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Zusatz für Bohrflüssigkeiten, für Flüssigkeiten zur Införderungsnahme
(Kompletion) und zur Behandlung von 0I- und Gasbohrlöchern Die Erfindung bezieht
sich auf Bohrflüssigkeiten, auf Flüssigkeiten zur Införderungsnahme (Kompletion)
und auf Behandlungsflüssigkeiten für Öl- und Gasbohrlöcher und auf oberflächenaktive
Gemische für diese Flüssigkeiten.
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Gegenstand der Erfindung sind Gemische zur Verwendung als stabile
Flüssigkeiten, bei denen Wasser bzw. Öl die zusammenhängende Phase bildet und welche
mit Alkalisalzen und höhenwertigen Metallsalzen sulfatierten Spermöls zur Bildung
stabiler Emulsionen, welche einen geringen Flüssigkeitsverlust ergeben, emulgiert
sind.
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Gemäß anderen Ausführungsformen der Erfindung sind oberflächenaktive
Gemische vorgesehen, die als Hauptbestandteil Alkalisalze oder höhenwertige Metallsalze
sulfatierten Spermöls enthalten.
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Wenn der Zusatz bei Behandlungsflüssigkeiten für das Pumpen in öl-
und gashaltige Formationen verwendet wird, ermöglicht er eine Verbesserung der Durchlässigkeit
der Formation durch Entfernen des Hohlraumwassers und des für die Bohrarbeit verwendeten
Wassers, das in die Formation eingedrungen ist.
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Auch kann zur Behandlung von öl- und/oder gashaltigen Formationen
durch hydraulisches Aufbrechen der Formationen der Zusatz als oberflächenaktiver
Stoff zur Herabsetzung der Aufbruchdrücke vorteilhaft verwendet werden und/oder
auch nach dem hydraulischen Aufbrechen zur Erhöhung der Ergiebigkeit des Bohrlochs.
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Eine Haupteigenschaft von Bohrflüssigkeiten und von Flüssigkeiten
zur Inproduktionsnahme ist der Schutz, den sie während der Bohrarbeit der öl- oder
gashaltigen Formation in Kontakt mit ihr gewähren.
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Eine weitere Eigenschaft einer Bohrflüssigkeit besteht darin, daß
sie beim Bohren auftretende poröse Formationen wirksam abdichtet, um soweit als
möglich einen Flüssigkeitsverlust zu vermeiden, insbesondere inSchieferschichten,
in welchen starke Flüssigkeitsverluste die Ursache von Verwerfungen und/oder Ablösungen
von Schieferlagern durch Hydratisierung und Quellen von Schieferteilchen sein können.
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Eine weitere Eigenschaft einer Bohrflüssigkeitsemulsion ist ihre Stabilität
in Anwesenheit von Elektrolyten.
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Eine Haupteigenschaft einer Bohrlochbehandlungsflüssigkeit ist die
Fähigkeit der Flüssigkeit, die Grenzflächenkräfte zwischen dem Wasser und der produktiven
Formation herabzusetzen und vorzugsweise die Feststoffe der Formation mit Öl zu
benetzen, so daß das Wasser wirksam entfernt und damit der Widerstand gegen den
Öl- und/oder Gasfluß durch die Formation zum Bohrloch verringert werden kann.
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Der Hauptbestandteil des oberflächenaktiven Gemisches gemäß der Erfindung
ist ein Alkalisalz oder ein höhenwertiges Metallsalz, wie ein Erdalkalisalz, von
sulfatiertern Spermöl. Spermöl wird aus dem Maul- und Kopfhohlraum des Spermwals
(Physeteridae) gewonnen und enthält in der Hauptsache Wachsester höherer Fettsäuren
und Fettalkohole mit geringen Anteilen von Triglyceriden. Die primären oberflächenaktiven
Bestandteile sulfatierten Spermöls sind Alkalisalze und Erdalkalisalze sowie andere
höhenwertige Metallsalze sulfatierter Wachsester höherer einwertiger (C14- bis C2,-)
Alkohole und (C12- bis C2,-) Fettsäuren.
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Bohremulsionen, bei denen Wasser die geschlossene Phase bildet Im
allgemeinen sind Bohrflüssigkeiten der den Gegenstand der Erfindung bildenden Art
Öl-in-Wasser-Emulsionen, in welchen eine feste Komponente, wie feinverteilter Ton,
Betonite und/oder erbohrte Feststoffe, suspendiert sind. Außer der Behandlung mit
den üblichen Verdünnungsmitteln, wie Alkalilauge und Quebracho, wird der Flüssigkeit
häufig Soda zugesetzt, um das Calcium zu entfernen, so daß eine maximale Ausbeute
an hydratisierbaren Tonen erzielt wird. Die Zugabe einer
Ölphase
zu einem solchen System dient zur Erhöhung der Bohrgeschwindigkeit und zur Verringerung
des Flüssigkeitsverlustes, der Flüssigkeitsreibung und der Zusammenballung der Schieferteilchen
um den Bohrmeißel.
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Die Bohremulsionen gemäß der Erfindung, bei denen Wasser die geschlossene
Phase bildet, ergeben eine dünne dichte Schlammhülle von geringer Durchlässigkeit,
welche den Flüssigkeitsverlust und dessen Wirkungen auf das Verwerfen und/oder Ablösen
der Schieferlager wesentlich verringert. Die Oberflächenaktivität der Wirkstoffe
gemäß der Erfindung verringert dieGrenzflächenspannung zwischen der Ölphase und
der Wasserphase. Niedrigere Werte von Grenzflächenenergien sind mit relativ leichterer
Phasendispersion und größeren Adhäsionskräften zwischen den einmal dispergierten
Phasen verbunden. Die Stabilität der Emulsionen gemäß der Erfindung ist in der Hauptsache
einer gleichmäßigen kleinen Ölteilchengröße zuzuschreiben, welche ihrerseits wieder
das Ergebnis der Oberflächenaktivität der Wirkstoffe bei der Verringerung der Grenzflächenspannung
zwischen den flüssigen Phasen ist. Die Verringerung der Grenzflächenspannung ermöglicht
eine Dispersion des Öls über die ganze Wasserphase in Form von Teilchen, deren Größe
sich dem kolloidalen Zustand annähert, in welchem Zustand sie zu einer Erhöhung
der Viskosität und des Strömungswiderstandes durch das poröse Medium der Schlammhülle
und der umgebenden Formation beitragen.
