DD290700A5 - Verfahren zum schutz von nicht verrohrten bohrlochabschnitten - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Schutz von nicht verrohrten Bohrlochabschnitten beim Zementieren von geologischen Bohrungen und dem ordnungsgemaeszen Setzen von Zementbruecken durch Verwendung von Komplexgelen als Stuetzfluessigkeiten. Die Komplexgele koennen so hergestellt werden, dasz sie pumpfaehig sind und im Bohrloch die ueberraschenden Trageeigenschaften fuer ueberlagerte schwere Zementschlaemmen oder andere schwere Fluessigkeiten aufweisen. Die Komplexgele werden hergestellt, indem Zelluloseether mit anorganischen Metallsalzen vernetzt werden. Die erreichten Netzstrukturen weisen hohe Trageeigenschaften auf und werden in Bewegung schwerverfluessigt. Die Relaxationsprozesse in Ruhe stellen verlorengegangene Brueckenbindungen wieder her.{Verfahren; geologische Bohrungen; Schutz offener Bohrlochabschnitte; Setzen von Zementbruecken; Zementieren; Komplexgel; Zelluloseether; Metallsalze; Stuetzfluessigkeit}

Description

Anwendung der Erfindung

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Schutz von nicht verrohrten Bohrlochabschnitten und der ausreichenden Stützung von Zementschlämmen gegen das Absinken in tiefere Bohrlochabschnitte beim Zementieren von Rohrtouren, Setzen von Zementbrücken und ähnlichen Zementationsarbeiten.

Charakterisierung der bekannten technischen Lösungen

In verrohrten oder unverrohrten geologischen Bohrungen werden zum Zwecke des teufengerechten Einbringens von Zementgemischen unterhalb derselben Stoffe benötigt, die ein Absinken derr Zementgemische in tiefere Bohrlochteile in Folge höherer Dichte verhindern. Um solche Prozesse zu verhindern, werden sedimentierende Feststoffe, wie z. B. Sand oder Flüssigkeitsgemische unterhalb der Zementgemische in die Bohrungen eingebracht.

Das Einbringen von Feststoffen als tragende Auflage für Zementgemische ist eine sehr sichere Methode, um das Durchfallen der schweren Zementschlämme zu verhindern, kann jedoch nur angewendet werden, wenn der Bohrlochabschnitt unterhalb des Zementes relativ klein ist. Anderenfalls sind die Mengen/Kostenverhältnisse zu hoch und ein eventuelles Wiederaufwältigen eines solcherart aufgefüllten langen Bohrlochabschnittes ist, insbesondere nach längeren Zeiten, mit Bohrarbeiten verbunden. In Fällen, bei denen sich unterhalb einer Rohrtour ein für die Förderung, Test oder Injektion vorgesehener offener Bohrlochabschnitt befindet, der nicht mit Feststoffen, auch nicht mit Zementgemischen kontaminiert werden soll, sind sowohl sedimentierende Feststoffe als auch hochviskose mit Feststoffen versehene Flüssigkeiten, wie Bohrspülungen, nicht geeignet diese Bohrlochbereiche vor dem Einfluß der Zementschlämme zu schützen. Werden jedoch, um die o.g. Kontaminationen zu vermeiden, feststofffreie bzw. feststoffarme Flüssigkeiten unterhalb der Zementschlämme verwendet, fallen diese wegen ihrer höheren Dichte durch diese Flüssigkeiten durch, gegebenenfalls bis 2ur Bohrlochsohle oder bis zur vollständigen Vermischung und Ausgleich der Dichten.

Ebenfalls ist die Verwendung von aushärtenden Stützmittelkörpern bekannt, auf die anschließend Zementschlämme zum Zwecke der Bildung von Zementbrücken überschichtet werden. Ein Granulat-Harz-Härter-Gemisch in Suspensionen mit einem Hilfsmedium zum Aufbau solcher Stützkörper wird beispielsweise im WP 148899 beschrieben.

