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Bohrflüssigkeit für Tiefbohrzwecke Die Erfindung bezieht sich auf
Bohrflüssigkeiten für Tiefbohrzwecke und insbesondere auf die Verbesserung der rheologischen
Eigenschaften von Bohrflüssigkeiten.
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Bei einer Wasser und Ton enthaltenden Bohrflüssigkeit hängen die rheologischen
Eigenschaften der plastischen Viskosität, der Gelfestigkeit und der Fließgrenze
(yield point), die innerhalb gewisser Grenzen gehalten werden müssen, damit die
Bohrflüssigkeit pumpbar bleibt und ihre gewünschten Wirkungen ausführt, in großem
Umfang von der Konzentration von Tonfeststoffen und dem Ausmaß ab, in welchem die
Tonfeststoffe durch das in der Flüssigkeit enthaltene Wasser hydratisiert und in
diesem dispergiert sind. Wenn das Bohrloch durch tonhaltige Formationen geht, mischt
sich der Ton mit der Bohrflüssigkeit, und dieser Ton wird durch das Wasser in der
Bohrflüssigkeit hydratisiert und in diesem dispergiert, so daß die Konzentration
der dispergierten Tonteilchen erhöht wird. Die Erhöhung der Konzentration der dispergierten
Tonteilchen beeinträchtigt die rheologischen Eigenschaften der Bohrflüssigkeit und
erhöht insbesondere die Fließgrenze, die so niedrig wie möglich gehalten werden
muß, um die Pumpdrücke und Kosten herabzusetzen.
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Bei mäßiger Erhöhung der Konzentration der dispergierten Tonteilchen
in der Bohrflüssigkeit wird die Bohrflüssigkeit gewöhnlich zur Herabsetzung der
Fließgrenze dadurch behandelt, daß ihr entweder wasserlösliche komplexe Phosphate
oder Quebracho und Ätzalkali zugesetzt werden. Das Ausmaß, in welchem diese Behandlung
ausgeführt werden kann, ist jedoch begrenzt, da die Behandlung unwirksam wird, wenn
extrem hohe Konzentrationen von dispergierten Tonteilchen in der Bohrflüssigkeit
vorhanden sind. Wenn die Konzentration von dispergierten Tonteilchen zu hoch wird,
um eine Herabsetzung der Fließgrenze durch den Zusatz von komplexen Phosphaten oder
Quebracho und Ätzalkali herbeizuführen, wird zusätzliches Wasser mit der Bohrflüssigkeit
gemischt, das, obwohl es das Volumen der Bohrflüssigkeit vergrößert, die Konzentration
der dispergiertenTonteilchen jeVolumen Bohrflüssigkeit herabsetzt. Während die Zumischung
von zusätzlichem Wasser zur Herabsetzung der Konzentration der dispergierten Tonteilchen
eine Erniedrigung der Fließgrenze der Bohrflüssigkeit ergibt, verringert sie auch
das Gewicht der Bohrflüssigkeit, und es kann notwendig werden, Gewichtserhöhungs-
oder Beschwerungsmittel zuzusetzen, um den gewünschten hydrostatischen Druck auf
den durchgebohrten Formationen aufrechtzuerhalten. Wenn weitere Tonfeststoffe in
der Bohrflüssigkeit dispergiert werden, können die Arbeitsvorgänge des Zusetzens
von komplexen Phosphaten oder Quebracho und Ätzalkali zur Herabsetzung der Fließgrenze
und des Zumischens von zusätzlichem Wasser zur Herabsetzung der Konzentration der
dispergierten Tonteilchen wiederholt werden. Eine Wiederholung dieser Arbeitsvorgänge
wird jedoch schließlich unwirtschaftlich, und es werden andere Maßnahmen erforderlich.
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Wenn die oben beschriebenen Arbeitsvorgänge unwirtschaftlich werden,
ist es üblich, die Bohrflüssigkeit in eine calciumbehandelte Bohrflüssigkeit oder
in eine gesättigte Salz-wasserbohrflüssigkeit umzuwandeln. Bei diesen Bohrflüssigkeiten
werden die rheologischen Eigenschaften durch die Konzentration von Tonfeststoffen
nicht so stark beeinträchtigt wie bei gewöhnlichen wässerigen Bohrflüssigkeiten.
Die Umwandlung der Bohrflüssigkeit in eine calciumbehandelte Bohrflüssigkeit oder
in eine gesättigte Salzwasserbohrflüssigkeit führt jedoch nicht immer zu einer Lösung
des Problems der Aufrechterhaltung der rheologischen Eigenschaften der Bohrflüssigkeit
innerhalb gewünschter Grenzen bei Erhöhung der Konzentration der Tonfeststoffe.
Überdies ist eine solche Umwandlung zuweilen unerwünscht, da die Anzahl und die
Menge der erforderlichen chemischen Reagenzien groß sind, die elektrische Leitfähigkeit
der Flüssigkeit hoch wird und die elektrische Untersuchung der Bohrung stört und
der Wasserverlust der Flüssigkeit zu steigen sucht, so daß eine Korrekturbehandlung
erforderlich wird.
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Ein Zweck der Erfindung besteht darin, eine Bohrflüssigkeit mit niedriger
Fließgrenze zu schaffen. Ein anderer Zweck der Erfindung besteht darin, eine Bohrflüssigkeit
zu schaffen, welche eine minimale Erhöhung
der Fließgrenze bei steigender
Konzentration an Tonteilchen besitzt, ohne andere Eigenschaften der Flüssigkeit
nachteilig zu beeinflussen. Diese und andere Zwecke der Erfindung sind aus der nachfolgenden
Beschreibung ersichtlich.
