DE1050708B

DE1050708B - Füllmasse zum Abdämmen von Bohrlöchern bei Erdölbohrungen

Info

Publication number: DE1050708B
Application number: DENDAT1050708D
Authority: DE
Inventors: Dallas Tex. Joseph Umlah Messenger (V.St.A.)
Original assignee: Socony Mobil Oil Co Inc
Current assignee: ExxonMobil Oil Corp
Publication date: 1959-02-19

Description

BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLAND

DEUTSCHES M&dL· PATENTAMT

kl.

INTERNAT. KL. E 21

AUSLEGESCHRIFT 1050 708

E 2*3 23/432 S33078VI/5a

ANMELDETAG: 17. APRIL 1953

BEKANNTMACHUNG
DER ANMELDUNG
UND AUSGABE DER
Auslegeschrift: 19. FEBRUAR 1959

Beim Bohren und beim Betrieb von Bohrlöchern in der Erde ist es häufig erforderlich, eine Füllmasse zu verwenden, die auf eine gewünschte Tiefe im Bohrloch gepumpt werden kann und hinterher zu einer hohen Konsistenz abbindet. Beim Bohren nach Erdöl oder Erdgas werden beispielsweise oft stark durchlässige oder mit Höhlungen durchsetzte Formationen durchstoßen, in die die Bohrflüssigkeit hineinfließt und unwiederbringlich verloren ist, wodurch die Kosten erhöht werden und häufig ein weiteres Bohren unmöglich wird. Ein Verfahren zur Behandlung des Bohrloches, um die Verluste an Bohrschlamm zu vermeiden, besteht darin, eine Zementaufschlämmung, beispielsweise eine Aufschlämmung von Portlandzement, in die Bohrlöcher zur Verlustzone einzupum- pen, wie die stark durchlässige oder mit Höhlungen durchsetzte Formation genannt werden kann. Das Bohrloch füllt sich dann mit Zement, und ein Teil des Zements tritt in die Verlustzone ein. Er bindet darin ab und dichtet die Verlustzone ab. Hat der Zement abgebunden, so wird der Zementpfropfen im Bohrloch ausgebohrt, und das Bohren wird fortgesetzt. Die gewöhnlichen Zementauf schlämmungen sind jedoch für diesen Zweck nicht befriedigend. So haben beispielsweise gewöhnliche Zementaufschlämmungen verhältnismäßig hohe Wasserverluste, und als Folge davon wird das Wasser in einem offenen Bohrloch gelegentlich aus der Zementaufschlämmung so schnell durch die Pumpendrücke herausgedrückt, daß ein vorzeitiges Abbinden des Zements stattfindet, wodurch die Gefahr des Festsetzens des Bohrrohres entsteht. Ferner benötigen gewöhnliche Zementaufschlämmungen eine lange Zeit zum Abbinden, bis sie die erforderliche Konsistenz erreicht haben. Während dieser Zeit Hegt die Bohrarbeit still, und infolgedessen erhöhen sich die Kosten der Bohrung. Außerdem geht nicht nur Zeit mit dem Ausbohren des Zementpfropfens verloren, sondern die ausgebohrten Zementkrümel verunreinigen auch den Bohrschlamm und wirken schädigend auf seine Viskosität und Gelfestigkeit ein, so daß ausgleichende Maßnahmen erforderlich werden. Ferner verursacht das Ausbohren des Zementpfropfens häufig ein Abweichen der Bohrung aus der gewünschten Richtung. Schließlich dispergieren sich die gewöhnlichen Zementaufschlämmungen leicht in den Flüssigkeiten, die von Natur aus in der Verlustzone anwesend sind. Um den Nachteil einer möglichen Abweichung der Bohrung, die sich durch das Ausbohren des Zementpfropfens ergibt, zu vermeiden, werden oft Gelzemente, bestehend aus Betonit und Portlandzement, angewendet, jedoch besteht die Gefahr eines vorzeitigen Abbindens dieser Zemente und ihre leichte Dispergierbarkeit einer weitgehenden Anwendung entgegen. Schnell abbin-Füllmasse zum Abdämmen von Bohrlöchern bei Erdölbohrungen

Anmelder:

Socony Mobil Oil Company, Inc., New York, N. Y. (V. St. A.)

Vertreter: Dipl.-Ing. W. Meissner, Berlin-Grunewald, und Dipl.-Ing. H. Tischer, München 2, Tal 71, Patentanwälte

Beanspruchte Priorität: V. St. v. Amerika vom 18. April 1952

Joseph UmIah Messenger, Dallas, Tex. (V. St. A.), ist als Erfinder genannt worden

dende Zemente, beispielsweise solche, die Calcium-

ag sulfat oder organische Verbindungen enthalten, sind angewendet worden, um lange Abbindezeiten zu vermeiden; aber auch hier hat die Gefahr einer vorzeitigen Abbindung die Anwendung beschränkt. Wohl ist bekannt, Spülflüssigkeiten für Bohrlöcher

mit Bentonittonen zu versetzen, um Spülverluste zu vermeiden, und andererseits synthetische Kieselsäure als Mittel zur Bodenverfestigung zu verwenden. Aber aus beiden Schrifttumsstellen ist nicht herzuleiten, daß Gemische aus Bentonit und Kieselsäure bessere

Schlämmassen zum Abdämmen von Bohrlöchern ergeben als die einzelnen Komponenten. Die neuen Füllmassen zeigen zu Anfang eine niedrige Viskosität, nach dem Abbinden aber eine hinreichend hohe Gelfestigkeit. Sie gewähren daher eine sichere Abdich-

tung der Bohrlöcher, sind aber andererseits leichter entfernbar als übliche Zementpfropfen.