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Ein verringerter Flüssigkeitsverlust kann jedoch nicht allein - den
Oberflächen- und Grenzflächenwirkungen zwischen den flüssigen Phasen zugeschrieben
werden. Die Feststoffe im hydratisierten und voll dispergierten Zustand, in welchem
die Form und Größe der Teilchen bestimmbar sind und ein gleichmäßig verteilter beweglicher
Wasserfilm auf den Teilchenoberflächen besteht, verringern ebenfalls den Flüssigkeitsverlust.
Die durch die Zusätze gemäß der Erfindung hervorgerufene Oberflächenaktivität besteht
offenbar in dem wäßrigen Film der Teilchen und trägt daher weiter zu einer verminderten
Durchlässigkeit der Schlammhülle an der Bohrlochwand bei.
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Die Menge der in der wäßrigen Phase suspendierten und/oder dispergierten
festen Stoffe kann zwischen 5 und 35 Gewichtsprozent des Wassers schwanken. Das
ernulgierte Erdöl kann bis zu etwa 50 Volumprozent der sich ergebenden Emulsion
betragen. In den meisten Fällen ist es jedoch vorzuziehen, daß der Erdölanteil zwischen
etwa 10 und 20 Volumprozent liegt. Die Emulgatoren für Emulsionen, bei denen Wasser
die geschlossene Phase bildet, sind Alkali- und Erdalkalisalze von sulfatiertem
Spermöl, vorzugsweise das Natriumsalz. Die Menge des Emulgators ; soll mindestens
etwa ein halbes Gewichtsprozent, bezogen auf den Wassergehalt der zubereiteten Vorflüssigkeit,
betragen. Die obere Grenze für den verwendeten Emulgator wird in der Hauptsache
durch die Kosten der Bestandteile bestimmt. In den meisten Fällen ist es bei der
Bohrarbeit vorzuziehen, einen Emulgatoranteil von etwa 1'-/2 bis 2 Gewichtsprozent
zu verwenden.
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Bei Systemen, bei denen Wasser die geschlossene Phase bildet, ist
es vorzuziehen, ein Entschäumungsmittel zur Beeinflussung der Schaumbildungsneigung
eines mit einem Alkalisalz oder Erdalkalisalz von sulfatiertem Spermöl emulgierten
Systems zu verwenden. Ein wirksames Entschäumungsmittel ist ein Gemisch von komplexen
Verbindungen, das aus dem Rückstand der Propanentfärbung von Fettstoffen erhalten
wird. Dieses Entschäumungsmittel ist in der US A.-Patentschrift 2668138 beschrieben.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird das komplexe Gemisch in
größerer Menge verwendet als für die Unterdrückung der Schaumbildung notwendig ist,
da es ebenfalls oberflächenaktiv ist und eine synergistische Wirkung mit den Salzen
von sulfatisiertem Spermöl ergibt, wobei die Emulgierbarkeit verbessert wird.
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Es können jedoch auch andere Entschäumungsmittel mit Erfolg mit dem
modifizierten Spermölemulgator verwendet werden. Kienöl, Rizinusöl, Leinöl, Zuckerrohröl,
das beim Entwachsen vom Zuckerrohr gewonnen wird, Dieseldestillat und langkettige
aliphatische Alkohole sind Beispiele solcher Entschäumungsmittel. Bei der Verwendung
anderer Entschäumungsmittel ist es jedoch im allgemeinen wünschenswert, dasvorangehend
beschriebene komplexe Gemisch in Mengen von etwa 5 bis 10 Gewichtsprozent des Spermöls
zur Verstärkung der Oberflächenaktivität des modifizierten Spermöls zuzusetzen.
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Das Verhältnis des Spermöls zum Entschäumungsmittel ist nicht kritisch.
In den meisten Fällen ist eine Zusammensetzung von 75 bis 900 ;/o modifiziertes
Spermöl und 10 bis 25 °/o Entschäumungsmittel zufriedenstellend. Innerhalb
des Rahmens der Erfindung können dem Emulgator andere Materialien einverleibt werden.
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Bei der industriellen Darstellung wird es zweckmäßig sein, das modifizierte
Spermöl mit dem Entschäumungsmittel zu mischen und das Gemisch für den Versand zur
Bohrstelle für das Zusetzen zur Bohrflüssigkeit zu verpacken. Ein solches Gemisch
stellt nur eine Ausführungsform der hier beschriebenen Erfindung dar.
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Aus der vorangehendenBeschreibung ergibt sich jedoch, daß dasEntschäumungsmittel
und das sulfatierteÖl an der Bohrstelle gemischt werden können. In den meisten Fällen
werden das sulfatierte Öl und das Entschäumungsmittel dem Bohrflüssigkeitssystem
mit der gewünschten Menge Erdöl zugesetzt. Es ist keine besondere Mischeinrichtung
erforderlich. Im allgemeinen werden eine oder zwei vollständige Umläufe der Bohrflüssigkeit
durch das Bohrloch für das Zusetzen des gesamten Materials verwendet. Ein zusätzliches
Verfahren besteht darin, daß das sulfatierte Öl direkt additiv mit dem Erdöl gemischt
und dann das Gemisch direkt dem Bohrflüssigkeitssystem zugesetzt wird. Dieses Verfahren
ist außerordentlich zufriedenstellend, da das sulfatierte Öl und das Entschäumungsmittel
in Erdöl löslich sind.
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Ein anderes Verfahren zur Bestimmung der der Bohrflüssigkeit zuzusetzenden
Menge an Emulgator- und Entschäumungsmittel besteht darin, ausreichend modifiziertes
Öl und Entschäumungsmittel zuzusetzen, um die Oberflächenspannung der wäßrigen Phase
der Bohrflüssigkeit auf etwa 30 bis 50 Dyn je Zentimeter herabzusetzen, und der
anschließende Zusatz des gewünschten Volumens Erdöl. Es wurde festgestellt, daß
eine Bohrflüssigkeit mit einer wäßrigen Phase von der vorstehend angegebenen geringen
Oberflächenspannung einen hervorragenden Schutz für die produktive Formation bedeutet,
da eintretende Flüssigkeiten oder feste Stoffe während der Kompletionsstufe leicht
entfernt werden können.
