für sie nicht möglich, eine feste Koagulationsstruktur zu bilden, während ein Überschuss an diesen zu einem starken Anwachsen der statischen Schubspannung, Anwachsen des Strömungswiderstandes der Spülung führen kann, was die mechanische Bohrgeschwindigkeit senkt und die Bedingungen der Reinigung einer solchen Spülung von dem Schlamm verschlechtert. Die optimale Grösse der teilweisen Konzentration der festen Phase in der Spülung aber ist verschieden und hängt vom Tontyp ab.
Somit ist die Grösse der teilweisen Konzentration eines der Hauptparameter, die den Zustand des Prozesses der Dispergierung der festen Phase der Bohrspülung kennzeichnen.
Bekannt ist ein Verfahren zur Überwachung des Prozesses der Dispergierung von Bohrspülungen durch Messung der elektrischen Parameter der Bohrspülung. Das Wesen des Verfahrens besteht darin, dass bei der Bewegung der Tonteilchen zusammen mit der Flüssigkeit und ihrer Wanderung gegenüber der Flüssigkeit zwischen den in verschiedenen Punkten des Flüssigkeitsstromes angeordneten Elektroden eine Potentialdifferenz entsteht.
Diese Erscheinung, die man als elektrokinetische Erscheinung bezeichnet hat, entsteht dadurch, dass an der Kontaktstelle des festen Teilchens mit der Flüssigkeit eine elektrische Doppelschicht besteht, wobei das feste Teilchen und die Flüssigkeit bestimmte Ladungen aufweisen.
Die Veränderung des elektrokinetischen Potentials in dem Strom der Spülung kommt zustande infolge der Veränderung der Grösse der Konzentration der Teilchen der festen Phase. Je höher die Konzentration der Teilchen in der Flüssigkeit ist, desto höher ist das elektrokinetische Potential, weil die Potentialdifferenz von der Grösse der durch die Teilchen an die Elektroden des Messgerätes übertragenen Ladung abhängt, und je grösser die Anzahl dieser Teilchen ist, desto höher ist die Potentialdifferenz.
Somit bestimmt man durch die Veränderung der elektrischen Parameter der Bohrspülung, insbesondere des elektrokinetischen Potentials den Zerkleinerungsgrad der festen Phase, woraus auf den Dispergierungsprozess geschlossen wird.
Das bekannte Verfahren macht es möglich, die Voränderung der festen Phase zu überwachen, gestattet es jedoch nicht, den Prozess der Dispergierung der Bohrspülung kontinuierlich zu überwachen und die Abschlussetappe des Prozesses der Zerkleinerung der festen Phase im Prozess deren Dispergierung zu bestimmen, wodurch es unmöglich wird, die Bereitung der Spülung unter optimalen
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Bedingungen durchzuführen. Ausserdem erfordert es das bekannte Verfahren, ein System von Elek- troden mit Registrierapparatur anzuwenden, diese zu montieren, einzurichten und zu warten, was einen zusätzlichen Aufwand an Arbeit und Energie zur Folge hat.
Besonders nahestehend ist ein Verfahren zur Überwachung des Prozesses der Dispergierung der Bohrspülung durch Messung der Konzentration der festen Phase mit Hilfe eines Schwingungs- gebers, der aus einem Schwingungserreger in Form eines mechanischen Schwingungswandlers und eines empfindlichen Elementes in Gestalt eines Netzrahmens besteht, dessen Fläche perpendikulär zu der Schwingungsrichtung orientiert ist. Der Netzrahmen des Schwingungsgebers ist mit dem
Schwingungserreger starr verbunden und mit seiner Fläche perpendikulär zur Bewegung des Stromes der Bohrspülung getaucht. Beim Vorliegen in der Spülung von Teilchen der festen Phase, deren
Abmessungen grösser als die Abmessungen der Öffnungen in dem Netzrahmen sind, werden die Ma- schen des Netzes von diesen Teilchen überdeckt und der Stirnwiderstand des empfindlichen Elemen- tes wächst stark an.