Die Erfindung betrifft nun eine Tonmasse, die beim Mischen mit Wasser die Eigens'chaTferT eines Zeitbinders hat. Diese Masse bindet zwar in verhältnis-

mäßig kurzer Zeit ab, ist aber doch flüssig genug, um verhältnismäßig lange pumpfähig zu bleiben, und neigt nicht dazu, sich in Flüssigkeiten als Dispersion zu verteilen. Durch die Anwendung dieser Füllmasse werden die obengenannten Nachteile vermieden.

Die Erfindung beruht auf der Erkenntnis, daß eine Masse, dip einen größeren Anteil von Ton mit Gelfestigkeitseigenschaften und einen kleineren Teil von aktivierter Kieselsäure, aktivierter Tonerde oder Kieselsäure—Tonerde enthält, besondere Eigenschaf-

ten aufweist. Es wurde gefunden, daß eine solche Masse beim Zumischen von Wasser eine Aufschlämmung ergibt, die anfänglich eine geringere Viskosität und Gelfestigkeit hat als eine Masse, die nur durch Aufschlämmung von Ton mit der gleichen Wassermenge angemacht ist, jedoch in wesentlich kürzerer Zeit abbindet als gewöhnlicher Portlandzement. Nach dem Abbinden ist die Konsistenz der Masse nach der Erfindung höher als diejenige einer bloßen Aufführt, die sich oberhalb des Behälters befindet, und an dieser Schnur werden Gewichte befestigt, bis der Zylinder durch den Zug aus der Aufschlämmung losgerissen wird. Die einzige Kraft, die der Zugkraft der Gewichte entgegenwirkt, ist der Widerstand gegen die Abscherung von der Aufschlämmung, der Druck der Atmosphäre wird dabei an beiden Enden des Zylinders durch den Luftdurchgang ausgeglichen. Daher ist das benötigte Gewicht, um den Zylinder

schlämmung von Ton oder einer bloßen Aufschläm- 10 durch Zug aus der Aufschlämmung frei zu machen, mung von aktiver Kieselsäure, Tonerde oder Kieselsäure—Tonerde mit der gleichen Menge Wasser. Die Masse weist auch einen geringen Wasserverlust auf. Sie erreicht zwar nach dem Abbinden nicht die Härte des Portlandzements, ist jedoch für verschiedene 15 Zwecke, insbesondere zum Abdämmen von Bohrlöchern, besonders geeignet.

Unter »Gelfestigkeit« einer Aufschlämmung versteht man die Eigenschaft des Systems, bis zum Beginn der Abscherung eine mechanische Mindestspannung zu benötigen. Die Gelfestigkeit einer Aufschlämmung kann in absoluten Einheiten als die Kraft pro Flächeneinheit ausgedrückt werden, die erforderlich ist, um die Abscherung in der Aufschlämmung herbeizuführen. Unter einem Ton, der Gelfestigkeit besitzt, wird ein Ton verstanden, dessen wässerige Aufschlämmung Gelfestigkeit aufweist. Die Eigenschaft der Gelfestigkeit ist bekannt und ist auf dem Gebiet der Bohrschlämme von besonderem Interesse, weil die Gelfestigkeit eines Bohrschlammes diesen befähigt, die Bohrkrümel zu tragen und sie aus dem Bohrloch herauszufordern, wodurch verhindert wird, daß sich die Bohrkrümel und die schweren Bestandteile des Bohrschlammes am Boden des Bohrlochs absetzen, wenn etwa der Schlammumlauf abgestellt wird oder der Bohrschlamm in anderer Weise zur Ruhe kommt.

Die Konsistenz einer Aufschlämmung kann als

Gelfestigkeit ausgedrückt werden. Für Gelfestigkeiten im Bereich der Bohrschlämme wird das Stormer-Viskosimeter benutzt. Dieses besteht aus einem hohlen, drehbaren Zylinder mit einer Schnur, die um die Welle desselben herumgewunden ist. Der Zylinder wird in die zu messende Aufschlämmung eingetaucht, und es werden Gewichte an die Schnur angehängt, bis der Zylinder beginnt, sich zu drehen. Das hierzu benötigte Gesamtgewicht in g wird als Gelfestigkeit der Aufschlämmung bezeichnet. Da die Fläche des Zylinders, die mit der Aufschlämmung in Berührung steht, und die durch das Ge\vicht auf sie ausgeübte Kraft bekannt sind, kann der absolute Wert der Gelfestigkeit als Kraft pro Flächeneinheit berechnet werden, die erforderlich ist, das Gel aufzubrechen.

Ist die Gelfestigkeit größer als 1000 g Stormer, so kann das Stormer-Instrument nicht benutzt werden.