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Dies und die folgenden Beispiele stellen die praktische Anwendung
der Bohr- und Behandlungsflüssigkeiten gemäß der Erfindung dar.
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Beispiel 1 Eine Schürfbohrung in Coal County, Oklahoma, V. St. A.,
wurde mit einer nach der Erfindung zubereiteten Flüssigkeit vorgenommen. Es hat
sich herausgestellt, daß dieser Bezirk wegen der ungewöhnlichen Dicke der Schieferschicht
außerordentlich schwierig zu bohren ist. Ein Frischwasser-Gel-System wurde in eine
Öl-in-Wasser-Emulsion verwandelt, nachdem die Bohrarbeit aus einem Untertagerohrstrang
heraus durchgeführt wurde, durch die Zugabe von 10 % Dieseldestillat und 1,0 Volumprozent
des Natriumsalzwirkstoffs gemäß der Erfindung zum System.
Das Bohren
nahm bis zu 3352,8 m raschen Fortgang, wobei ein 95/gzölliges Futterrohr gesetzt
wurde. Die Wahl des Futterrohrs war durch die Zugfestigkeit der Verrohrung bedingt
und nicht durch Schwierigkeiten bei der Bohrarbeit, die an sich beim Bohren bis
etwa 2133 m im Atoka-Schiefer auftreten können. Das Futterrohr wurde gesetzt und
mit 800 Sack Zement bei ausgezeichneter Verfüllung zementiert, was einengutenSchieferformationsschutz
während der Bohrarbeit anzeigt.
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Mechanische Schwierigkeiten traten in einem späteren Abschnitt der
Verrohrungsarbeit auf. Bei den Instandsetzungsarbeiten hing der Rohrstrang 101/2
Stunden. Nach Beendigung der Instandsetzungsarbeiten wurde das Futterrohr 3 m abgesenkt,
worauf der Umlauf bei einem Druck von 105 kg/cm2 in Betrieb gesetzt wurde. Der Druck
ging jedoch rasch auf 56,2 kg/cm2 zurück.
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Die Bohrarbeit wurde unter der Verrohrung durch weiteren Atoka-Schiefer
bis zu etwa 4000 m fortgesetzt, wo hornsteinartiger Kalk angetroffen wurde. Bei
der nachstehend angegebenen letzten Aufzeichnung hatte das Bohrloch eine Tiefe von
etwa 4725 m bei einem unverrohrten Teil von 1370 m. Die Bohrarbeit ging ohne die
sonst beim Schieferbohren im Staat Oklahoma auftretenden Schwierigkeiten vor sich.
Die folgenden Daten wurden während des Bohrvorgangs in verschiedenen Tiefen aufgezeichnet
Tiefe in m
2542,64 2802,34 2972,72 3537,51 3489,96 1 4687,01 4700,02 |
Schiefer Schiefer Schiefer Schiefer Hornsteinkalk Kalk |
Gewicht in kg/1 ......................... 1,224 1,188 1,236
1,26 1,416 1,428 1,428 |
Viskosität in cP bei 600 U/min. ........... 160 170
180 141 165 194 152 |
Anfangsgel ............................. 0 0 0 0 1 2 0 |
Gel nach 10 Min......................... 3 2 7 0 5 4
2 |
Flüssigkeitsverlust in ccm nach 30 Min. .... 3,3 3,8
3,5 4,3 4,6 7,0 6,4 |
Kuchen in mm .......................... 0,8 2,4 1,6
1,6 1,6 1,6 2,4 |
P. -Papier .............................. 10,5 10,7 10,0 10,3
10,0 10,0 9,2 |
Salzgehalt NaCl-Teile/Million ............. 1750 1800
1400 900 800 800 - |
Ölgehalt in Volumprozent ................ 5,0 5,3 11,2
7,0 5,6 5,0 4,5 |
Oberflächenspannung in Dyn/cm .......... - - 39 38 -
41 43,5 |
Hierbei ist zu erwähnen, daß mit den Bohrflüssigkeiten gemäß der Erfindung gebohrte
Versuchsbohrlöcher maßhaltiger waren als Bohrlöcher, die durch ähnliche Formationen
mit anderen Arten von Bohrflüssigkeiten gebohrt wurden, was eine verringerte Verwerfung
und Ablösung der Schieferlager anzeigt. Bei der Abschaltung der Bohranlagen für
Zeiträume von mehreren Stunden trat keine wesentliche Erhöhung der Viskosität der
Bohrflüssigkeit ein, wie dies bei vielen Bohrflüssigkeiten der Fall ist. Die Emulsionen
vertrugen sich mit Verdünnungsmitteln, Soda und den bei der Herstellung der Bohrflüssigkeiten
verwendeten Beschwerungsmitteln und blieben bei Verunreinigung der Flüssigkeit durch
aufgebohrte feste Stoffe stabil.
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Bohremulsionen, bei denen Öl die geschlossene Phase bildet Beim Rotationsbohren
und in derBohrlochkompletiönstechnik wird normalerweise eine wäßrige Flüssigkeit
oder eine Öl-in-Wasser-Emulsion, die dispergierte feste Stoffe enthält, für das
Bohren ölhaltiger Sandschieferlager und als Kompletionsflüssigkeit verwendet. Es
ist bei der Anwendung der üblichen Kompletionstechnik mit diesen Flüssigkeiten häufig
beobachtet worden, daß die Ergiebigkeit des Bohrlochs wesentlich geringer ist, als
ursprünglich durch die unmittelbar nach der Erstbohrung des bauwürdigen Sandschiefers
entnommenen Proben angezeigt wurde. Diese verringerte Ergiebigkeit ist zweifellos
dem Umstand zuzuschreiben, daß in die produktiven Zonen Filtrat von der Bohrflüssigkeit
eindringt. Das Ausmaß der Verschlechterung der Durchlässigkeit, die durch das Eindringen
von Schlammfiltrat verursacht wird, scheint sich direkt mit der Zeit zu verändern,
während welcher sich der Schlamm in Kontakt mit der bauwürdigen Zone befindet, und
umgekehrt mit der Durchlässigkeit des Sandschiefers. Die Emulgatoren für die Emulsionen,
bei denen Öl die geschlossene Phase bildet, sind höherwertige Metallsalze von sulfatiertem
Spermöl.