Beim Einsatz von im Bohrloch vernetzenden Stopfonn^aterialien wie in der UK-Patentspecifikation 1451219, wobei eine Reihe von Polymeren wie Polyglykoseharze, Polyvinylalkohole, Polylaktosen und deren Derivate mit Boraten, Antimon- und Chromsalzen vor Ort im Bohrloch vernetzt werden, sind die Geschwindigkeit der Freisetzung der Vernetzersubstanzen und damit der Prozeßgeschwindigkeit für die Vernetzung selbst, von mehreren ungenügend kontrollierbaren Größen, wie dem pH-Wert der Bohrlochflüssigkeit, der Temperatur, der Korngrößen und den Strömungsverhältnissen, abhängig. Da die vernetzten Produkte extrem hohe Viskositäten erreichen (10⁴mPa · s) und die Handhabung nicht sicher ist, kommt es zu Komplikationen oder der Einsatz wird abgelehnt.

Weiterhin sind mechanische Absperreinrichtungen, vorzüglich für den Einsatz im verrohrten Bohrlochabschnitt, bekannt, die durch mechanische oder hydraulische Setzmechanismon eine hermetische Trennung von Bohrlochabschnitten herbeiführen sollen. Diese Einrichtungen wie z.b. Brückenstopfen, sind insbesondere im unverrohrten Bohrlochabschnitt nicht sehr zuverlässig und ihre spätere Beseitigung zum Zwecke der Nutzung des darunter befindlichen Bohrlochabschnittes macht erhebliche Aufwendungen, d. h. Bohr- oder Fräßarbeiten erforderlich, unabhängig, ob sie ihre Aufgabe erfüllt haben oder nicht.

Ziel der Erfindung

Ziel der Erfindung ist es, ein sicheres Verfahren vorzuschlager., dutch das es möglich ist, Zementationsarbeiten rationell ohne Verluste an zementierenden Materialien durchzuführen und Aufwältigungsarbeiten einzusparen.

Darlegung des Wesens der Erfindung

Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren zu entwickeln, durch das es möglich ist, bei Vermeidung von Materialverlusten die Eigenschaften von offenen Bohrlochabschnitten ohne zusätzliche Arbeiten zu erhalten.

Erfindungsgemäß wird ein variables Komplexgel oder dessen Mischungen mit vorwiegend mineralischen Beschwerungsmitteln als ^ct> »flüssigkeit eingesetzt. Die Stützflüssigkeit wird mittels eines in das Bohrloch eingebauten Rohrstranges, dessen Ende sie) ..οι befindet als die Unterkante der nachfolgend einzubringenden Zementschlämme, in ausreichender Menge eingepumpt. Anschließend wird der Rohrstrang ausgebaut oder bis auf das Niveau der späteren Zerr.entbrücke angehoben. Auf diese im erfindungsgemäßen Verfahren verwendeten Stützflüssigkeit kann mit ausreichender Sicherheit die relativ schwerenZementschlämme abgesetzt werden, ohne daß befürchtet werden muß, daß sie aufgrund der Dichteunterschiede von Stützflüssigkeit und Zementschlämme in der ersteren absinkt und damit zu fahlerhaften oder mangelhaften Zementationsarbeiten führt, die darüber hinaus ursächlich zur Schädigung von unverrohr'in Speicherbereichen unterhalb des geplanten Zementationsbereiches führen können, soweit solche zu schützenden Bereichen im Bohrloch aufgeschlossen sind. Das Verfahren zum Zementieren geologischer Bohrungen beruht auf der Anwendung der im weiteren beschriebenen Komplexgele und deren Mischungen, die dem Eindringen anderer Flüssigkeiten infolge der Netzstruktur dieser Komplexgele einen hohen Widerstand entgegensetzen.

Die Komplexgele werden hergestellt, indem Zelluloseether mit anorganischen Metallsalzen vernetzt werden. Durch die Komplexierung von Zßlluloseethern mit Metallionen werden veränderte rheologische Eigenschaften erreicht, die durch die Bildung von Raum-Netzstrukturen zwischen Metallionen und den Carboxyl- bzw. Hydroxylgruppen entstehen. Eine Komponente der Komplexgele für die Stützflüssigkeiten besteht aus Zelluloseethern, wie Carboxymethylzellulose (CMC) Hydroxyethylzellulose (HEC) oder Carboxymethylhydroxyethyl/ellulose (CMHEC). Vorrangig wird aber CMC, d. h. das Natriumsalz der CMC, mit Metallsalzen zu Stützflüssigkeiten eingesetzt.