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Die Bohrflüssigkeit gemäß -der Erfindung, die aus einer wässerigen
Suspension von Ton mit die Viskosität herabsetzenden nichtionischen Verbindungen
besteht, enthält eine vorwiegend hydrophile, nichtionische oberflächenaktive Verbindung
von der Formel (R'-X)m(CH2-CH2-0)n-H, in der R' Wasserstoff, Alkyl, Aryl oder Aralkyl
bedeutet, X eine der Gruppen
ist, m eine ganze Zahl gleich der Anzahl von Substitutionspunkten der Gruppe (R-
X) ist, (C H2-CH2-0) Oxyäthylen bedeutet, n eine ganze Zahl von mindestens 10 ist
und H Wasserstoff bedeutet, und eine vorwiegend hydrophobe, nichtionische oberflächenaktive
Verbindung von der Formel (R"-X)m.(CHz-CHa-0)x-H, in der R" Alkyl, Aryl oder Aralkyl
bedeutet und wenigstens 12 Kohlenstoffatome enthält, X die vorstehend angegebene
Bedeutung hat, m eine ganze Zahl gleich der Anzahl von Substitutionspunkten der
Gruppe (R" - X) ist, (C H2 - C H2 - 0) Oxyäthylen bedeutet, k eine ganze Zahl nicht
größer als 3 ist und H Wasserstoff bedeutet.
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Es ist eine Bohrflüssigkeit bekannt, die neben Wasser und Ton eine
viskositätsherabsetzende Verbindung der allgemeinen Formel R*0 (C H R*' - C H R*"
- 0)"H und insbesondere der Formel R*O (CH, - CH, - 0)nR*' enthält,
wobei R* Wasserstoff oder eine Alkyl- oder Arylgruppe ist, R*' und R*" Wasserstoff
und Alkylgruppen bedeuten und n einen Wert zwischen 2 und 100 haben kann.
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Bei der bekannten Bohrflüssigkeit sollen insbesondere Triäthylenglykol,
Tetraäthylenglykol, Polyäthylenglykole mit einem Molekulargewicht von 150 bis 8000,
Diäthylenglykoldiäthyläther und Dioxan zur Anwendung gelangen.
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Demgegenüber enthält die Bohrflüssigkeit gemäß der Erfindung zwei
verschiedenartige, nichtionische Verbindungen, von denen die eine vorwiegend hydrophil
und die andere vorwiegend hydrophob ist, wobei in der hydrophoben Verbindung R"
wenigstens 12 Kohlenstoffatome enthält. Durch die Verwendung einer Bohrflüssigkeit
mit einer Kombination aus einer hydrophilen und einer hydrophoben, nichtionischen
Verbindung werden, wie in den Beispielen näher gezeigt, der Bohrflüssigkeit besonders
vorteilhafte Eigenschaften für das richtige Wirken der Flüssigkeit während der Bohrvorgänge
erteilt. Insbesondere besitzt die Bohrflüssigkeit gemäß der Erfindung eine sehr
niedrige Fließgrenze bzw. eine solche, die bei steigender Konzentration der Tonteilchen
nur eine minimale Erhöhung erfährt, während sie ferner eine stark herabgesetzte
Gelfestigkeit ausweist. Es ist auch gefunden worden, daß, wenn eine wasser- und
tonhaltige Bohrflüssigkeit durch Mischer, der vorwiegend hydrophilen Verbindung
mit dem Wasser vor dem Vermischen des Wassers mit dem Ton hergestellt wird, die
Fließgrenze, die plastische Viskosität und die Gelfestigkeit der Flüssigkeit niedriger
sind, als wenn die vorwiegend hydrophile Verbindung zu einer Mischung von Ton und
Wasser zugesetzt wird.
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Demgemäß kann gemäß der Erfindung eine wasser-und tonhaltige Bohrflüssigkeit
hergestellt werden, die eine hohe Konzentration an Tonfeststoffen hat, deren Fließgrenze
und Gelfestigkeit jedoch niedriger sind, als sie gewöhnlich bei den gleichen Konzentrationen
an Tonfeststoffen in Betracht kämen. Ferner wird, wenn die Konzentration an Tonfeststoffen
in der Bohrflüssigkeit danach durch Aufnahme von Ton aus den durchgebohrten Formationen
erhöht wird, die Erhöhung der Fließgrenze auf ein Minimum herabgesetzt. Die vorwiegend
hydrophile Verbindung beeinträchtigt andere Eigenschaften der Bohrflüssigkeit nicht.
So ändert die vorwiegend hydrophile Verbindung nicht die Leitfähigkeit der Bohrflüssigkeit,
und ein elektrisches Loggen der Bohrung kann während des Bohrens ausgeführt werden,
wenn die Bohrflüssigkeit im übrigen eine solche ist, die ein elektrisches Loggen
zuläßt. In anderer Hinsicht werden die Eigenschaften der Bohrflüssigkeit durch die
vorwiegend hydrophile Verbindung ebenfalls nicht nachteilig beeinflußt. Ebensowenig
werden die Eigenschaften der Bohrflüssigkeit durch die vorwiegend hydrophobe Verbindung
beeinträchtigt.