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Die Emulsionen, bei denen Öl die geschlossene Phase bildet, sind dazu
bestimmt, die Schäden der bauwürdigen Formation zu vermeiden, welche durch das Eindringen
der vorerwähnten Flüssigkeiten, bei denen Wasser die geschlossene Emulsionsphase
bildet, in die Formation verursacht werden. Sie können durch kräftiges Verrühren
eines höherwertigen Metallsalzes von sulfatiertem Spermöl mit gasfreiem Erdöl zubereitet
werden, am besten jedoch durch kräftiges Verrühren des erwähnten Erdöls mit einem
Alkalisalz von sulfatiertem Spermöl und einem höherwertigen Metallsalz, das einen
Basenaustausch mit Alkalisalzen von sulfatiertem Spermöl eingehen kann. Das vorerwähnte
Gemisch komplexer Verbindungen kann, wenn gewünscht, mit einer Menge von annähernd
10 bis 25 Gewichtsprozent des sulfatierten Öls zugesetzt werden. Hierauf wird ein
Wasserbasisschlamm zugesetzt und das Umrühren mindestens 1 Stunde lang fortgesetzt,
um die Eigenschaften des Ölbasisschlamms zu verbessern, worauf, wenn gewünscht,
ein Beschwerungsmittel, wie Bariumsulfat oder Eisenoxyd, zugesetzt werden kann.
Die erforderliche Mindestmenge des Emulgators beträgt etwa 0,5 Volumprozent des
Alkalisalzes von sulfatiertem Spermöl. Die obere Grenze wird in der Hauptsache durch
wirtschaftliche Erwägungen bestimmt. Etwa 1,5 bis 3 °/o des Spermöls und Entschäumungsmittel
werden gewöhnlich für das Emulgieren der Systeme verwendet.
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. Der Basenaustausch muß stattfinden, bevor die wäßrige Schlammphase
dem System zugesetzt wird. Ein Basenaustausch kann durch Verrühren des Spermöls
und einer konzentrierten wäßrigen Lösung eines höherwertigen Metallsalzes oder ein
wasserlösliches trockenes festes Emulgierungsmittel erreicht werden, wenn im Spermöl
eine gewisse Feuchtigkeit vorhanden ist.
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Da die geschlossene Flüssigkeitsphase eines solchen Systems ein oberflächenaktives
Öl ist, besteht nur ein geringer oder gar kein Widerstand gegen Scherung, was den
Zusatz eines Trägermittels, wenn ein Beschwerungsmittel verwendet werden soll, notwendig
macht. Dieses Trägermittel ist eine Verbindung, welche in keiner Weise die Vorteile
des Gesamtsystems verringert noch die rheologischen Eigenschaften des Gesamtsystems
beeinflußt.
Es wirkt nur als Trägermittel für das Beschwerungsmittel
von hohem spezifischem Gewicht und reagiert chemisch weder mit der Bohrflüssigkeit
noch mit den Formationen des Bohrlochs und kann, wenn es verwendet wird, in die
Ölphase zusammen mit dem Alkalisalz von sulfatiertem Spermöl und einem höherwertigen
Metallsalz vor der Zugabe der Schlammphase oder zu einem beliebigen späteren Zeitpunkt
eingebracht werden. Das zur Verwendung in den Bohrflüssigkeiten gemäß der Erfindung
vorgeschlagene Suspensionsmittel ist gereinigtes Petroleumsulfonat oder Ölpech.
In beschwerten Systemen ergibt die Zugabe von 0,566 bis 0,855 kg Sulfonat je 1001
Bohrflüssigkeit die erforderlichen Beschwerungssuspensionseigenschaften.
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Insbesondere enthalten Wasser-in-Öl-Emulsionen für allgemeine Anwendungsfälle
40 bis 80 Volumprozent Rohöl, enthaltend 1,5 bis 10°/ö Spermölwirkstoff (in Gewichtsprozent
der endgültigen Emulsionen), 60 bis 20 Volumprozent Wasserbasisschlamm, 0,119 bis
0,6 kg höherwertiges Metallsalz je 1 Öl.
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Bei der vorangehend gegebenen Zusammensetzung soll das Ölvolumen vorzugsweise
innerhalb der Grenzen von 50 bis 70 °/o gehalten werden, um der Bohrflüssigkeit
die besten rheologischen Eigenschaften zu vermitteln. Die Viskosität der Flüssigkeit
ist in ihrer Wirkung auf den Flüssigkeitsverlust wichtig. Das optimale Öl-Wasser-Verhältnis
und damit die Viskosität hängt von den festen Emulsionsmitteln in der Ölphase ab
und kann daher nicht mit Sicherheit vorausgesagt werden. Aus diesem Grunde ist es
zweckmäßig, einen Kleinversuch mit einer Probe des bei der Herstellung der endgültigen
Bohrflüssigkeit mit geschlossener Ölphase zu verwendenden Frischwasserschlamms durchzuführen.
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Die Mengen jedes zugesetzten Salzes verändern sich je nach dem vorliegenden
Verhältnis und des jeweils als Ersatz verwendeten besonderen Salzes. Die Salzkonzentration
in der wäßrigen Phase soll mindestens ausreichend sein, einen Basenaustausch mit
den sulfatierten Emulgatoren zu gewährleisten. Es sind jedoch hohe Konzentrationen
von etwa 12000 bis 15000 Teilen je Million wünschenswert, um zusätzlich einen Basenaustausch
und günstige Wirkungen dieser Salze auf die ölhaltigen Formationen zu gewährleisten.
Ein üblicher Frischwasserschlamm, der entweder einen geringeren oder einen größeren
Zusatz an den üblichen Chemikalien enthält und von guter Teilchengrößeverteilung
ist, ist als Schlammphase wünschenswert.
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Bevorzugte höherwertige Metallionen für die Bereitung der Emulsionen
gemäß der Erfindung, bei denen Öl die geschlossene Phase bildet, sind in der Reihenfolge
ihres Wirkungsgrades A1-+, Zn-, Pb- und Ca-.
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Die Inversionseigenschaften dieser Ionen wurden getestet durch die
Herstellung von 500 ccm eines Systems, bei dem Öl die geschlossene Phase bildet,
das die folgenden Bestandteile enthält: 290 ccm Rohöl, 10 ccm (2 Volumprozent) Natriumsalz
von sulfatiertem Spermöl, 0,856 kg/1001 höherwertiges Metallsalz, 197 ccm Revierschlamm.
