DE1148953B - Verfahren zum Bohren durchlaessiger Gebirgsschichten - Google Patents

Description

DEUTSCHES

PATENTAMT

S77568VIa/5a

ANMELDETAG: 16. J A N U A R 1962

BEKANNTMACHUNG DER ANMELDUNG UND AUSGABE DER AUSLEGESCHRIFT: 22. MAI 1963

Bei dem Bohren tiefer Bohrungen in durchlässigen Gebirgsschichten unter Verwendung einer Bohrflüssigkeit ist es üblich, in diese Bohrflüssigkeit feste Teilchen einzubringen, die sich dann an den Wänden des Bohrlochs und an dessen Boden ablagern, während die Bohrflüssigkeit unter dem im Bohrloch herrschenden Druck in das Gebirge eindringt. Dabei wird eine Filterschicht an der Wand des Bohrlochs gebildet, die den weiteren Durchgang von Flüssigkeit aus dem Bohrloch in das Gebirge behindert oder sogar so gut wie unterbricht. Die so aufgebaute Filterschicht bildet eine Trennung zwischen der unter hohem Druck stehenden Zone des Bohrlochs und der unter niederem Druck stehenden flüssigkeitsgesättigten Gebirgsschicht. Dadurch besteht in der Bohrlochwand durch die Filterschicht ein hoher Druckabfall. Es wurde nun gefunden, daß dieser Druckunterschied einen sehr unvorteilhaften Einfluß auf die Bohrleistung hat, die beispielsweise in der Zunahme der Bohrtiefe je Umdrehung des Bohrkopfes ausgedrückt werden kann. Dieser ungünstige Einfluß beruht unter anderem auf der Tatsache, daß beim Bohren in geringer Tiefe die Bohrleistung im allgemeinen besser ist als beim Bohren in großer Tiefe unter sonst gleichen Bedingungen und unter Berücksichtigung beispielsweise der Art des Gebirges, der Meißelbelastung und der Geschwindigkeit, mit der der Meißel umläuft. Dies läßt sich dadurch erklären, daß am Boden des Bohrlochs eine Druckdifferenz zwischen Bohrflüssigkeit und der Flüssigkeit in der Gebirgsschicht besteht und demzufolge der Druckabfall durch die Filterschicht mit zunehmender Tiefe der Bohrung ansteigt. Besteht in der Filterschicht ein großer Druckabfall, so steht die benötigte Bohrkraft zur Ablösung eines Teilchens vom Boden des Bohrlochs in einem gewissen Verhältnis zu der Differenz der Flüssigkeitsdrücke, die auf das Teilchen auf der Seite des Bohrlochs und auf der Seite der Gebirgsschicht wirken. Diese Druckdifferenz preßt das Teilchen gegen das Gestein und verhindert seine Abhebung davon.

Durch Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens, welches eine Bohrflüssigkeit benutzt, die das Gebirge abdichtet und zu keinem hohen Druckabfall an der Wand des Bohrlochs führt, wird diese Erscheinung ausgeschaltet bzw. ihr entgegengewirkt, wodurch eine größere Bohrleistung erreicht wird. Nach dem erfindungsgemäßen Verfahren wird das Gebirge nicht oder so gut wie nicht zwischen Gebirge und Bohrloch durch eine Bindeschicht, nämlich an der Bohrlochwand abgedichtet, sondern soweit als möglich innerhalb des Gebirges selbst in einem gewissen Abstand von der Bohrlochwand. Der in der Gebirgsschicht in Verfahren zum Bohren durchlässiger Gebirgsschichten

Anmelder:

Shell

Internationale Research Maatschappij N. V., Den Haag

Vertreter: Dr.-Ing. F. Wuesthoff, Dipl.-Ing. G. Puls und Dipl.-Chem. Dr. rer. nat. E. Frhr. v. Pechmann, Patentanwälte, München 9, Schweigerstr. 2

Beanspruchte Priorität: Niederlande vom 18. Januar 1961 (Nr. 260 171)

Lodewijk Johannes Schmit Jongbloed und Nicolaas Henk van Lingen, Rijswijk

(Niederlande), sind als Erfinder genannt worden

der Nähe der Wand des Bohrlochs auftretende Druck ist dann gleich oder so gut wie gleich dem in dem Bohrloch, folglich ist das von dem Bohrmeißel aus der Wand des Bohrlochs abzuhebende Teilchen auf allen Seiten dem gleichen Druck ausgesetzt, so daß keine zusätzliche Kraft erforderlich ist, um die Bindung des Teilchens am festen Gestein gegen die Wirkung einer Druckdifferenz innerhalb, d. h. quer durch das Teilchen selbst, aufzuheben.