In diesem Falle verwendet man z. B. einen Zylinder, dessen Längsfläche axial auf eine Entfernung von einem Ende gezahnt ist. Am anderen Ende befindet sich ein Haken oder Anhänger für eine Schnur, und durch den Zylinder führt ein Luftdurchgang von der einen Stirnfläche bei dem gezahnten Teil zu einem Punkt außerhalb des gezahnten Teils. Der Zylinder wird senkrecht in einen Behälter eingesetzt, und zwar mit dem gezahnten Teil nach unten. Die Stirnfläche, die die Mündung des Luftdurchgangs enthält, liegt bündig mit dem Boden des Behälters. Die Aufschlämmung wird in den Behälter bis zu einer solchen Höhe eingefüllt, daß der gezahnte Teil des Zylinders gerade bedeckt ist. Eine Schnur wird mit dem Haken oder Anhänger verbunden; und über eine Rolle geem Maß für die Gelfestigkeit der Aufschlämmung. Da die Fläche des gezahnten Teils des Zylinders und das benötigte Gewicht bekannt sind, kann die Gelfestigkeit, ausgedrückt in Kraft pro Fläche, berechnet werden. Kennt man die Gelfestigkeit als Kraft pro Flächeneinheit, so kann sie in Gewichtseinheiten Stormer umgerechnet werden.

Der Ausdruck »Wasserverlust« einer Aufschlämmung ist der gebräuchliche korrigierte »30-Minuten-American - Petroleum - Institute - Wasserverlust«. Der Wasserverlust wird gemessen, indem 600 ecm der Aufschlämmung in ein aufrecht stehendes zylindrisches Gefäß eingefüllt werden, das am Boden mit einem Filter und unter dem Filter mit einer Öffnung versehen ist, die zu einem Rohr mit Ventil führt. Ein Druck von 7,03 kg/cm² wird auf die Aufschlämmung in dem Gefäß ausgeübt, und das Ventil wird geöffnet. Der auf die Aufschlämmung ausgeübte Druck wird während des ganzen Meßvorgangs aufrechterhalten. Der Wasserverlust ist die Menge Wasser, die das Gefäß durch das Rohr innerhalb 30 Minuten nach Beginn des Abdrückens der Aufschlämmung verläßt.

Als Ton kommt im Rahmen der Erfindung jeder Ton in Betracht, dessen Aufschlämmung Gelfestigkeit' besitzt. Tone können durch folgende Bruttoformel gekennzeichnet werden:

M_aSi_&Al_cO₁₀ (OH)₁J (^rH₂O), (1)

wobei M ein Alkali- oder Erdalkalimetall, oder Wasserstoff und a = 0 bis 4, b = 3 bis 4, c = 2 bis 4, d = 2 bis 4 und χ = 0 bis 14 ist. Bei Tonen mit hoher Gelfestigkeit ist M in der obigen Bruttoformel Natrium, und α ist wenigstens 1.

Geeignet ist z. B. Bentonit. Es bestehen jedoch zwischen verschiedenen Tonsorten Unterschiede hinsichtlich der bei einer Aufschlämmung in Mischung mit aktiver Kieselsäure, Tonerde oder Kieselsäure— Tonerde gemäß der Erfindung erzielbaren Konsistenz. Für höchste Konsistenzwerte hat sich aus einer Ablagerung in Kalifornien stammender Ton als besonders geeignet erwiesen, der im Handel als »McKittrick-Light«-Ton erhältlich ist. Er enthält Quarz, Dolomit, Kalkspat, Albit, etwa 40 Gewichtsprozent Montmorillonit und weniger als 2% an wasserlöslichen Salzen, während andere Tone mit Gelfestigkeit oft größere Salzmengen enthalten. Erfindungsgemäß wird vorzugsweise McKittrick-Light-Ton oder eine ihm ähnliche Tonsorte verwendet.

Salze, wie CaCl₂ und NaCl, vermindern im allgemeinen die Gelfestigkeit. Sie können sowohl in dem Ton oder in dem zum Anmachen benutzten Wasser enthalten sein. Zur Erzielung hoher Gelfestigkeiten wird man also die störenden Salze nötigenfalls zunächst aus dem Ton entfernen und möglichst salzfreies Wasser verwenden.

Die aktive Kieselsäure, Tonerde oder Kieselsäure— Tonerde macht erfindungsgemäß den kleineren Anteil der Füllmasse aus. Man kann hierfür das gleiche Material verwenden, das allgemein in der Erdölindustrie mit oder ohne Zumischung verschiedener

Metalloxyde zur Durchführung der verschiedensten kataly tischen Kohlen wasserstoffumwandlungs verfahren dient.

Aktive Kieselsäure kann beispielsweise durch Umsetzung von Natriumsilikatlösung mit Salzsäure, Auswaschen der gefällten Kieselsäure zunächst mit Ammoniumchloridlösung oder verdünnter Salzsäure und dann mit Wasser, Trocknen des Gels bei 100 bis 125° C für 2 bis 6 Stunden und schließliches Brennen bei 250 bis 650° C hergestellt werden.

Aktivierte Tonerde kann aus reinem, mit Quecksilber amalgamiertem Aluminium durch Peptisation mit einer l'°/oigen Lösung von Essigsäure in Wasser bei 60° C hergestellt werden, wobei ein Ultrasol entsteht. Dieses wird zentrifugiert, um Quecksilber-Aluminium-Teilchen zu entfernen, dann bei einer Temperatur zwischen 50 und 100° C getrocknet und schließlich bei einer Temperatur zwischen ungefähr 450 und 600° C gebrannt.