Die Fließeigenschaften des Ölphasensystems waren:
Ca (O H) , Al C13 Pb C12 |
CaC12 Ca(OH)2 Zn S04 Pb(N03) 1C13 -j- Pb
Clz |
CaC12 |
Ca(OH)2 Ca (O H)2 |
Viscosität in cP ............ 66,0 32,0 77,0 45,0 58,0
74,0 53,0 32,0 38,5 |
Gele. ... . ................. 0-1 0-0 1-1 0-0
0-0 0-1 0-0 0-0 0-0 |
Flüssigkeitsverlust in ccm |
nach 7i/2 Min. ............ 0,6 1,1 0,2 1Tropfen 0,2
0,0 0;0 1,0 1,8 |
Flüssigkeitsverlust in ccm |
nach 30 Min. ............. 3,1 3,8 2,4 1,8 2,2 0,1 0-0-
5,0 4,9 |
Wasseranteil in ccm ........ 1,0 Null 0,8 0,8 0,6 Null
Null Null Null |
Kuchen in mm ............ 0,4 0,4 0,4 0,4 0,4 0,4 0,4
1,6 1,6 |
* kein Flüssigkeitsverlust in 30 Min. Erster Tropfen nach 80 Min. Bei der Herstellung
der obigen Systeme wird die sulfatierte Spermölphase der Ölphase unter Umrühren
zugesetzt. Hierauf wird das höherwertige Metallion der Ölphase zugesetzt. Nachdem
4 bis 5 Minuten lang umgerührt worden ist, um eine Reaktion des zugesetzten Ions
mit dem Alkalisalz des sulfatierten Spermöls zu ermöglichen, wird die Schlammphase
zugesetzt.
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In jedem der Systeme wird vorzugsweise Calciumhydroxydverwendet, um
einenÜberschußanCalciumionen für den nachstehend beschriebenen Zweck aufrechtzuerhalten
und zur Regelung der Azidität in der Bohrflüssigkeit. Die Regelung derAzidität ist
besonders wichtig bei Verwendung von Aluminiumchlorid, das bei höheren Temperaturen
infolge der Hyrolyse des Aluminiumchlorids korrodierend wirken kann. Bei Verwendung
von Calcium als Hydroxyd ergibt sich ein invertiertes System, jedoch ist das Flüssigkeitsverlustfiltrat
eher eine Wasserin-Öl-Emulsion als der bevorzugte Gesamtölverlust, der sich bei
anderen Ausführungsformen ergibt.
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Bei Flüssigkeiten mit einem Ölphasenvolumen von etwa 60 bis 70 0/a
oder höher ist eine Schlammphase mit einem hohen Gehalt an festen Bestandteilen,
die durch Verdünnungsmittel, wie Alkalilauge und Quebracho, stark dispergiert sind,
für das Erzielen einer Flüssigkeit von verwendbaren Eigenschaften wünschenswert.
Die Qualität, Quantität, Dispersion und Dispersionsfähigkeit der festen Stoffe beeinflussen
die Qualität des invertierten Systems. Der Schlamm in einer Flüssigkeit mit
600/,
Ölphase und optimalen rheologischen Eigenschaften soll einen hohen Gehalt
an festen Stoffen, z. B. 20 bis 30 °/o, bei guter Teilchengrößeverteilung und Fähigkeit
zur unbegrenzten Teilchendispersion nach der Inversion haben. Die gleichen Überlegungen
gelten für mit Salz gesättigten Schlamm, der ebenfalls durch die beschriebenen Verfahren
invertiert werden kann.
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Bei der Verwendung eines Frischwasserschlammsystems mit Durchschnittseigenschaften
und eines vorzugsweise nicht paraffinischen Rohöls in einem Verhältnis von 60 Volumprozent
Öl zu 40 Volumprozent Schlamm können die folgenden Eigenschaften erwartet werden.
Gewicht in kg/1 ............ 0,959 Viskosität in cP ........... 60 bis 80
Anfangsgele nach 10 Min. . . . . 0,0 Flüssigkeitsverlust nach 30 Min.
............ 0,0 bis 1,0 ccm Oberflächenspannung: annähernd 4 Dy n weniger
als Rohöl.
Bei der Bestimmung des Volumenverhältnisses des Wasserbasisschlamms
zum Öl werden die gewünschten Anforderungen an die Viskosität in Centipoise im voraus
geschätzt. Wenn der Schlamm mit Tonteilchen oder anderen Beschwerungsmitteln beschwert
werden soll, ist eine Mindestviskosität von 80 Centipoises nach dem Beschweren vorzuziehen.
Die endgültige Viskosität hängt vom spezifischen Gewicht des Öls, der Viskosität
der Wasserbasis oder des Öl-in-Wasser-Schlamms und der nichtlinearen Viskositätszunahme
bei zunehmendem Wasserbasisschlammanteil ab. Es ist im allgemeinen vorzuziehen,
ein Probegemisch vor der Bildung des vollständigen Systems herzustellen.
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Das höherwertige Metallsalz von sulfatiertem Spermöl kann durch den
Fabrikanten statt durch Basenaustausch eines höherwertigen Metallsalzes mit einem
Alkalisalz von sulfatiertem Spermöl an der Bohrstelle hergestellt werden. In diesem
Falle ist außerdem die Zugabe von Salzen, insbesondere von Calciumsalzen, für das
Ausflocken der Schlammphasenfeststoffe wünschenswert.
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Die invertierten Emulsionen sind ungewöhnlich stabil gegen Ionenverunreinigung,
die normalerweise beim Bohren von Ölbohrlöchern auftritt. Sie sind unempfindlich
gegen den weiteren Zusatz von Calcium- oder Magnesiumionen und lassen eine Sättigung
in der wäßrigen Phase durch Evaporite wie Gips, Anhydrite und Halite ohne nachteilige
Wirkung auf die Emulsionen zu. Im Gegensatz zu vielen Bohrflüssigkeiten, bei denen
Öl die geschlossene Phase bildet, sind sie für das Dispergieren und Halten größerer
Mengen von Feststoffen geeignet und können zur Kontrolle hoher Formationsdrücke
ausreichend beschwert werden.