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Während die vorliegende Erfindung nicht auf Folgerungen aus irgendeiner
Theorie beschränkt werden soll, so ist doch anzunehmen, daß die Herabsetzung der
Fließgrenze der Bohrflüssigkeit hauptsächlich auf die Verhinderung oder Herabsetzung
des Dispergierens der Tonfeststoffe auf ein Minimum zurückzuführen ist. Nach dem
Vermischen von Tonteilchen mit Wasser hydratisieren die Tonfeststoffe, und die Tonteilchen
werden negativ geladen und werden von einer Art Atmosphäre von positiv geladenen
einwertigen Ionen umgeben. Infolge der Atmosphäre von positiv geladenen einwertigen
Ionen werden die Tonteilchen, welche die Form von Plättchen haben, voneinander abgestoßen
und auf diese Weise in dem Wasser in dispergiertem Zustand gehalten. Bei einer Bohrflüssigkeit,
die gemäß der Erfindung hergestellt ist, wird die Wirkung der Atmosphäre von positiv
geladenen einwertigen Ionen, die Tonplättchen in sich einander abstoßendem Zustand
und somit in dispergiertem Zustand zu halten, herabgesetzt mit dem Erfolg, daß die
Tonplättchen nicht länger dispergiert bleiben, sondern vielmehr dazu neigen, sich
zu Micellen zu agglomerieren. Dadurch wird die Fließgrenze und Gelfestigkeit der
Flüssigkeit herabgesetzt. Wenn die Flüssigkeit mehr als ausreichend Material enthält,
um das Dispergieren der schon in ihr enthaltenen Tonfeststoffe auf ein Minimum herabzusetzen,
werden irgendwelche zusätzliche Tonfeststoffe, die zu der Suspension hinzukommen,
nicht in ähnlicher Weise dispergieren, sondern in den Zustand unvollständiger Agglomerierung
übergehen.
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Wenn der R'-Anteil der Moleküle der Verbindung aus Wasserstoff, Alkyl,
Aryl oder Aralkyl besteht, so besitzt er einen hydrophoben Charakter. Die (C H2-CH2-0)-Gruppe
(Oxyäthylen) ist jedochhydrophil, und wenn ia wenigstens so groß wie 10 ist, erteilt
die (C H2 - C H2 - 0)-Kette, d. h. die Polyoxyäthylenkette, den Molekülen genügend
hydrophile Eigenschaften, um die hydrophoben Eigenschaften des R' zu kompensieren.
Die Verbindung als Ganzes ist dann vorwiegend hydrophil.
| Die (R'- X)-Gruppe hat einen Substitutiönspunkt, |
| wenn X |
| 0 0 |
| I |
| -0-, -S-, -C-0- |
| S S 0 |
| l |
| -C-S-, -C-0-, -C-NH- |
| ist. Wenn X andererseits |
| 0 |
| 11 |
| -C-N= |
ist, hat die Gruppe (R'
-X) zwei Substitutionspunkte. Demgemäß wird der Wert
von m durch die Anzahl von Substitutionspunkten der Gruppe (R'
-X) beherrscht.
Wenn
m den Wert 2 hat, kann der Wert von
n für jede der beiden
(CH, - CH2 - O)-Ketten gleich oder verschieden sein.
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Kennzeichnende, vorwiegend hy drophile Verbindungen, die bei der praktischen
Ausführung der Erfindung verwendet werden können, schließen ein: Polyoxyäthylenglykol
-HO -CH2-CH2-0)n-H Polyoxyäthylenäther von Methylalkohol -CH, -0-(CH2-CH2-0)n-H
Polyoxyäthylenäther von Äthylalkohol -C2H5-O-(CH2-CH2-0)n-H Polyoxyäthylenäther
von Propylalkohol -C,H7-0-(CH2-CH2-0)n-H Polyoxyäthylenäther von Butylalkohol -C,H9-0-(CH2-CH2-0)n-H
Polyoxyäthylenäther von Amylalkohol -C,Hn-0-(CH2-CH2-0)n-H Polyoxyäthylenäther von
Hexylalkohol -C,H13-0-(CH2-CH2-0)n-H Polyoxyäthylenäther von Heptylalkohol -C,H15-0-(CH2-CH2-0)n-H
Polyoxyäthylenäther von Octylalkohol -CIH17-0-(CH2-CH2-0)n-H Polyoxyäthylenäther
von Nonylalkohol -C,H19-0-(CH2-CH2-0)n-H Polyoxyäthylenäther von Decylalkohol -C16Hn-0-(CH2-CH2-0)n-H
Polyoxyäthylenäther von Undecylalkohol -C11H23
0 (CH,-
CH, -0).-H
Polyoxyäthylenäther von Dodecylalkohol -C12H25-0-(CH2-CH2-0)n-H Polyoxyäthylenäther
von Phenol -C6H5-0-(CH2-CH2-0)n-H Polyoxyäthylenäther von Nonylphenol -C9H19(C6H4)-0-(CH2-CH2-0)n-H
Polyoxyäthylenäther von Oleylalkohol -CH3(CH2)7CH=CH(CH2)7CH2-0-(CH,CH2-0)n-H Polyoxyäthylenäther
von Stearylalkohol -C13H37-0-(CH2-CH2-0)n-H Polyoxyäthylenäther von Pahnitylalkohol
-C16H33-0-(CH2-CH2-0)n-H Polyoxyäthylenthioäther von Nonylphenol -C9H19(C6H4) -S-(CH2-CH2-0)n-H
Polyoxyäthylenthioäther von Oleylalkohol -CH, (CH2)7CH=CH(CH2)7CHe S-(CH, CH2 0)n-H
Polyoxyäthylenthioäther von Stearylalkohol -C13H37-S-(CH2-CH2-0)n-H Polyoxyäthylenthioäther
von Palmitylalkohol -C16H33-S-(CH2-CH2-0)n-H
Dipolyoxyäthylenpahnitamid -
Dipolyoxyäthylenmyristamid
Polyoxyäthylenstearat -C17H35-CO-0-(CH2-CH2-0)n-H Polyoxyäthylenpalmitat -C15H31-CO-0-(CH2-CH2-0)n.-H
Polyoxyäthylenmyristat -C13H27-CO-0@-(CH2-CH2-0)n-H Polyoxyäthylenoleat -CH3(CH2)7(CH=CH(CH2)7-CO
0-(CH2-CH2-0)n-H Polyoxyäthylendithiostearat -C17H35-CS-S-(CH2-CH2-0)n
H.