Ferner kann man aktive Tonerde durch Brennen reiner, natürlicher hydratisierter Tonerdearten oder durch Trocknen und Brennen von Aluminiumhydroxyd herstellen, das man aus wässerigen Aluminiumsalzlösungen gefällt und salzfrei gewaschen hat.

Als Kieselsäure—Tonerde kommen Verbindungen der Zusammensetzung

M₀ (Si O₂)₆ (Al₂ O₃), (H₂ O) _d

(2)

in Betracht, wobei M ein Alkali- oder Erdalkalimetall und a = 0 bis 0,08, b = 0,7 bis 1,56, c = 0,02 bis 0,4 und d = 0,25 bis 1,0 ist. Die vorzugsweise verwendete Kieselsäure—Tonerde soll einen Wert »α« haben, der nicht wesentlich größer als 0,012 ist.

Der Ausdruck »Kieselsäure—Tonerde« schließt keine rein mechanischen Mischungen unaktivierter Kieselsäure und unaktivierter Tonerde ein. Mechanische Mischungen unaktivierter Kieselsäure und unaktivierter Tonerde, die sich nicht als Katalysatoren für die Umwandlung von Kohlenwasserstoffen eignen, sind auch als Zusatz zu dem Ton nach der vorliegenden Erfindung ungeeignet.

Die Kieselsäure—Tonerde braucht nicht frei von mechanisch gebundenen Metalloxyden, wie Chromoxyd, Thoriumoxyd, Eisenoxyd, Zirkonoxyd, Berylliumoxyd usw., zu sein, sie soll jedoch keine wesentlichen Mengen von Natriumionen enthalten. Es können sowohl synthetische als auch durch Behandlung von Tonen gewonnene Kieselsäure—Tonerden verwendet werden.

Aktivierte Kieselsäure—Tonerde kann z. B. durch Mischen von Natriumsilikat und Aluminiumsulfat in einer Düse hergestellt werden, wobei sich ein Hydrosol bildet, das durch die Düse in heißes Kerosin oder ein anderes Öl gedrückt wird, so daß sich Kugeln bilden. Das Hydrosol erstarrt in dem öl zu einem festen Hydrogel, das durch Waschen von Elektrolyten befreit wird und weiter bei Temperaturen von etwa 50 bis 100° C getrocknet und schließlich durch Erhitzen auf Temperaturen zwischen etwa 400 und 650° C aktiviert wird.

Aktivierte Kieselsäure—Tonerde kann ferner dadurch hergestellt werden, daß einer Lösung von Natriumsilikat eine anorganische Säure derart zugeführt wird, daß sich ein Hydrosol bildet. Man läßt das Hydrosol zu einem festen Hydrogel erstarren, bricht es in Stücke auf und wäscht es von Elektrolyten. Dieses Hydrogel wird dann in einer Kugelmühle oder auf andere Weise innig mit einer gewünschten Menge eines Tonerde-Ultrasols gemischt, das durch Peptisation von reinem Aluminium in einer lVoigen Lösung von Essigsäure in Wasser hergestellt ist. Die innige Mischung des Hydrogels und Hydrosols wird dann bei einer Temperatur zwischen etwa 50 und 100° C getrocknet und durch Erhitzen auf eine Temperatur zwischen etwa 400 und 650° C aktiviert.

Ein weiteres Verfahren zur Herstellung synthetischer Kieselsäure—Tonerde besteht darin, Kieselsäure und Tonerde innig miteinander zu mischen, wobei beide sich im Zustand einer kolloidalen Suspension befinden, d. h. im Zustand eines Hydrosols oder eines Hydrogels. Dies kann dadurch bewirkt werden, daß eine Lösung eines Silikates, wie etwa Natriumsilikat, mit einer Lösung eines nicht sauren Aluminiumsalzes, wie etwa Aluminiumacetat, gemischt wird und die Lösung durch Zusatz von Säure in eine kolloidale Suspension von Kieselsäure und Tonerde übergeführt wird. Inniges Mischen kann auch durch Mischen eines Kieselsäurehydrosols und eines Tonerdehydrosols bewirkt werden. Sind Kieselsäure und Tonerde beide in Form von Hydrogelen vorhanden oder ist ein Bestandteil in Form eines Hydrogels und der andere in Form eines Hydrosols vorhanden, so wird die Mischung durch starkes Rühren erreicht, beispielsweise in einer Kugelmühle, einer Homogenisiermaschine oder in einem engen Mundstück, durch das die Mischung unter hohem Druck strömt. Nach dem Mischen wird das Hydrogel salzfrei gewaschen, getrocknet und schließlich, beispielsweise durch 18 Stunden langes Erhitzen auf 450° C, aktiviert.

Synthetische Kieselsäure—Tonerde kann ferner durch Ausfällen einer Kieselsäuregallerte aus Natriumsilikatlösung, Auswaschen des Gels, Behandeln mit beispielsweise Aluminiumsulfatlösung, - nochmaliges Auswaschen, Trocknen und Hitzeaktivierung hergestellt werden. Man kann auch ein Mischgel unmittelbar durch Fällen einer Natriumsilikatlösung mit der Lösung eines sauer reagierenden Aluminiumsalzes, z. B. Aluminiumnitrat, erzeugen und dieses dann waschen, trocknen und aktivieren.