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Das Emulsionssystem gemäß der Erfindung kann mit Erfolg für Doppelkompletion
verwendet werden, wenn zwei oder mehr gesonderte Schiefersandlager erbohrt werden
sollen. Nachdem das Ölphasensystem für das Bohren durch das obere Schiefersandlager
verwendet worden ist, wird das Bohren zum tieferen Lager mit der Wasser-in-Öl-Emulsion-Flüssigkeit
zum Schutz des oberen Lagers fortgesetzt.
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Die Ölphasenemulsionen gemäß der Erfindung sind auch als Kompletionsflüssigkeit
verwendbar, nachdem der bauwürdige Schiefersand erbohrt worden ist. Die Oberflächenaktivität
des Wirkstoffs gemäß der Erfindung fördert die auswählende Ölbenetzung des bauwürdigen
Schiefersands, was wiederum zur Verbesserung der Durchlässigkeit des Schiefersands
für Öl beiträgt. Außerdem ruft die Anwesenheit höherwertiger Metallionen, insbesondere
von Calciumionen, eine Schrumpfwirkung bei intergranularen Tonen, die einige Zeit
vor der Kompletionsperiode hydratisiert worden sind.
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Beispiel 2 Eine Bohremulsion mit Öl als geschlossene Phase der beschriebenen
Art wurde als Arbeitsflüssigkeit für ein Bohrloch im Eunice-Bezirk, Lea County,
Neu-Mexiko, V. St. A., verwendet. Vor der Zugabe des Beschwerungsmittels hatte die
Flüssigkeit die folgenden Eigenschaften: Gewicht in kg/1 ............. 1,007
Viskosität nach Stormer in cP 37 Anfangsgel ................. 0 Gel nach 10 Min.
............ 0 Kuchen in mm .............. 0,4 Flüssigkeitsverlust
in ccm nach 71/, Min.............. 0,15
Ölphase ....................
70,7 Volumprozent Ein Suspensionsmittel wurde der Flüssigkeit zugesetzt, die etwa
30 Minuten lang in Umlauf gesetzt wurde, worauf ein Beschwerungsmittel langsam zugegeben
wurde, bis das Gewicht 1,14 kg/1 betrug. Gewisse Schwierigkeiten traten beim Halten
der Beschwerung in der Suspension auf, wenn sich das System nicht in Umlauf befand.
Nach Erhöhung der @,Stormer"-Viskosität auf 55 cP durch den Zusatz von Kalk wurde
keine Verringerung der Beschwerung in der Grube oder in der nach einem Zeitraum
von 2 Stunden ohne Umrühren entnommenen Probe beobachtet. Die Flüssigkeit wurde
sodann in das Bohrloch gepumpt und blieb in diesem ohne Verrührung oder Umlauf annähernd
10 Stunden während der Perforation oder anderen Arbeitsvorgängen. Das Gewicht der
Flüssigkeit fiel während dieser Periode nur um 0,024 kg/1 ab. Das als Invertierungsmittel
verwendete anorganische Salz war in diesem Falle Calciumchlorid.
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Die Eigenschaften des endgültigen Systems waren Gewicht in kg/1
............... 1,2 Viskosität in cP ............... 55 Gel ..........................
0,0 Flüssigkeitsverlust nach 30 Min... 1,0 ccm, alles Öl Kuchen in mm
................ 0,4 (sehr zäh) Die obere Blinberry-Formation wurde nach
der Erstellung des Bohrloches perforiert. Nach dem Aufbrechen lieferte sie 6,8 cbm
Gas täglich bei einem Druck von 363 kg durch eine 1/,zöllige Düse. Dieser Sand ergab
ferner 1981 Destillat je Stunde.
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Die untere Tubbs-Formation lieferte nach einer sauren Behandlung mit
114001 131,98 cbm Gas täglich bei einem Strömungsdruck von 812,8 kg. Die Formation
ergab ferner 5571 Destillat je Stunde.
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Lecithin in Mengen zwischen 5 bis 15 Gewichtsprozent des sulfatierten
Spermölsalzes oder ein Gewichtsverhältnis von Lecithin zum sulfatierten Spermölsalz
von 1 : 19 bis 1 : 4 in der Emulsion ergibt eine weitere Verbesserung der Stabilität
und der Flüssigkeitsverlusteigenschaften der Bohremulsionen gemäß der Erfindung
mit geschlossener Ölphase. Bohrlochbehandlungsflüssigkeiten Es wird allgemein angenommen,
daß der Umstand, daß bei vielen ölhaltigen Formationen die Ergiebigkeit nicht erreicht
wird, welche durch die Ergebnisse der Kernanalyse angezeigt wurde, auf verschiedene
Faktoren zurückzuführen ist. Das Haften wäßriger Filme an den Formationsteilchen
ergibt sich ohne weiteres aus dem Umstand, daß Kernanalysen-oft das Vorhandensein
von 10 bis 500/, Wasser in der Formation gezeigt haben, wobei jedoch die
Produktion aus diesen Formationen nur Öl ist. Die Durchlässigkeit dieser Formationen
für Öl wird in unverhältnismäßiger Weise durch einen über etwa 100/, liegenden
Wassergehalt nachteilig beeinflußt. Wenn die Wassermenge über diesen Prozentsatz
auf das Doppelte steigt, nimmt der Widerstand gegen das Fließen des Öls um ein Mehrfaches
zu. Ferner nimmt, unabhängig von einer Wassersperrung, der Widerstand unverhältnismäßig
zu, wenn die Größe der Kapillaröffnungen kleiner wird, wodurch das durch die Wassersperrung
in Schiefersandlagern mit kleinen Öffnungen, durch welche das Öl zum Bohrloch gelangt,
verursachte Problem verschlimmert wird.
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Der kritischste Teil der Formation hinsichtlich der Durchlässigkeit
ist der das Bohrloch unmittelbar umgebende Teil. Der Druckabfall ist in dem dem
Bohrloch unmittelbar benachbarten Schiefersand viel größer als in einem größeren
Abstand vom Bohrloch. Schätzungsweise
ist ebensoviel Druck erforderlich,
das Öl radial 30 cm durch die dem Bohrloch benachbarte Formation zu treiben als
für die nächsten 3 m, ebenfalls radial gemessen, notwendig ist. Daher läßt sich
durch die Erhöhung der Durchlässigkeit der Formation in der Nähe der Bohrlochwand
annähernd die gleiche Wirkung erzielen wie bei einer Erhöhung der Durchlässigkeit
durch die ganze Formation.