Je grösser die Konzentration der Teilchen der festen Phase in der Spülung ist, desto grösser ist der Stirnwiderstand des Netzes, was zu einer Verringerung der Schwingung- amplitude des empfindlichen Elementes führt. Nach der Veränderung der Grösse der Schwingungs- amplitude des empfindlichen Elementes urteilt man über die Veränderung der teilweisen Konzentration der festen Phase in der flüssigen. Je grösser die teilweise Konzentration in der Spülung ist, desto höher ist der Dispersitätsgrad.
Somit kann nach der Veränderung der Grösse der Schwingungsamplitude des empfindlichen Elementes über die Veränderung der Konzentration der festen Phase in der flüssigen Phase geurteilt werden. Jedoch macht es das bekannte Verfahren ebenfalls nicht möglich, den Prozess der Dispergierung der Bohrspülung kontinuierlich zu überwachen, ermöglicht nicht die Wahl optimaler Dispergierdauer der Spülung besonders bei der Verwendung als feste Phase einer Spülung von Tonen verschiedener mineralogischer Zusammensetzung, die unterschiedliche ursprüngliche Festigkeit der festen Tonteilchen aufweisen. Tone verschiedener Typen weisen verschiedenen Kolloiditätsgrad auf, weshalb die vorgegebene Grösse der zu zerkleinernden Teilchen verschiedenen Wert aufweist.
Somit muss bei der Anwendung des bekannten Verfahrens bei der Dispergierung jedes andern Tontyps das empfindliche Element auswechseln und dabei einen entsprechenden Netzrahmen mit verschiedenen Abmessungen der Öffnungen in dem Netz wählen. Das führt zu der Notwendigkeit, den Prozess der Dispergierung periodisch zu unterbrechen und alle Betriebsdaten des Dispergierapparates neu einzustellen, was zu nichtvertretbarem Arbeits- und Energieaufwand und zur Senkung der Leistung des Dispergierapparates führt. Die Durchführung der Dispergierung unter nicht optimalen Bedingungen führt entweder zu einer übermässigen Zerkleinerung der festen Phase in der flüssigen, was einen Mehraufwand an Energie zur Folge hat, oder zu ungenügender Zerkleinerung grober und besonders fester Teilchen, wodurch die Bohrspülung instabil und deren Qualität verschlechtert wird.
Der Erfindung wurde die Aufgabe zugrundegelegt, ein Verfahren zur Überwachung des Prozesses der Dispergierung von Bohrspülungen zu entwickeln, welches es möglich macht, unter kontinuierlicher Messung eines der Parameter, die die Qualität der Spülung kennzeichnen, den Dispergierungsprozess kontinuierlich zu überwachen.
Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, dass man in dem Verfahren zur Überwachung des Prozesses der Dispergierung von Bohrspülungen, das in der Messung der teilweisen Konzentration der festen Phase besteht, gemäss der Erfindung die teilweise Konzentration nach der Veränderung des Mineralisationsgrades der Spülung kontinuierlich gemessen im Prozess der Dispergierung bis zu seiner Stabilisierung, bestimmt, nach dem Anwachsen des Mineralisationsgrades auf das Anwachsen der teilweisen Konzentration der festen Phase schliesst und nach der Stabilisierung des Mineralisationsgrades der Lösung die maximale Grösse der teilweisen Konzentration der festen Phase feststellt.
Dadurch wird es möglich, den Prozess der Dispergierung der festen Phase unter optimalen Bedingungen vorzunehmen, d. h. eine optimale Dispergierzeit zu wählen.
All das macht es im Endergebnis möglich, den Energieaufwand zu senken und die Qualität der Bohrspülung durch optimale Bedingungen der Dispergierung und vollständige Zerkleinerung der festen Teilchen bis zur kolloiden Grösse zu erhöhen.