Die andere Komponente zur Herstellung der Komplexgele als Stützflüssigkeit sind Metallsalze von zwei- bis dreiwertigen Kationen, wie Ca²⁺, Pb²⁺, Cr³⁺, Al³⁺, Fe³⁺, T, O²⁺, Ti⁴⁺, Z + O²⁺ oder Zr⁴⁺. Als Anionen oder Metalle kommen zweckmäßig solche in Betracht, die die Wasserlöslichkeit der Salze ermöglichen, wie Sulfate, Chloride, Nitrate und Acetate. Aus Gründen der Ungiftigkeit, Billigkeit und Zugänglichkeit wird das Aluminium-Ion bevorzugt. Ähnliche Vorzüge bietet das Eisen-Ion. In dieser Erfindung wurden deshalb die Al-Salze in Form von Aluminiumsulfat AI₂(SO₄I₃ χ 18 H₂O, Aluminiumchlorid AICI₃ x 6H₂O und das Kalium-Aluminiumalaun KAI(SO<)j x 12H₂O eingesetzt. Zur Erzielung geeigneter Stützflüssigkeiten für das Verfahren zum Zementieren von geologischen Bohrungen werden zunächst 0,5-8% CMC in Abhängigkeit des Molekulargewichtes, mit Süßwasser vermischt und eine Standzeit von 2 bis 24 Stunden angeschlossen, um ein völliges Ausquellen zu ermöglichen. Getrennt davon wird eine Aluminiumsalzlösung in einer Konzentration von 0,5 bis 15% durch Lösen in Süßwasser hergestellt. Die Komplexierung der beiden Lösungen erfolgt durch Mischen äquivalenter Mengen zueinander. Unter kräftigem Rühren kann die Aluminiumsalzlösung zur CMC-Lösung gepumpt werden.

Es ist vorteilhaft, das erforderliche Volumen der Stützflüssigkeit herzustellen, bevor mit dem Einpumpen in das Bohrloch begonnen wird. Die erforderlichen Volumen betragen in Abhängigkeit vom Bohrlochdurchmesser, der Länge des zu schützenden offenen Bohrlochabschnittes oder einer andersartigen Aufgabenstellung im allgemeinen 5 m³ bis 20 m³. Soll in bestimmten Fällen die Stütztflüssigkeit eine höhere Dichte besitzen, z. B. dann, wenn extrem schwere Zem.ntschlämme verwendet werden, wird nach der durchgeführten Vernetzung des Komplexgels die Beschwerung mit geeigneten Feststoffen, in der Regel mineralischer Herkunft, vorgenommen, indem entweder eine Mischvorrichtung wie etwa ein Mischtrichter mit Mischdüse, oder das Beschwerungsmaterial in den Behälter mit dem gesamten Volumen gegeben wird, der z. B. mit geeigneten Rührwerken ausgerüstet ist. Beispielsweise kann die Beschwerung des Komplexgels mit Sand, Bleistaub, Eisenpulver oder Baryt vorgenommen werden. Für ein Komplexgel mit der Ausgangsdichte von 101 Okg/m³ können damit Dichten der Stützflüssigkeit von 1200kg/m³ bis 2000 kg/m³ erreicht werden.

Die erfindungsgemäßen Komplexgele lassen sich anhand der Messungen im Rotationsviskosimeter mit guter Näherung durch ein pseudoplastisches Fließmodell beschreiben. Die Untersuchungen über den Einfluß der Scherintensität und der Dauer der Scherung auf die scheinbare Viskosität zeigen außerdem, daß es sich um zeitabhängige Flüssigkeiten handelt, die durch die allgemeine Fließgleichung

beschrieben werden können. Die Veränderung der scheinbaren Viskosität mit der Scherintensität und der Dauer ist momentan fallend, so daß im Prozeß des Verpumpens geringe hydraulische Widerstände auftreten und im Zustand der Ruhe überraschend hohe Steifigkeiten mit hohen Stütz- oder Trageeigenschaften vorhanden sind. Mit zwei Komplexgelen auf der Basis von niedrig bis mittelviskoser CMC und Al-Ionen wurde dieser Effekt untersucht. Es wurden unterschiedliche Scherintensitäten unterschiedlicher Dauer angewendet und anschließend die Scherspannungen bei einem Schergefälle von 17Os^-1 bestimmt. Bezugsgröße ist die Scherspannung vor der Scherbelastung.