Polyoxyäthylenabietat -C19H29-CO-0-(CH2-CH2-0)n-H Polyoxyäthylendithiopalmitat
-C15H31-CS-S- (CH2-CH2-0)n-H Polyoxyäthylendithiomyristat -C13H27-CS-S-(CH2-CH2-0)n-H
Polyoxyäthylendithiooleat -:H3 (CH2) 7CH=CH (C H2) 7-CS-S-(CH2-CH2-0)n-H Polyoxyäthylenäther
von Octylphenol -C8H1"(C6H4) - 0 - (CH2 - CH2 - 0)n - H Polyoxyäthylenäther von
Octylnaphthol -C.H17
(C1. H.) - 0 - (C H2 --C H2 - 0)" - H
| Polyoxyäthylenäther von Nonylnaphthol - |
| C.H19 (C1. H.) - 0 - (C H2 - CH, -
0)", - H |
| Polyoxyäthylenäther von Polyoxypropylen - |
| HO -(CH2-CH2-0)n-(CH2-CH2 |
| - 0H2- 0) "- (CH,- CH,- 0)n- H, |
| worin x einen Wert von 1 oder mehr hat, |
| Polyoxyäthylenäther von Dioctylphenol - |
| (CsH17)2 (CsH3) - 0 - (0H2 - CH, - 0)n - H |
| Polyoxyäthylenäther von Dinonylphenol - |
| (C, H19) 2 (C, H3) - 0 - (C H2 - C H2 - 0)n - H |
| Polyoxyäthylenthiolstearat - |
| 0 |
| 1I |
| C17 H35-C-S-(CH2-CH2-0)n--H |
| Polyoxyäthylenthionpaimitat - |
| S |
| 11 |
| C15H31-C'-0-(CH2-CH2-0)n-H |
| Monopolyoxyäthylenmyristamid - |
| 0 |
| H |
| C13 H27 - C N |
| (CH2-CH2-0)n-H |
Bei jeder der obengenannten Verbindungen hat n einen Wert, der wenigstens so groß
wie 10 ist und der so groß wie 300 oder sogar höher sein kann.
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Bei der hydrophoben Verbindung erteilt die Polyoxyäthylenkette den
Molekülen der Verbindung mit Rücksicht auf den Umstand, daß die Alkyl-Aryl- oder
Aralkyl-R"-Gruppe wenigstens 12 Kohlenstoffatome enthalten muß und k nicht größer
als 3 ist, keine ausreichenden hydrophilen Eigenschaften, um die hydrophoben Eigenschaften
der R"-Gruppe zu kompensieren. Die Verbindung als Ganzes ist daher vorwiegend hydrophob.
Kennzeichnende, vorwiegend hydrophobe Verbindungen, die bei der praktischen Ausführung
der Erfindung verwendet werden können, schließen ein: 5 Oxyäthylenäther von Nonylphenol
-C9H19 - (06H4) - 0 - (0H2 -
CH, - 0)k- H Oxyäthylenäther von Octylphenol
-CsH17 (C. H4) - 0 - (0H2 CH2 - 0)k - H lo Oxyäthylenäther von Oleylalkohol -CH3(CH2)7CH=CH(CH2)7CH2-0-(CH2-CH2-0)x-H
Oxyäthylenäther von Stearylalkohol -C18H37-0-(CH2-CH2-0),@-H Oxyäthylenäther von
Palmitylalkohol -15 C1sH33-0-(CH2-CH2-0),-H Oxyäthylenthioäther von Nonylphenol
-C9H19(C6H4)-S-(CH2-CH2-0)x-H Oxyäthylenthioäther von Oleylalkohol -2o CH3(CH2)7CH=CH(CH2)7CH2-S-(CH2-CH2-0)k-H
Oxyäthylenthioäther von Stearylalkohol -C1sH37-S-(CH2-CH2-0)x-H Oxyäthylenthioäther
von Palmitylallkohola5 C1sH33-S-(CH2-CH2-0)k-H
| Oxyäthylenstearamid - |
| (CH,-CH2-0),-H |
| C17H35-CO`-N @ |
| (CH2-CH2-0)x-H |
| Oxyäthylenpalmitamid - |
| / (CH,-CH,-O)7.-H |
| 015H31 C@-N@ |
| (CH2-CH2-0),-H |
| Oxyäthylenmyristamid - |
| / (CH,-CH2-0),,,-H |
| C13H27-CO-N |
| \ (CH,-CH2-0),-H |
Oxy äthylenstearat -C17H35-CO-0(CH2-CH2-0)x-H Oxyäthylenpalmitat -C15H31-CO-0-(CH2-CH2-0),-H
Oxyäthylenmyristat -C13H27-CO-0-(CH2-CH2-0)k-H Oxyäthylenoleat -CH3(CH2)7(CH=CH(CH2)7-CO-0--
(CH,-CH,- 0),-H Oxyäthylendithiostearat -C17H35-CS-S(CH2-CH2-0)k-H Oxyäthylendithiopalmitat
-C15H31-CS-S-(CH2-CH2-0),"-H Oxyäthylendithiomyristat -C13H27-CS-S-(CH2-CH2-0)k-H
Oxyäthylendithiooleat -CH, (CH2)7CH=CH (CH2)7-CS-S-(CH2-CH2-0),-H Oxyäthylenäther
von Nonylnaphthol -CgH19(C1oHs) - 0 - (0H2 -
CH, - 0)k - H Oxyäthylenäther
von Octylnaphthol -CsH17
(C1. H.) - 0 - (C H2 -
C H2 -
0),
- H Oxyäthylenäther von Dioctylphenol -(C8H17)2(C.H3) - 0 - (0H2 - CH2 - 0)k - H
Oxyäthylenäther von Dinonylphenol -(C9H19)2(C6H3) - 0 - (0H2 - CH2 - 0)k - H Oxyäthylenabietat
-C19H29-CO-0-(CH2-CH2-0)k-H Oxyäthylenthiolstearat -0 11 C17H35-C-S-(CH2-CH2-0)k-Ii
Oxyäthylenthionpalmitat
Monooxyäthylenmyristamid
Bei jeder der obengenannten Verbindungen kann k den Wert 1, 2 oder 3 haben.