Vorzugsweise wird die gemäß der Erfindung verwendbare Kieselsäure—Tonerde durch Behandeln eines natürlichen Tones, wie Cyanit, Andalusit, Silinianit, Mullit, Kaolin, Kaolinit, Atalpo und Fullererde, hergestellt. Zu diesem Zwecke behandelt man den Ton nach einem der bekannten Verfahren zur Herstellung von Kieselsäure-Tonerde-Katalysatoren für die Umwandlung von Kohlenwasserstoffen z. B. zunächst mit einer Mineralsäure, wäscht ihn

5" dann mit Wasser, trocknet und aktiviert durch Erhitzen auf 500 bis 650° C.

Eine geeignete Quelle für die erfindungsgemäß zu verwendende aktive Kieselsäure, Tonerde oder Kieselsäure—Tonerde ist das Material, das durch Bruch oder Abrieb bei der Herstellung entsprechender Katalysatoren für die Umwandlung von Kohlenwasserstoffen anfällt, sowie der Katalysatorabfall oder Kaminstaub, der bei derartigen katalytischen Verfahren entsteht. Im letzteren Falle muß das Material natürlich sorgfältig gereinigt werden. Das Material soll in einer Korngröße von nicht mehr als 0,4 mm, vorzugsweise von nicht mehr als 0,074 mm, verwendet werden.

Vergleicht man reinen Ton mit der Füllmasse nach der vorliegenden Erfindung, so ist folgendes festzustellen: Beide sind zeitbindend. Eine Aufschlämmung der Füllmasse nach der Erfindung ist zunächst viel flüssiger als eine mit der gleichen Menge Wasser angemachte Aufschlämmung reinen Tones, erstarrt jedoch beim Abbinden zu einem Gel von ganz erheb-

lieh höherer Konsistenz als die reine Tonaufschlämmung. Außerdem zeigen Aufschlämmungen reinen Tones starke Thixotropie, während die Füllmasse nach der Erfindung, wenn sie erst einmal zu einem. Gel abgebunden hat, in ihrer Konsistenz nur unwesentlich durch Mischen oder Rühren beeinflußt wird. Daher eignet sich diese Füllmasse besonders gut für solche Verwendungszwecke, bei denen die Aufschlämmung zunächst pumpfähig sein und dann zu einem Gel hoher Festigkeit erstarren soll.

Zum Abdämmen von Verlustzonen in Bohrlöchern eignen sich Aufschlämmungen der erfindungsgemäßen Füllmasse, die nicht mehr als 65 Gewichtsprozent Wasser enthalten.

Bei steigendem Gehalt der Füllmasse an aktiver Kieselsäure, Tonerde oder Kieselsäure—Tonerde steigt die Gelfestigkeit, bis zu der die Aufschlämmung abbindet, zunächst an, durchläuft ein Minimum und fällt dann wieder ab, sogar unter den Wert, den man mit reinem Ton erhält. Das Optimum an Gelfestigkeit erhält man gewöhnlich bei einem Gehalt von 4 bis 5 Gewichtsprozent Kieselsäure, Tonerde oder Kieselsäure—Tonerde, bezogen auf die nicht angemachte Füllmasse. Bei einem Gehalt von mehr als 10% bindet die Masse meist nur noch bis zu einer geringeren Gelfestigkeit ab als reiner Ton. Man verwendet diese Zusatzstoffe daher erfindungsgemäß in einer Menge bis zu etwa 10%.

Bei Verwendung von Kieselsäure—Tönerde als Zuschlagstoff hängt die Abbindung der Füllmasse auch von dem Verhältnis von Kieselsäure zu Tonerde ab. Es wurde gefunden, daß die Konsistenz, bis zu der die Aufschlämmung abbindet, höher wird, je höher der Gehalt an Tonerde ist. Man hat es daher durch- Wahl des Verhältnisses von Kieselsäure zu Tonerde in der Hand, die Endkonsistenz, bis zu der die Füllmasse abbindet, zu regeln.

Die Abbindegeschwindigkeit der Füllmasse wird durch die Temperatur und die Stärke und Dauer des Rührens beeinflußt. Temperaturerhöhung bewirkt schnelleres Abbinden. Außerdem geht das Abbinden desto schneller vonstatten, je heftiger und länger die Aufschlämmung gerührt wurde, bevor man sie der Ruhe überläßt.

Man kann also sowohl die Gelfestigkeit, die beim Abbinden erreicht wird, als auch die Abbindegeschwindigkeit mit Hilfe verschiedener Faktoren nach Wunsch regeln. Diese Faktoren sind: die Menge des aktiven Stoffes (Kieselsäure usw.), im Falle von Kieselsäure—Tonerde das Verhältnis von Kieselsäure zu Tonerde, ferner die Art des Tones, die Temperatur und das Ausmaß des Rührens.