	Scherspannungen bei 170s"' (Pa)	Typ I	170	1020	Typ Il	170
		510	37	36	510	35
Scherintensität (s"1)	1020	34			35
Ausgangswert	33		34	34		34
Scherdauer (min)		33	33	34	32	34
5	30	32	33	34	30	35
10	31	33	30	33	32	35
15	28	29	22	35	33	35
20	26	24			35
+20min slow-mix	15

Der Typ Il zeigt geringe Schersensibilität und Relaxation bis zum Ausgangszustand des Komplexgeles nach einer Periode

geringer Scherintensität (< 10Os^-1), was die für das Verfahren gewünschten Eigenschaften hoher Trage- und Stützwirkungen nach dem Einpumpvorgang ergibt.

Der erfindungsyemäße Trage- bzw. Stützeffekt ergibt sich insbesondere aus den festgestellten zeitabhängigen Struktureigenschaften, die sich, anders als bei den bekannten Stützmedien, aus dem scherentzähenden Verhalten und der Relaxation der im Scherprozeß gelösten Brückenbindungen im Zustand der Ruhe ergeben. In einem Rotationsviskosimeter wurden nach unterschiedlicher Scherbelastung die Anfangs- (10s") und Zehnminutengelstärken

bei ca. 5s"¹ gemessen, aus deren Vergleich auf die Relaxation dej Vernetzungsvorganges geschlossen werden kann.

	Scherbelastung	Dauer	Anfangs-Zehnminuten-Gelstärken	Pa
Gel-Typ	Intensität	min		60
	β"1	20	Pa	58
5% CMC-Lösung	170	60	19	50
1% AI2(SO4)j	170	120	19	47
Lösung im Verhältnis	170	180	18
65:35	170	15

Beispiel 1

In einem Becherglas werden 70ml einer 6%igen mittelviskosen Na-CMC-Lösung mit einer im Rheotest bei D = 437,4s"¹ und 20⁰C gemessenen Viskosität von 417mPa s, unter Rühren 30ml einer 2%igen Aluminiumsulfatlösung AI₂(SO₄I₃ 18H₂O zugefügt. Nach dem Mischen steigt die Viskosität innerhalb einer Minute auf 544mPa · s.

Beispiel 2 In einem Becherglas werden 65ml einer 5%igen niedrigviskosen Na-CMC-Lösung mit einer bei D = 510,4s"¹ und 2O⁰C

gemessenen Viskosität von 103mPa s, unter Rühren 35ml einer 1%igen Aluminiumsulfatlösung AI₂(SO₄I₃ · 18H₂O zugefügt.

Die Viskosität steigt nach einer Minute auf 196mPa · s. Die am Rotationsviskosimeter nach 10s bei 3 U/min gemessene Anfangsgelstärke beträgt 19Pa. Die nach 10min Stillstand unter

sonst gleichen Bedingungen gemessene sogenannte 10-min-Gelstärke beträgt 60Pa.

Beispiel 3

In ein Bohrloch von 311 mm Durchmesser und 460m Teufe wird eine Rohrtour von 244,5 mm Durchmesser bis 400m Teufe eingebaut. Im Bohrloch befindet sich eine ausgesalzene feststoffarme Spülung der Dichte 1200 kg/m³. Ein Bohrstrang für das Einzirkulieren der Stützflüssigkeit wurde bis zur Teufe 455m eingebaut. Die Stützflüssigkeit wurde so hergestellt, daß 500kg Na-CMC in 10m³ Wasser in einem Mischbehälter gelöst und nach ca. 24 Stunden weiterverwendet wurden. In einem anderen Behälter wurden 50kg AI₂(SO₄J₃ · 18H₂O in 5m³ Wasser gelöst. Beide Lösungen wurden unter kräftigem Mischen mit Propellerrührwerken und zusätzlichem Umpumpen durch Kolbenpumpen vermischt, in dessen Verlaufsich das Komplexgel bildete. Die hergestellte Stützflüssigkeit hatte eine Dichte von 1020 kg/m³.