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Es wurde beobachtet, daß in Schiefersandlagern von 160 Millidarcy
oder weniger 50 °/o der Durchlässigkeit während der Kompletion verlorengehen kann,
während in Zonen mit einer Durchlässigkeit von 30 Millidarcy oder weniger es nicht
ungewöhnlich ist, daß eine vollständige Wassersperrung einer Formation eintritt,
bei welcher Bohrproben eine bauwürdige Ergiebigkeit angezeigt haben. Das gleiche
Problem kann durch das Eindringen von Tonteilchen bei den üblichen Bohrflüssigkeiten
auftreten.
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Daher wurde eine Anfangsproduktion, die niedriger als die erwartete
ist, und eine verminderte Produktion bei in Betrieb befindlichen Bohrlöchern einem
oder mehreren Umständen zugeschrieben, zu denen eine Schädigung der Formation beim
Bohren durch Eindringen wäßriger Bohrflüssigkeiten, die Anwesenheit von Hohlraumwasser
in der Untertageformation und die Ansammlung von hochschmelzenden Paraffinen in
dem das Bohrloch unmittelbar umgebenden Bereich gehören.
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Im besonderen enthält die Behandlungsflüssigkeit ein oberflächenaktives
Gemisch, das eine niedrige Oberflächenspannung zwischen dem Hohlraumwasser in der
produktiven Formation und dem Ölfiltrat der Behandlungsflüssigkeit hervorruft und
das ein Alkalisalz von sulfatiertem Spermöl und ein Ölbenetzungsmittel enthält.
Das Gemisch bewirkt eine wesentliche Verringerung der Grenzflächenkräfte zwischen
dem Hohlraumwasser und den Feststoffen der produktiven Formationen, was zur Entfernung
des Wassers beiträgt, und ermöglicht durch die Verringerung dieser Kräfte zwischen
dem Hohlraumwasser und dem Sand das Verdrängen des Wassers in den Kapillarkanälen
der Formation durch das Öl in der produktiven Formation, wodurch die Kanäle für
den Ölfluß in das Bohrloch geöffnet werden. Bei den in dieser Beschreibung empfohlenen
Konzentrationen reduziert das oberflächenaktive Gemisch die Oberflächenspannung
des Wassers auf 28 bis 32 Dyn; cm, 4 während die Grenzflächenspannung im Bereich
von 3 bis 8 Dyn/cm liegt. Ferner wird das Wasser als die disperse Phase einer MVasser-in-Öl-Emulsion
von niedriger Viskosität entfernt, so daß es leichter zu entfernen ist.
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Eine bevorzugte Allzweckeformel für ein Behandlungsgemisch umfaßt
ein Alkahsalz sulfatierten Spermöls als Hauptbestandteil, ein Olbenetzungsmittel,
vorzugsweise Bleipetroleumsulfonat, und ein die Emulsion förderndes Mittel. Das
letzterwähnte Mittel ist vorzugsweise Methylisobutylketon, das auch ein Paraffinlösungsmittel
ist. Andere die Emulsion fördernde Mittel und Paraffinlösungsmittel, die in Verbindung
mit der Erfindung verwendet werden können, sind Methylisobutylcarbinol, MethyIäthylketon
und Isopropylalkohol.
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Die folgende Zusammensetzung wird als beispielsweise Formel für ein
Bohrlochbehandlungsgemisch gemäß der Erfindung gegeben. Die Anteile sind in Gewichtsteilen
angegeben: Natriumsalz von sulfatiertem Spermöl ...................... 60
Teile Bleipetroleumsulfonatlösung (20 Gewichtsprozent Sulfonat in Petroleumdestillat)
............ 20 bis 35 Teile Methv Iisobutvlketon ............. 15
bis 20 Teile Das Bleipetroleumsulfonat macht 4 bis 5 Gewichtsteile der obigen Formel
aus.
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Es wurde festgestellt, daß Bleipetroleumsulfonat besonders wirksam
als Ölbenetzungsmittel in dem obigen Gemisch ist. Die Aufgabe dieses Gemischs besteht
darin; ein Mittel zur Ölbenetzung der Formationsteilchen zu schaffen, nachdem das
Wasser von der Teilchenoberfläche durch die vorangehend beschriebene Verringerung
der Grenzflächenspannung entfernt worden ist.
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Das Verfahren zur Behandlung von Bohrlöchern mit Gemischen gemäß der
Erfindung bedingt die Zugabe des Gemisches zu Rohöl oder einem anderen Mineralöl,
das in die Untertageformationen langsam bei niedrigem Druck gepumpt wird. Bei einer
beispielsweisen Behandlung wird das vorbeschriebene Gemisch einem Rohöl oder einem
anderen Mineralöl im Verhältnis von 1 : 15,6 zugesetzt. Dieses Verhältnis ist jedoch
in keiner Weise kritisch und kann innerhalb weiter Grenzen verändert werden.
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Hierauf wird die Verrohrung mit der Behandlungsflüssigkeit gefüllt,
die zu den Verrohrungsperforationen oder zur offenen bündigen Zone mit zusätzlichem
Öl verdrängt wird. Wenn die Verrohrung reines Öl enthält, ist es unnötig, das Umgehungsventil
zu öffnen, da das reine Öl von der Behandlungsflüssigkeit verdrängt wird. Wenn jedoch
das Öl verschmutzt ist, besteht das beste Verfahren darin, das Umgehungsventil am
Packer zu öffnen, um zu vermeiden, daß das verschmutzte 01 in die Formation
gepumpt wird. Nachdem die Behandlungsflüssigkeit die produktive Zone erreicht hat,
wird das Umgehungsventil am Packer geschlossen und langsam Druck aufgebaut, um die
Behandlungsflüssigkeit in die Zone mit einem geringstmöglichen Druck zn drücken.
80 bis 1601/min werden als durchschnittliche Anfangsgeschwindigkeit empfohlen. Wenn
möglich, ist es vorzuziehen, das Einspritzverhältnis nach der anfänglichen Durchdringung
des Sandes durch die Behandlungsflüssigkeit zu steigern.