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Bevorzugte, vorwiegend hydrophile Verbindungen sind Polyoxyäthylenglykol,
Polyoxyäthylenäther von Phenol, Poly oxyäthylenäther von Nonylphenol, Polyoxyäthylenabietat
und Polyoxyäthylenäther von Polyoxypropylen. Bevorzugte, vorwiegend hydrophobe Verbindungen
sind Oxyäthylenäther von Nonylphenol, Oxyäthylenäther von Dinonylphenol, Oxyäthylenäther
von Octylphenol, Oxyäthylenäther von Dioctylphenol und Oxyäthylenabietat.
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Bei der praktischen Ausführungsform der Erfindung können die vorwiegend
hydrophile Verbindung und die vorwiegend hydrophobe Verbindung der Bohrflüssigkeit
bei ihrer Herstellung oder nach ihrer Herstellung z. B. während des Bohrens zugesetzt
werden. Die vorwiegend hy drophile Verbindung und die vorwiegend hydrophobe Verbindung
können der Bohrflüssigkeit an der Schlammgrube, an dem Eingang der Schlammpumpen
oder an irgendeiner anderen gewünschten Stelle während der Bohrvorgänge zugesetzt
werden. Da die Wirkung auf die Fließgrenze größer ist, wenn der Ton dem die Verbindungen
enthaltenden Wasser zugesetzt wird, können verbesserte Ergebnisse erzielt werden,
wenn eine Bohrflüssigkeit dadurch hergestellt wird, daß der Ton dem die Verbindungen
enthaltenen Wasser zugesetzt wird. Während der Bohrvorgänge wird es vorgezogen,
wenn die Bohrflüssigkeit Ton aus den durchbohrten Formationen aufnimmt oder wenn
zu erwarten ist, daß eine solche Aufnahme stattfindet, die Verbindungen der Bohrflüssigkeit
zuzusetzen, bevor die Bohrflüssigkeit genügend Ton aufgenommen hat, um die Fließgrenze
auf ein unerwünschtes Ausmaß zu erhöhen.
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Die vorwiegend hydrophile Verbindung und die vorwiegend hydrophobe
Verbindung können in Verbindung mit irgendeiner Art von wasser- und tonhaltiger
Bohrflüssigkeit benutzt werden. Die Bohrflüssigkeit kann z. B. aus einer gewöhnlich
wässerigen Bohrflüssigkeit, einer mit Calciumbehandelten Bohrflüssigkeit oder einer
Emulsions-Bohrflüssigkeit bestehen. Unter gewöhnlicher wässeriger Bohrflüssigkeit
wird eine Bohrflüssigkeit verstanden, die Ton und Wasser enthält. Unter einer mit
Calcium behandelten Flüssigkeit wird eine Bohrflüssigkeit verstanden, die Wasser
und Ton aufweist und mehr als genügend Calciumionen enthält, um mit dem anionischen
Anteil des Tons zu reagieren. Unter einer Emulsions-Bohrflüssigkeit wird eine Bohrflüssigkeit
verstanden, die eine Emulsion von Öl und Wasser umfaßt. Jede dieser Arten von Bohrflüssigkeit
kann verschiedene Zusatzstoffe und Behandlungsmittel, wie z. B. Netzmittel, Mittel
zur Verringerung des Wasserverlustes, Mittel zur Regelung der Viskosität, Emulgiermittel,
wenn die Bohrflüssigkeit eine Emulsion von Öl und Wasser ist, usw. enthalten. Ein
geeignetes Mittel zur Herabsetzung des Wasserverlustes zur Benutzung bei der Bohrflüssigkeit
gemäß der Erfindung ist ein Alkalisalz von Carboxymethylcellulose. Es ist bisher
wesentlich gewesen, daß mit Calcium behandelte Bohrflüssigkeiten Natriumhydroxyd
enthalten. Das Natriumhydroxyd wirkt so, daß es ein Natrium-Calcium-Gleichgewicht
schafft, das, wenn Quebracho in der Bohrflüssigkeit vorhanden ist, dazu dient, die
Fließgrenze der Flüssigkeit herabzusetzen. Eine mit Calcium behandelte Bohrflüssigkeit,
bei welcher die Fließgrenze gemäß der Erfindung herabgesetzt ist, erfordert kein
Natriumhydroxyd. Demgemäß ist die Gefahr für das Personal infolge der Benutzung
einer üblichen calciumbehandelten Bohrflüssigkeit, die Natriumhydroxyd enthält,
ausgeschaltet. Ferner wird auch durch Vermeidung der Benutzung von Natriumhydroxyd
einer Verfestigung der Bohrflüssigkeit, welche bei hohen Temperaturen, wie z. B.
in tiefen Bohrlöchern, auftritt, ausgeschaltet. Ein anderes erwünschtes Merkmal
von calciumbehandelter Bohrflüssigkeit, die frei von Natriumhydroxyd ist, ist ihre
hohe elektrische Widerstandsfestigkeit, welche eine zufriedenstellende elektrische
Untersuchung des Bohrloches während des Bohrens gestattet.