Will man die anfängliche Viskosität der Füllmasse nach der Erfindung besonders niedrig halten, so kann man ihr ein wasserlösliches Salz einer Polyphosphorsäure oder einer komplexen Metaphosphorsäure zusetzen. Geeignet für diesen Zweck sind Hexametaphosphate, Pyrophosphate sowie Salze der Tri- und Tetraphosphorsäure, insbesondere Tetranatriumpyrophosphat. Diese Salze können in Konzentrationen von 0,01 bis 0,25 Gewichtsprozent des Tones verwendet werden, jedoch vorzugsweise nicht mehr, da sonst beim Abbinden nicht die erforderliche Gelfestigkeit erreicht wird.

Die folgenden Beispiele dienen zur Veranschaulichung der Erfindung. Die Viskositätswerte sind in Centipoise und die Gelfestigkeiten in g Stormer angegeben. Bei Gelfestigkeiten von über 1000 g wurden die Messungen nach anderen Methoden ausgeführt und die erhaltenen Werte auf g Stormer umgerechnet.

Beispiell

Einfluß von Kieselsäure—Tonerde

auf die Beschaffenheit der Aufschlämmung unmittelbar

nach ihrer Herstellung

Eine Füllmasse nach der Erfindung, bestehend aus 353,98 g McKittrick-Light-Ton und 13,96 g Kieselsäure—Tonerde wurde mit 432,06 g Wasser gemischt, und der Aufschlämmung wurden 0,48 g wasserfreies ίο Natriumpyrophosphat zugesetzt. Die Aufschlämmung wurde ausgiebig gemischt, und unmittelbar danach wurde ihre Viskosität und Gelfestigkeit gemessen.

Eine weitere Aufschlämmung wurde aus 368,14 g McKittrick-Light-Ton, 0,48 g wasserfreiem Natriumpyrophosphat und 431,86 g Wasser hergestellt. Auch diese Aufschlämmung wurde ausgiebig gemischt, und unmittelbar danach wurde ihre Viskosität und Gelfestigkeit gemessen.

Tabelle I zeigt die Ergebnisse.

Tabelle I

Masse	Viskosität	Gelfestigkeit
Mit Kieselsäure—Tonerde Ohne Kieselsäure—Tonerde	291,5 318,5	300 320

Die Masse nach der Erfindung ist also anfänglich flüssiger als eine Tonaufschlämmung.

Beispiel 2 Wasserverlust der Füllmasse

Es wurden drei Aufschlämmungen einer aus McKittrick-Light-Ton und Kieselsäure—Tonerde bestehenden Masse mit verschiedenen Mengen Wasser hergestellt. Sodann wurde der Wasserverlust der Aufschlämmungen nach der oben angegebenen API-Methode bestimmt. Tabelle II zeigt die Ergebnisse in ecm.

40	Aufschlämmung	Tabelle II	Wasserverlust
45 1 2 3	Verhältnis Wasser zu Füllmasse	12 9 7
3 : 1 2,3: 1 1,9: 1

Beispiel3

Einwirkung von Polyphosphaten auf die anfängliche Viskosität und auf die Gelfestigkeit

Zu einer Füllmasse, bestehend aus 353,98 g McKittrick-Light-Ton und 13,96 g Kieselsäure—Tonerde, wurden 432,06 g Wasser zugesetzt. Zum Vergleich wurde die gleiche Masse, jedoch noch mit einem Zusatz von 0,48 g wasserfreiem Natriumpyrophosphat, hergestellt. Unmittelbar nach der Herstellung wurden die Viskositäten und Gelfestigkeiten gemessen. Die Werte sind aus Tabelle III ersichtlich.

Tabelle III

Masse

Ohne Phosphat

Mit Phosphat

Viskosität

nicht meßbar, da zu hoch

292

Anfängliche Gelfestigkeit

1000

300

B e■ i s ρ i e 1 4 Einfluß der aktiven Zusätze auf die Gelfestigkeit

In diesem Beispiel wurden die anfänglichen Gelfestigkeiten der Aufschlämmungen unmittelbar nach ihrer Herstellung gemessen. Die Aufschlämmungen wurden dann bei 77° C 24 Stunden lang gealtert und ihre Gelfestigkeiten wieder gemessen. Tabelle IV gibt die Zusammensetzung*«! der Aufschlämmungen, die anfänglichen Gelfestigkeiten unmittelbar nach der Herstellung und die Gelfestigkeiten nach der Abbindezeit an.

Tabelle IV

Zusammensetzung
der Aufschlämmung

Ton

Aktivierte Kieselsäure
Aktivierte Tonerde . . .

Wasser

Natriumpyrophosphat

Ton

Aktivierte Kieselsäure
Wasser

Natriumpyrophosphat

Ton

Aktivierte Tonerde . .^!;

Wasser

Natriumpyrophosphat,;

Ton

Kieselsäure—Tonerde

Wasser

Natriumpyrophosphat .·

353,98 13,26

0,70 432,06

0,48

353,98 13,96, 432,06 0,48

353,98 13,96 432,06 0,48i

353,98 13,96 432,06 0,48

310

280

660

300

Gelfestigkeit

nach Abbinden

70 664

79 398

106 706

86 400

Beispiel 5 ^; ,.:

Fortschreiten des Abbindens mit der Zeit und Einfluß der Temperatur auf "die Abbindegeschwindigkeit

Es wurden drei gleiche Muster einer Füllmasse aus je 219,13 g McKittrick-Light-Ton und 34,56 g Kieselsäure—Tonerde,, mit je 546,31, g Wasser gemischt. Jede Aufschlämmung wurde bei verschiedener Temperatur gealtert, und die Gelfestigkeiten wurden während des Alterungsvorgangs zu verschiedenen Zeitpunkten gemessen. Tabelle V gibt die Alterungstemperatur und die Gelfestigkeit der Aufschlämmungen zu verschiedenen Zeiten des Alterungsvorgangs an.