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Die Erfindung wird an Hand einer ausführlichen Beschreibung eines Beispiels für seine Durchführung und Zeichnungen näher erläutert, in denen zeigen : Fig. l Schema, der Realisierung des erfindungsgemässen Verfahrens ; Fig. 2 Kurve (I) der Veränderung des Mineralisationsgrades einer Bohrspülung, bereitet aus Tonpulver mit 20% niger üblicher Konzentration nach dem Gewicht, und Kurve (II) der Veränderung der teilweisen Konzentration.
Es ist bekannt, dass die Tone Kalium-, Calcium-, Natriumionen enthalten, die sich bei der Vereinigung mit Wasser in diesem zum Teil auflösen und dadurch den Mineralisationsgrad der Spülung erhöhen. So weisen beispielsweise der Montmorilonit, die Hydroglimmertone folgende chemische Zusammensetzung (in %) auf :
EMI3.1
6Na20 0,38 bis 2, 85 ; Fe, 03 2,0 bis 14,61.
Wie aus der chemischen Zusammensetzung der Tone zu ersehen ist, machen ein recht hohes
Prozent die Erdalkalimetalle aus.
Bei aktiver dispergierender Einwirkung auf die feste Phase werden die Teilchen zu kleineren zerstückelt, die neue Oberflächen an den Bruchstellen entblössen. Die sich an den Oberflächen befindenden Erdalkalimetalle vereinigen sich mit Wasser, lösen sich in diesem auf und erhöhen den Mineralisationsgrad der Spülung. Je stärker also die festen Teilchen der Tone zerkleinert werden, desto höher ist die teilweise Konzentration der festen Phase in der Spülung und desto höher der Mineralisationsgrad der Spülung.
Gewöhnlich wird die Wasser-Ton-Suspension auf einem Dispergator-l- (Fig. l), beispielsweise auf einem breit bekannten Rotor-Pulsations-Dispergator, behandelt, der einen zylindrischen Rotor und einen zylindrischen Stator darstellt, die in einem Gehäuse untergebracht und gleichachsig angeordnet sind (in den Zeichnungen nicht angedeutet). Der Rotor und der Stator weisen Schlitze und Ansätze auf. Die Zerkleinerung der festen Phase in einem solchen Dispergator geschieht durch das Zustandekommen von Kavitationserscheinungen in dem pulsierenden Flüssigkeitsstrom, der durch die Schlitze des Stators hindurchtritt, die von den Ansätzen periodisch überdeckt werden.
Die Dispergierung wird durchgeführt, bis der grösste Teil der festen Phase der Spülung in die kolloide Phase übergegangen ist, d. h. bis zur Erzielung einer Teilchengrösse von weniger als 5 11m.
Jedoch besitzen verschiedene Tontypen unterschiedliche Festigkeit der einzelnen Teilchen, wodurch unter sonst gleichen Bedingungen (Leistung des Dispergators, Volumenkonzentration der festen Phase in der Spülung und Intensität der dispergierenden Einwirkung) die Optimierung des Dispergierprozesses von der Dauer der Behandlung der Trübe abhängt. Die fehlende Überwachung der Veränderung der Grösse der teilweisen Konzentration der festen Phase im Prozess der Dispergierung macht es jedoch nicht möglich, den Prozess der Dispergierung kontinuierlich zu überwachen, insbesondere eine optimale Dauer der Dispergierung für verschiedene Tontypen zu wählen.
Dazu ist in einem Aufnahmebehälter --2-- ein Geber --3-- zur Überwachung der Mineralisation der Bohrspülung angeordnet, der an eine Stromquelle --4-- und ein Registriergerät --5-- angeschlossen ist.