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Es ist gefunden worden, daß, wenn die vorwiegend hydrophile Verbindung
und die vorwiegend hydrophobe Verbindung in einer Bohrflüssigkeit verwendet werden,
zur Erzielung zufriedenstellender Ergebnisse die Menge der vorwiegend hydrophilen
Verbindung im Überschuß über die Menge der vorwiegend hydrophoben Verbindung vorhanden
sein muß. Vorzugsweise soll die Menge der vorwiegend hydrophilen Verbindung in der
Bohrflüssigkeit wenigstens fünfmal so groß wie die Menge der vorwiegerd hydrophoben
Verbindung sein. Andererseits soll die Menge der vorwiegend hydrophilen Verbindung
vorzugsweise nicht mehr als das Dreißigfache der Menge der vorwiegend hydrophoben
Verbindung betragen.
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Die Fließgrenze, die j e Mengeneinheit verwendeter Verbindung erzielt
wird, hängt von der Art und der Teilchengröße des Tons in der Bohrflüssigkeit und
von der Art der verwendeten Verbindungen ab. Dieser Effekt ist offensichtlich auf
den Umstand zurückzuführen, daß die Herabsetzung der Fließgrenze von der Oberflächenadsorption
auf den Tonfeststoffen abhängig ist, und wenn die Tonfeststoffe eine kleinere Oberfläche
je Gewichtseinheit haben, ist eine gegebene Menge der Verbindung wirksamer, als
wenn die Tonteilchen eine größere Oberfläche je Gewichtseinheit haben. Demgemäß
hängt die Menge der anzuwendenden Verbindung, um eine gewünschte Fließgrenze in
irgendeinem besonderen Fall zu erzielen, von der Art und der Teilchengrößen der
Tonfeststoffe und der Art der gewählten Verbindungen ab. Vorzugsweise soll die Menge
an vorwiegend hydrophiler Verbindung größer als 0,57 kg je hl Bohrflüssigkeit sein.
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Die Erfindung wird nachstehend an Hand einiger Ausführungsbeispiele
näher erläutert. Beispiel 1 Zu Proben einer Bohrflüssigkeit aus Wasser und 3,13
kg Bentonit je hl Wasser wurden verschiedene nichtionische Materialien in verschiedenen
Mengen hinzugefügt. Danach wurde zu jeder Probe eine Tonmischung, bestehend aus
10 Gewichtsprozent Bentonit und 90 Gewichtsprozent eines üblichen Bohrflüssigkeitstons
mit einer hohen Illitkonzentration in der Menge von 28,5 kg je hl Wasser zugesetzt.
Die Proben wurden bei 76°C 40 Stunden lang gealtert, und die Fließgrenzen wurden
gemessen. Die Fließgrenze einer anderen Probe der Bohrflüssigkeit, die in ähnlicher
Weise behandelt-worden war, mit der Ausnahme, daß kein nichtionisches Material zugesetzt
war, wurde ebenfalls gemessen. Die nachstehende Tabelle 1 gibt das nichtionische
Material, die
Konzentration des nichtionischen Materials in kg j
e hl Wasser und die Fließgrenzen in kg/m2 an.
| Tabelle 1 |
| Nichtionisches Material Menge Fließ- |
| grenze |
| kein ........................... 0 2,35 |
| Polyoxyäthylenäther von Nonyl- |
| phenol (n = 25) . . . . . . . . . . . . . . . 1,71 0,30 |
| 2,28 0 |
| Polyoxyäthylenäther von Nonyl- |
| phenol(n = 30) .............. 2,28 0,59 |
| Polyoxyäthylenäther von Polyoxy- |
| propylen ..................... 1,14 0,009 |
| 1,71 0 |
| 2,28 0 |
| Dipolyoxyäthylenstearamid |
| (n und n' = 50) . . . . . . . . . . . . . . . 2,28 0,039 |
Beispiel 2 Bei diesem Beispiel wurde eine Bohrflüssigkeit dadurch hergestellt, daß
Natriummontmorillonit und Calciummontmorillonit mit Wasser gemischt wurden. Das
Natriummontmorillonit wurde in einer Menge von 2,28 kg je hl Wasser und das Calciummontmorillonit
in einer Menge von 7,12 kg je hl Wasser zur Anwendung gebracht. Nach der Zubereitung
wurde die Bohrflüssigkeit während 16 Stunden bei 76°C gealtert. Zu einer Probe der
gealterten Bohrflüssigkeit wurden Polyoxyäthylenäther von Phenol. C6H5-0-(CH2-CH2-0)ao-H,
in einer Menge von 1,71 kg je hl Flüssigkeit und Oxyäthylenäther von Nonylphenol,
C.H19(C6H4) 0- (CH,-
CH,- 0) H,
in einer Menge von 0,228 kg je hl Flüssigkeit
hinzugefügt. Diese Probe wurde dann während 16 Stunden bei 76°C gealtert. Eine Kontrollprobe
der Bohrflüssigkeit wurde auch für diese zusätzliche Periode von 16 Stunden bei
76°C gealtert. Nach dem zweiten Altern wurden die Fließgrenze, die plastische Viskosität
und die Gelfestigkeiten am Anfang und nach 10 Minuten bei jeder dieser Proben gemessen.