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Das Bohrloch wird dann abgeschlossen und 16 bis 24 Stunden oder, wenn
gewünscht, länger stehengelassen. Wenn das Bohrloch zu fließen beginnt, wird das
Öl in die Tanks geleitet. Andernfalls wird geschöpft, bis das Bohrlcch fördert.
Wenn das Bohrloch ein pumpendes Bohrloch ist, ist das Schöpfen fortzusetzen, bis
die gesamte Behandlungsflüssigkeit zurückgewonnen ist oder bis reines Öl erscheint.
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Dieser allgemeinen Behandlung folgen Behandlungen vor und nach dem
Aufbrechen durch hohen Druck. Bei der Behandlung der Formation während des Rufbrechens
wird die Behandlungsflüssigkeit vorzugsweise nach unten zur Formation unmittelbar
vor der Aufbrechflüssigkeit gepumpt und in die Formation vor der Aufbrechflüssigkeit
verdrängt.
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Die Eigenschaften von nach dem vorangehend beschriebenen Verfahren
behandelten produktiven Bohrlöchern zeigen an, daß die verringerte Produktion in
hohem Maße der Anwesenheit von Hohlraumwasser in den Kapillarkanälen der produktiven
Formation zuzuschreiben war. Nach der Rückgewinnung des Behandlungsöls ergeben die
meisten Bohrlöcher beträchtliche Wassermengen, selbst wenn vor der Behandlung nicht
bekannt war, daß die Bohrlöcher Wasser liefern. Wenn der Wasserfluß abnimmt, folgt
ihm ein zunehmender Anteil von Öl als neue Produktion. Während der nachfolgenden
Betriebstage nimmt der Wasseranteil ab und in den meisten Fällen die Ölproduktion
stetig ihren Fortgang und nähert sich gewöhnlich der ursprünglichen Produktivität
des Bohrlochs.
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Die Verfahren für das Aufbrechen durch Flüssigkeit von hohem Druck
sind an :ich bekannt und werden
daher hier nicht näher beschrieben.
Das Aufbrechen unter hohem Druck geschieht im allgemeinen durch Druckausübung auf
eine Ölbasis-Aufbrechflüssigkeit, die ein gelatineartiges Material und Sand enthält.
Nach dem Aufbrechen der Formation wird das gelatineartige Material durch die auftretende
Strömung des Rohöls ausgespült, wobei der zugesetzte Sand als Dichtungsmaterial
dient, um die durch das Aufbrechen unter hohem Druck erzeugten Risse zu erhalten.
Es wurde festgestellt, daß die Zugabe der Behandlungsflüssigkeiten gemäß der Erfindung
während oder vor dem Aufbrechen den für das Aufbrechen erforderlichen Druck wesentlich
herabsetzt. Eine Behandlung vor dem Aufbrechen kann den sonst für das Aufbrechen
erforderlichen hydraulischen Druck bis um mehrere tausend kg durch die Wegnahme
der Sperrung im Bohrloch verringern. Bei der Behandlung vor dem Aufbrechen kann
die Behandlungsflüssigkeit in der vorangehend beschriebenen Weise zurückgewonnen
werden, oder es kann gegebenenfalls das Aufbrechen unter Anwesenheit der Behandlungsflüssigkeit
geschehen. In diesem Falle erfolgt die Wiedergewinnung nach dem Aufbrechen, wenn
die Bohrlochproduktion begonnen hat. Beispiel 3 Bei einer Doppelkompletion von Hart-
und Springer-Schiefersandlagern im Staate Oklahoma wurde der Hart-Sand während der
Kompletion durch Wasser geschädigt und ergab nach der Kompletion keine Produktivität,
obwohl Kernproben angezeigt hatten, daß die Zone eine Produktion von hohem Potential
ergibt. Beim Aufbrechen sprach das Bohrloch nicht an, worauf diese Behandlung durch
eine Behandlung mit einem anderen Material fortgesetzt wurde, daß dazu bestimmt
war, den Sand durch die Demulgierung des Wassers und des Öls abzutreiben, von welch
letzteren angenommen wurde, daß sie die Durchlässigkeit sperren. Es wurde keine
merkliche Verbesserung als Folge dieser Behandlung selbst nach längerem Schöpfen
beobachtet.
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Der Hart-Sand wurde dann mit dem Behandlungsgemisch gemäß der Erfindung
nach dem vorangehend beschriebenen Verfahren behandelt. Nach der Behandlung wurde
die Behandlungsflüssigkeit durch Schöpfen zurückgewonnen. Während zweier dadurch
bedingter Schöpfperioden von einer Dauer von 9 und 10 Stunden ergab die Formation
einen Durchschnitt von 27001 j e Stunde. Während der anfänglichen Abtreibperiode
und nach dem Schöpfen wurden in dem ausfließenden Produkt beträchtliche Mengen Wasser,
Feststoffe und Ölphasenemulsion beobachtet. Wegen des Fehlens eines verfügbaren
Schöpfgerätes wurde das Schöpfen nicht mehr fortgesetzt. Während der folgenden mehreren
Wochen wurde festgestellt, daß das Bohrloch auf natürliche Weise mit einem Ertrag
von 24440 bis 270001 je Tag fließen würde. Unter dem Zulässigen ergibt das Bohrloch
63601 je Tag. Beispiel 4 In ein altes, normal fließendes Bohrloch in Southeas' Moors
Field, Cleveland County, Oldahoma, das in seiner Produktivität bis auf 477 bis 6361
täglich zurückgegangen war, wurden 31801 der Behandlungsflüssigkeit gemäß der Erfindung
in Rohöl eingespritzt sowie weitere 79501 Rohöl, um die Behandlungsflüssigkeit in
die Formation zu verdrängen. Das Schöpfen wurde am folgenden Tag begonnen, während
welcher Zeit die Behandlungsflüssigkeit und ein Teil des Verdrängungsmittels zurückgewonnen
wurden. Das Schöpfen wurde über Nacht und während der folgenden 17 Stunden eingestellt,
worauf das Bohrloch 34201 in den Vorratstank lieferte. Das Bohrloch liefert gegenwärtig
eine zulässige Menge. Während und nach der Behandlung wurden beträchtliche Wassermengen
in Form einer geschlossenen Ölphase und sehr feine Feststoffe zurückgewonnen.