Tabelle V

	Alterungs	Alterungs	Gelfestigkeit
Muster	temperatur	dauer
	⁰C	Stunden	3 500
1	40	5	5 750
		15	7 000
		24	7 500
		48	6 000
2	63	5	6 900
		15	7 500
		24	9 000
		48	7 500
3	77	5	10 000
		15	12 500
		24	15 000
		48

Aus der Tabelle ist zu ersehen, daß die Gelfestigkeit der Aufschlämmung sowohl mit der Zeit als auch mit der Temperatur des Abbindens ansteigt.

Mitunter kann es erforderlich sein, die Konsistenz der Füllmasse nach ihrem Abbinden herabzusetzen, z. B. wenn sie von einer unterirdischen Stelle, an der sie abgebunden hat, entfernt werden soll. Dies kann durch Einwirkung wässeriger Kali- oder Natronlauge geschehen. Natronlauge ist wegen ihres geringeren Preises vorzuziehen.

Wird die Füllmasse nach der vorliegenden Erfindung zum Abdämmen durchlässiger Zonen in Bohrlöcher eingepumpt, so bindet die* anfänglich ziemlich dünnflüssige Aufschlämmung in kurzer Zeit zu einer hohen Konsistenz ab, wodurch gegenüber Zement eine Zeitersparnis erzielt wird. Es findet auch infolge des geringen Wasserverlustes kein vorzeitiges Abbinden statt, was ein Festsetzen des Bohrrohres ausschließt. Da die Masse ferner mit der Bohrflüssigkeit nicht mischbar ist, kann sie beim späteren Ausbohren des Pfropfens keinen schädignden Einfluß auf den Bohrschlamm ausüben. Eine hierbei auftretende Erhöhung der Viskosität des Bohrschlammes kann einfach durch Zugabe von W'asser ausgeglichen werden. Da die Masse nicht bis zu der Härte eines Zements abbindet, wird auch durch ihre Anwendung eine Abweichung von der beabsichtigten Bohrrichtung beim Ausbohren des Pfropfens ausgeschlossen. Mit der Füllmasse nach der Erfindung können daher in vielen Fällen, in denen dies früher unmöglich war, auftretende Verluste von Bohrschlamm beseitigt werden.

Bei der praktischen Anwendung der Füllmasse nach der Erfindung kann man so verfahren, daß man die trockenen Bestandteile in dem gewünschten' Verhältnis in einen Schütttrichter eingibt und das Wasser an der Austrittsstelle des trockenen Gutes aus dem Trichter zuführt. Die Aufschlämmung kann dann unmittelbar in das Bohrloch bis zur Tiefe der Verlustzone eingepumpt werden. Normalerweise pumpt man die Füllmasse so lange ein, bis man einen Rückfluß von Bohrschlamm erhält. Bei diesem Verfahren entsteht allerdings ein Verlust an Füllmasse, weil man mehr Füllmasse einpumpt, als zur Abdämmung der Verlustzone erforderlich ist. Man kann daher auch so verfahren, daß man nur die gerade benötigte Menge Füllmasse einpumpt und diese durch Nachpumpen von Bohrflüssigkeit aus dem Bohrrohr verdrängt. Erhält man nicht sofort eine abdichtende Wirkung, so kann man der Masse etwa 30' Minuten Zeit zum Abbinden geben und erst dann Bohrflüssigkeit nachpumpen, um festzustellen, ob ein Rücklauf erhalten wird. Ist dies nicht der Fall, so muß man weitere Mengen Füllmasse einpumpen. Strömt die Bohrflüssigkeit zum Zeichen der bewirkten Abdichtung zurück, will man aber trotzdem die Verlustzone durch noch mehr Füllmasse abdämmen, so zieht man das Bohrrohr etwas höher, so daß sein Unterende nicht mehr mit Füllmasse verstopft ist, entfernt die Bohrflüssigkeit aus dem Rohr, pumpt eine weitere Menge Füllmasse nach, bis das Rohr gerade bis zu seinem unteren Ende gefüllt ist, senkt dieses dann wieder bis zu seiner früheren Lage und pumpt die zu sätzliche Füllmasse in die Verlustzone.

Unmittelbar nach erfolgter Abdichtung und vorzugsweise bis zum völligen Abbinden der Füllmasse soll der ringförmige Raum zwischen Bohrrohr und Wandung des Bohrlochs oder des Außengehäuses unter einen ebenso hohen Druck gesetzt werden, wie ihn die durchlässige Formation voraussichtlich während des weiteren Bohrens auszuhalten hat.