Die nachstehende Tabelle 2 gibt die erzielten Ergebnisse an. In der Tabelle 2 ist
die Probe Nr. 1 die Kontrollprobe und die Probe Nr.2 die Probe, die den Polyoxyäthylenäther
von Phenol und den Oxyäthylenäther von Nonylphenol enthält.
| Tabelle 2 |
| Probe Fließgrenze Plastische Gelfestigkeit in Gramm |
| Nr. kg/m2 Viskosität in nach |
| Centipoisen am Anfang I 10 Minuten |
| 1 0,93 15,3 10 |
| 20 |
| 2 0,098 11,0 1 4 |
Es ist aus der Tabelle ersichtlich, daß die Bohrflüssigkeit, die den Polyoxyäthylenäther
von Phenol und den Oxyäthylenäther von Nonylphenol enthält, eine Fließgrenze hat,
die ungefähr ein Zehntel der Fließgrenze der Bohrflüssigkeit ohne Zusatz dieser
Verbindungen beträgt. Es -wurde Luft in die Probe, welche den Polyoxyäthylenäther
von Phenol und den Oxyäthylenäther von Nonylphenol enthielt, mit einer Geschwindigkeit
von 16 cm3 je cm,2 Flüssigkeitsoberfläche je Sekunde eingeführt, um die Schaumneigungen
der Flüssigkeit zu bestimmen. Es wurde eine unbedeutende Menge Schaum erzeugt. Beispiel
3 Bei diesem Beispiel wurden zu einer Probe von gealterter Bohrflüssigkeit, die
wie im Beispie12 beschrieben hergestellt war, Polyoxyäthylenäther von Phenol, C6H5-0-(CH2-CH2-0)a6-H,
in einer Menge von 1,71 kg je hl Flüssigkeit und Trioxyäthylenäther von Octylphenol,
C6 Hi7(C6 H4) - 0 -
(CH, -
CH, - 0)a - H, in einer Menge von 0,057
kg je hl Flüssigkeit hinzugefügt. Die Fließgrenze, die plastische Viskosität und
die Gelfestigkeiten der Flüssigkeit zu Anfang und nach 10 Minuten wurden nach Altern
während 16 Stunden bei 76° C bestimmt. Die Tabelle 3 gibt die erzielten Ergebnisse
wieder. Die Tabelle 3 gibt auch die Ergebnisse an, welche mit einer Kontrollprobe
erhalten wurden, die dem gleichen Alterungsvorgang unterworfen war. In der Tabelle
3 ist die Kontrollprobe mit Probe Nr. 1 und die Probe, welche den Polyoxyäthylenäther
von Phenol und den Trioxyäthylenäther von Octylphenol enthielt, mit Probe Nr. 2
bezeichnet.
| Tabelle 3 |
| Probe Fließgrenze Plastische Gelfestigkeit in Gramm |
| Nr. kg/m2 Viskosität in nach |
| Centipoisen am Anfang 10 Minuten |
| 1 0,933 15,3 10 20 |
| 2 0,98 11,8 1 4 |
Es ist aus der Tabelle ersichtlich, daß die Bohrflüssigkeit, welche den Polyoxyäthylenäther
von Phenol und den Trioxyäthylenäther von Octylphenol enthielt, eine beträchtlich
herabgesetzte Fließgrenze hatte.
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Beispiel 4 Bei diesem Beispiel wurde eine Bohrflüssigkeit dadurch
hergestellt, daß Natriummontmorillonit mit Wasser in einer Menge von 6,28 Natriummontmorillonit
je hl Wasser gemischt wurde. Die sich ergebende Flüssigkeit wurde 16 Stunden lang
bei 76° C gealtert. Zu einer Probe der gealterten Flüssigkeit wurden Polyoxyäthylenäther
von Phenol, C6H5-0-(CH2-CHZ-0)s6-H, in einer Menge von 1,6 kg je hl Flüssigkeit
und Oxyäthylenäther von Nonylphenol, C9 His(C6 H4) - 0 - (CH, -
CH, - 0)
- H, in einer Menge von 0,114 kg je hl Flüssigkeit hinzugefügt. Diese Probe wurde
ebenso wie eine Kontrollprobe der Bohrflüssigkeit während einer zusätzlichen Zeitdauer
von 16 Stunden bei 76° C gealtert. Nach dem Altern wurden die Fließgrenze, die plastische
Viskosität und die Gelfestigkeiten am Anfang und nach 10 Minuten der beiden Proben
gemessen. Die Tabelle 4 gibt die erzielten Ergebnisse wieder, wobei Probe Nr. 1
in der Tabelle die Kontrollprobe und Probe Nr. 2 die Probe bezeichnet, welche den
Polyoxyäthylenäther von Phenol und den Oxyäthylenäther von Nonylphenol enthält.