Als Geber --3-- zur Überwachung der Mineralisation der Spülung kann ein beliebiges der wohl bekannten Geräte zur Überwachung der elektrischen Leitfähigkeit der Elektrolyte verwendet werden, der aus zwei Elektroden besteht, die in eine elektrisch leitende Flüssigkeit getaucht und an eine Stromquelle sowie ein Anzeigegerät angeschlossen sind. Je mehr mineralische Komponenten sich in der flüssigen Phase der Spülung beim Dispergieren der festen Phase in der flüssigen auflösen, desto geringer ist der elektrische Widerstand der flüssigen Phase und desto grösser der elektrische Strom zwischen den Elektroden, was von dem Registriergerät --5-- fixiert wird.
Je intensiver also die Dispergierung der festen Phase in der flüssigen vor sich geht, desto höher ist die Mineralisation der flüssigen Phase, was zu einer Abnahme des elektrischen Widerstandes der flüssigen Phase und folglich zum Anwachsen des elektrischen Widerstandes zwischen den Elektroden führt. Nach der Veränderung des elektrischen Stromes zwischen den Elektroden kann die Veränderung des Dispersitätsgrades bestimmt werden.
Die Veränderung des Mineralisationsgrades der Spülung, die infolge der Zerkleinerung der
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festen Phase zustandekommt, kann auch nach andern Verfahren überwacht werden.
Fig. 2 zeigt Kurve (I) der Veränderung des Mineralisationsgrades (C%) einer aus einem Ge- misch von Tonpulver mit 20%iger Volumenkonzentration nach dem Gewicht mit Wasser bereiteten Bohrspülung in Abhängigkeit von der Dispergierdauer der festen Phase und Kurve (11) der Ver- änderung der teilweisen Konzentration (0%) der festen Phase in Abhängigkeit von der Dispergierdauer.
Wie aus den Kurven in Bild 2 folgt, wächst in den ersten ungefähr 2 min der Behandlung der Spülung der Mineralisationsgrad (und die teilweise Konzentration) bedeutend, wonach die Kurve flach wird und dadurch anzeigt, dass der weitere Prozess der Dispergierung nicht optimal ist, weil die Teilchen auf die Grenzfestigkeit zerkleinert wurden. Somit kann die teilweise Konzentration der festen Phase in der Spülung nach der Veränderung des Mineralisationsgrades bestimmt werden, die man im Prozess der Dispergierung kontinuierlich misst, wobei man nach dem Anwachsen des Mineralisationsgrades (der Kurvenabschnitt ab) über das Anwachsen der teilweisen Konzentration und nach der Stabilisierung des Mineralisationsgrades (der Kurvenabschnitt bc) über die maximale Grösse der teilweisen Konzentration urteilt.
Je grösser die teilweise Konzentration in der Spülung ist, desto höher ist der Dispersitätsgrad der Spülung.
Das erfindungsgemässe Verfahren zur Überwachung des Prozesses der Dispergierung von Bohrspülungen gestattet es, den Prozess der Dispergierung der Bohrspülung kontinuierlich zu überwachen und dadurch die optimale Zeitdauer der Dispergierung der festen Phase zu bestimmen unter bedeutender Senkung des Energieaufwandes.
Das oben beschriebene Verfahren ist einfach in der Durchführung und ermöglicht es, die Qualität der Bohrspülungen durch die Erhöhung der Genauigkeit der Überwachung eines der Parameter, u. zw. der teilweisen Konzentration bedeutend zu erhöhen und dabei den Energie- und Materialaufwand sowie den Zeitaufwand für die Bereitung der Bohrspülung durch die rechtzeitige Unterbrechung des Prozesses des Verrührens und der Dispergierung der festen Phase nach den Anzeigen des Gebers der Mineralisation der Spülung bedeutend zu senken. Dadurch wird es möglich, - den Verbrauch an fester Phase um 13 bis 15% zu senken ; - die Leistung der Ausrüstungen zur Dispergierung der festen Phase um 15 bis 20% zu erhöhen ; - den Energieaufwand um 20 bis 25% zu senken ; - den Zeitaufwand für die Durchführung der Operationen um 10 bis 15% zu senken.