809 750/87

Claims

E2 1B 33/13 B Hierdurch erreicht man eine bessere Bindung zwischen der Füllmasse und der abzudichtenden Formation. Die Zeit des Abbindens hängt von der örtlichen Temperatur ab. Liegt diese über 65° C, so ist eine Wartezeit von 1 bis 3 Stunden ausreichend. Ist die Temperatur jedoch tiefer, so benötigt die Masse langer zum Abbinden, bis zu etwa 10 Stunden. Man kann die richtige Abbindezeit am einfachsten dadurch ermitteln, daß man Proben der gleichen Aufschlämmung außerhalb des Bohrlochs bei der gleichen Temperatur abbinden läßt. Beispiel 6 Ergebnisse praktischer Abdämmungsversuche Die zur Abdichtung durchlässiger Zonen bei Erdölbohrungen benutzte Füllmasse bestand aus McKittrick-Light-Ton, Kieselsäure—Tonerde und wasserfreiem Natriumpyrophosphat. Einzelheiten ίο sind aus Tabelle VI ersichtlich. Tabelle VI 12Versuch3456Tiefe der Verlust19851675122129017253230zone, m bis 2060bis 2025bis 209bis 3350Temperatur434321939393der Formation, ° CBrücheBrücheBrüchegebrochenergebrochenerBrücheArt der Verlustzone ..im SalzKalksteinKalksteinMenge der eingebrachten Aufschlämmung,19,882,735,7285,417,8m3 Bohrflüssigkeitsverlustvor der Behandlung,4volliefvölligvölligvöllig95m3/Std Y V-/ J. J. Λ ^Bohrflüssigkeitsverlustkeinekeinekeinekeinekeinekeinenach der Behandlung Die Füllmasse nach der Erfindung kann auch für andere als die beschriebenen Zwecke verwendet werden. Will man z. B. eine Formation wieder auffüllen oder mit Säure behandeln und tiefer liegende Formationen schützen, so kann man dies dadurch erreichen, daß man Füllmasse bis zu der Tiefe der zu schützenden Formation pumpt und dort abbinden läßt. Die Arbeit kann dann oberhalb des durch die Füllmasse verstopften Teils des Bohrlochs ausgeführt werden, worauf man die Füllmasse durch Ausbohren oder Herauslösen mit Alkalilauge entfernt. Auch beim Einleiten von Wasser oder Gas unter Druck zwecks Erhöhung der Ölförderung aus unterirdischen Reservoiren kann die Füllmasse nutzbringend Verwendung finden. Befinden sich nämlich zwischen der Oberfläche und der ölhaltigen Formation, in die das Wasser oder Gas eingepreßt werden soll, durchlässige Schichten, so kann das Eindringen des Wassers oder Gases in diese durch Abdämmen mit der Füllmasse verhindert werden. Man pumpt zu diesem Zwecke Füllmasse bis zu der Tiefe der durchlässigen Formation, preßt sie unter Druck in diese hinein, läßt abbinden und bohrt den verbleibenden Pfropfen aus. Ein weiteres Anwendungsgebiet der Füllmasse ist die Verstopfung von Löchern in Bohrlochauskleidungen, die dichtschließende Verbindung mehrerer Längen von Bohrlochauskleidungen und der Schutz dieser Auskleidungen gegen Korrosion, indem man einen Mantel von Füllmasse um die Auskleidung an denjenigen Stellen legt, die der Korrosion ausgesetzt sind. Die Masse kann auch zum Auskleiden seismographischer Bohrlöcher verwendet werden, bei denen sonst hohe Verluste an Bohrflüssigkeit auftreten. Die Füllmasse kann für verschiedene Zwecke verschiedene Zusätze erhalten. Beispielsweise können faserige oder feingeschnittene Stoffe zugemischt werden, wie etwa Bagasse, Stroh, Papier, Cellophanstreifen, Holzspäne, Maisstroh, Bambus, Baumwollsamenhülsen, Leinsamen, Glimmerflocken, gemahlene Gummimasse, Hanf usw. Auch Perlit, nicht aktive Kieselsäure oder Tonerde oder deren Gemische, Baryt, Bimsstein, Eisenoxyd usw. können zugesetzt werden. 45 Pa tent α ν s ρ κ ν, c. η ε :

1. Füllmasse zum Abdämmen von Bohrlöchern bei Erdölbohrungen, bestehend aus Ton mit hoher Gelfestigkeit und aktiver Kieselsäure, aktiver Tonerde oder aktiver Kieselsäure—Tonerde.

2. Füllmasse nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch einen Zusatz eines wasserlöslichen Salzes einer Polyphosphorsäure oder einer komplexen Metaphosphorsäure.

3. Füllmasse nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß ihr Gehalt an aktiver Kieselsäure, Tonerde oder Kieselsäure—Tonerde unterhalb etwa 10 Gewichtsprozent des Tones liegt.

4. Füllmasse nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß ihr Gehalt an wasserlöslichem Phosphat unterhalb etwa 0,25 Gewichtsprozent des Tones liegt.

5. Füllstoff nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß er als Tonbestandteil McKittrick-Leichtton enthält.

In Betracht gezogene Druckschriften:
Deutsche Patentschriften Nr. 236 335, 846 523;
Österreichische Patentschrift Nr. 162 637;
»Chemisches Zentralblatt«, 1940, II, S. 1385, 1941, II, S. 1702, 1945, II, S. 1692.

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