| Tabelle 4 |
| Probe Fließgrenze Plastische Gelfestigkeit in Gramm |
| Nr. kg/m2 Viskosität in nach |
| Centipoisen am Anfang 10 Minuten |
| 1 0,678 20,4 4 16 |
| 2 0,029 19,6 1 8 |
Es ist aus der vorstehenden Tabelle ersichtlich, daß die Bohrflüssigkeit,
die den Polyoxyäthylenäther von Phenol und den Oxyäthylenäther von Nonylphenol enthielt,
eine beträchtlich herabgesetzte Fließgrenze hatte. Beispiel 5 Bei diesem Beispiel
wurden Proben einer nativen Bohrflüssigkeit aus der Schlammgrube an einer Bohrstelle
genommen. Die Bohrflüssigkeit hatte eine Dichte von 1,142 kg je 1 und bestand aus
Wasser und Tonfeststoffen, die während des Umlaufes der Flüssigkeit in dem Bohrloch
während der Bohrvorgänge aufgenommen worden waren. Zu einer Probe dieser Flüssigkeit
wurden Polyoxyäthylenäther von Phenol, C,Hs-0-(CH2-CH2-0)ao-H, in einer Menge von
1,6 kg je hl Flüssigkeit und Oxyäthylenäther von Nonylphenol, Ca H"(C, H4) - 0 -
(CH, -
CH, - 0 -) - H, in einer Menge von 0,114 kg je hl Flüssigkeit
hinzugefügt. Diese Probe und eine Kontrollprobe der Bohrflüssigkeit wurden dann
während einer Zeitdauer von 16 Stunden bei 76° C gealtert. Nach dem Altern würden
die Fließgrenze, die plastische Viskosität und die Gelfestigkeiten zu Anfang und
nach 10 Minuten für jede dieser Proben bestimmt. Die Ergebnisse sind in der nachstehenden
Tabelle 5 wiedergegeben. In der Tabelle 5 ist die Probe Nr. 1 die Kontrollprobe
und die Probe Nr. 2 die Probe, welche den Polyoxyäthylenäther von Phenol und den
Oxyäthylenäther von Nonylphenol enthält.
| Tabelle 5 |
| Probe Fließgrenze Plastische Gelfestigkeit in Gramm |
| Nr. kg/M2 Viskosität in nach |
| Centipoisen am Anfang I 10 Minuten |
| 1 0,54 14,8 5 35 |
| 2 0,022 14,8 1 21 |
Es ist aus der Tabelle ersichtlich, daß die Fließgrenze der behandelten Flüssigkeit
beträchtlich niedriger war als die Fließgrenze der Kontrollprobe.
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Beispiel 6 Dieses Beispiel veranschaulicht die Behandlung einer Bohrflüssigkeit
während der Bohrvorgänge.
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Bei einem Ölbohrloch, das in Louisiana gebohrt wurde, wurde das Bohren
auf 1434 m ausgeführt, wobei eine native Bohrflüssigkeit verwendet wurde, die im
Mittel folgende Eigenschaften hatte:
| Fließgrenze . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
0,022 kg/m2 |
| Plastische Viskosität . . . . . . . . . . . . . . . . 9,5 Centipoisen |
| Gelfestigkeit am Anfang . . . . . . . . . . . . . 1 g |
| Gelfestigkeit nach 10 Minuten . . . . . . . . 40 g |
Bei 1434 m wurde die Bohrflüssigkeit, weil Tonschieferschichten angetroffen wurden,
in eine calciumbehandelte Bohrflüssigkeit umgewandelt, indem ihr 2,85 kg Calciumsulfat
und 0,5 kg Natriumcarboxymethylcellulose je hl Flüssigkeit zugemischt wurden. Es
wurden -der Flüssigkeit außerdem Polvoxväthvlenäther von Phenol, C,H5-0-(CH2-CH2-0)so-H,
in der Menge von 1,07 kg und Oxyäthylenäther von Nonylphenol, C9 H. .(C. H4) - 0
- (C H2 -
C H2 - 0) - H, in der Menge von 0,071 kg je hl Flüssigkeit zugesetzt.
Die Eigenschaften der Bohrflüssigkeit nach dem Zusatz dieser Verbindungen waren
wie folgt
| Fließgrenze ...................... 0,088 kg/m2 |
| Plastische Viskosität . . . . . . . . . . . . . . 10,3 Centipoisen |
| Gelfestigkeit am Anfang . . . . . . . . . . . 0 g |
| Gelfestigkeit nach 10 Minuten ...... 0 g |
Das Bohren wurde unter Verwendung dieser Flüssigkeit fortgesetzt, bis das Loch mit
Erfolg bei einer Tiefe von 2960 m vollendet war.
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Vier andere Bohrlöcher waren zuvor in der Nachbarschaft des obengenannten
Bohrloches gebohrt worden. In jedem dieser Bohrlöcher wurde die gleiche Art von
Bohrflüssigkeit zu Anfang verwendet, wie sie bei - dem obengenannten Bohrloch verwendet
wurde. Bei ungefähr der gleichen Tiefe wie bei der obengenannten Bohrung wurde jede
der beim Bohren dieser vier früheren Bohrlöcher verwendeten Flüssigkeiten in eine
übliche calciumbehandelte Bohrflüssigkeit durch Zusatz von Calciumsulfat und Natriumhydroxyd
umgewandelt. Es wurde außerdem Natriumcarboxymethylcellulose zugesetzt. Die vorwiegend
hydrophile Verbindung und die vorwiegend hydrophobe Verbindung wurden jedoch diesen
Bohrflüssigkeiten nicht zugesetzt. Das Bohren wurde bei diesen vier Bohrungen auf
im wesentlichen die gleiche Tiefe wie das ursprüngliche Bohrloch fortgesetzt. Beim
Bohren des letztgenannten Bohrloches wurde im Vergleich mit dem Bohren der früheren
vier Bohrlöcher die Bohrzeit um 15 bis 50 °/o herabgesetzt, die Anzahl der verwendeten
Bohrschneiden wurde um 12 bis 40 °/o herabgesetzt, und die Pumpenleistung wurde
um 75 °/o herabgesetzt; es wurden keine Auswaschungen mehr angetroffen, und es wurde
ein dünner Schlammkuchen mit einem Minimum von Filtratinvasion an den Wänden des
Bohrloches gebildet.
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Es ist ersichtlich, daß die Erfindung nicht auf die besonderen in
den Beispielen angegebenen Bedingungen beschränkt ist.