Über den eingebauten Bohrstrang wurden 4,5m³ des Komplexgels in den nichtverrohrten Bohrlochabschnitt von 455m bis 400 m einzirkuliert, in der Weise, daß innerhalb des Bohrstranges sich ebenfalls noch Komplexgel befindet. Anschließend wurde der Bohrstrang ausgebaut.

Die eingebaute Rohrtour von 244,5 mm Durchmesser wurde anschließend mit einer ausgesalzenen Portlandzementschlämme der Dichte 2000 kg/m³ von 400m bis über Tage im Zweistofpenzementationsverfahren zementiert. Nach einer Wartezeit von 48 Stunden wurde ein Bohrstrang mit Bohrwerkzeug eingebaut und der in der Rohrtour verbleibende Zement sowie die Stopfen, Rückschlagventile und Führungsbirne aufgebohrt. Beim Herausbohren aus der Rohrtour in Teufe 400m wurde lediglich bis zur Teufe 401 m noch Widerstand beim Nachlassen des Bohrstranges festgestellt. Der weitere offene Bohrlochbereich bis 455 m konnte ohne Widerstand befahren werden. Eine Kontamination des zu schützenden nicht verrohrten Bohrlochabschnittes durch Zementeinwirkung konnte durch die Stützeigenschaften des Komplexgels vollkommen vermieden werden.

Claims (6)

1. Verfahren zum Schutz von nicht verrohrten Bohrlochabschnitten, die nicht durch andere Stoffsysteme, wie z. B. Zementschlämme benetzt, belastet oder geschädigt werden bzw. in denen kein Verlust von anderen Stoffsystemen stattfinden soll, dadurch gekennzeichnet, daß eine

C. tzflüssigkeit in diese Bohrlochabschnitte eingebracht wird, wobei die genannte Stützflüssigkeit eine Nicht-Newtonsche Flüssigkeit handelt, die zeitabhängiges Verhalten zeigt, indem beim Verpumpen der Stützflüssigkeit Scherentziehung eintritt und nach Beendigung des Transportes in das Bohrloch eine Relaxytion der gelösten Strukturverbindungen erfolgt.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein Komplexgel als Stützflüssigkeit benutzt wird, das durch Reaktion von Zelluloseethern mit mehrwertigen Metallsalzen entsteht.

3. Verfahren nach Anspruch 1 + 2, dadurch gekennzeichnet, daß als Zelluloseether Carboxy methylzellulose (CMS), Hydroxyethylzellulose (HEC) und Carboxymethylhvdroxyethylzellulose (CMHEC), insbesondere aber CMC eingesetzt wird.

4. Verfahren nach Anspruch 1 + 2, dadurch gekennzeichnet, daß als mehrwertige Metallsalze Calzium-, Blei-.. Chrom-, Aluminium-, Eisen-, Titan- und Zirkonsalze, insbesondere aber Aluminiumsalze als Sulfat oder Chlorid benutzt werden.

5. Verfahren nach Anspruch 1-4, dadurch gekennzeichnet, daß als Stützflüssigkeit ein Komplexgel eingesetzt wird, das durch Reaktion von 0,5- bis 8%igen CMC-Lösungen mit äquivalenten Mengen einer Aluminiumsalzlösung (0,3%-20%) entstanden ist.

6. Verfahren nach Anspruch 1-4, dadurch gekennzeichnet, daß die verwendeten Komplexgele mit Beschwerungsmitteln, insbesondere mit mineralischen oder metallurgischen Stoffen, wie Baryt oder Eisenpulver zur Herstellung höherer Dichten vermischt werden.