Um zu gewährleisten, daß die Trennschicht zwischen der unter dem hohen Druck der Bohrflüssigkeit stehenden Zone und der unter dem niederen Druck der Gebirgsschicht stehenden Zone in gewissem Abstand von der Bohrlochwand, beispielsweise mindestens 0,1 bis 1 mm, ausgebildet wird, soll die Bohrflüssigkeit in das Gebirge eindringen ohne Ausbildung einer undurchlässigen Schicht an der Wand und soll die Poren des Gesteins verstopfen, nachdem sie in eine gewisse Tiefe eingedrungen ist. Die Herabsetzung der Durchlässigkeit in ölführenden Gesteinsschichten wird nach dem Bohrverfahren in an sich bekannter Weise

(z. B. durch Perforieren, Fracen) aufgehoben, damit das Öl ungehindert aus den Poren der Gebirgsschicht in die Sonde fließen kann.

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Dies kann erreicht werden durch geeignete Aus- spiel einer solchen Bohrflüssigkeit ist eine Lösung wahl und Zusammensetzung der Bohrflüssigkeit unter von Bitumen in Pyridin oder Paraffinwachs in Methyl-Berücksichtigung der Art und des Poreninhaltes der äthylketon. Bei einem Versuch mit einem solchen Gebirgsschicht. System unter sonst gleichen Bedingungen, wie oben

Es ist offensichtlich von besonderer Bedeutung, daß 5 bei Verwendung von Natriumseife angeführt, konnte die Bohrflüssigkeit keine Filterkuchenschicht an der nach 120 Sekunden eine Durchflußmenge von nur Bohrlochwand bildet, wie es bei Verwendung üblicher noch 10 ccm/Min. festgestellt werden. Bohrflüssigkeiten der Fall ist. Wenn die wäßrigen Es können auch andere Verfahren außer der BiI-

Substanzen der Bohrflüssigkeit in das Gestein ein- dung eines Niederschlags für die Verstopfung der dringen, so werden die meisten festen Teilchen ver- io Poren von Gesteinsschichten herangezogen werden, schiedener Größe an der Bohrlochwand abgelagert, Ein Verfahren benutzt einen hohen Viskositätsanstieg wo sie bald eine Filterschicht aufbauen, die für wei- der Bohrflüssigkeit nach ihrem Eindringen in die Getere Flüssigkeit undurchdringlich oder so gut wie un- Steinsschicht. Hierfür geeignet ist beispielsweise eine durchdringlich ist. Demnach soll die nach dem erfin- Aluminiumcarboxymethylcellulose, gelöst in einer dungsgemäßen Verfahren verwendete Bohrflüssigkeit 15 alkalischen Flüssigkeit. Diese Lösung zeigt eine große keine festen Teilchen der Art enthalten, die eine im Zunahme an Viskosität bei abnehmender Alkalität wesentlichen undurchdringliche Filterschicht aufbauen infolge Verdünnung mit Wasser aus der Gebirgskörmen. schicht.

Es gibt verschiedene Möglichkeiten, die Poren des Weiter muß noch darauf hingewiesen werden, daß

Gesteins mit Hilfe einer Bohrflüssigkeit zu verstopfen. 20 die Anwesenheit von festen Teilchen großer Korn-Es ist z. B. möglich, die Tatsache heranzuziehen, daß größe in der Bohrflüssigkeit nicht zu einer Filtersolche Poren mit einer Flüssigkeit gefüllt sind, die ge- kuchenschicht in dem Gestein führt. Sind die Teilchen löste Salze, insbesondere Natriumchlorid, enthalten. so groß, daß die Poren ihrer Schüttung von der glei-In diesem Fall können der Bohrflüssigkeit gelöste chen Größenordnung sind wie die in der Gebirgs-Substanzen zugesetzt werden, die zusammen mit dem 25 schicht, so ändert sich der Durchfluß durch eine Salz der Gebirgsflüssigkeit zu einem Niederschlag Schicht solcher festen Teilchen an der Wand der Ge- oder einer Ausflockung führen, der bzw. die den birgsschicht nicht wesentlich. Befindet sich jedoch in Durchgang durch diese Poren verengt oder sogar voll- der Bohrflüssigkeit ein Stoff mit weit gespannter Kornständig abschließt. Solche Substanzen für die Bohr- größenverteilung, so ist dies den Wirkungen des erflüssigkeit sind Bleisalze, wie Bleiacetat, und Natrium- 30 findungsgemäßen Verfahrens entgegengesetzt, da in seifen, z. B. Natriumstearat. Wenn derartige Bohr- diesem Fall die zwischen den größeren Teilchen der flüssigkeiten in die Poren des Gebirges eindringen, abgeschiedenen Schicht verbleibenden Poren mit Teildie mit einer Salzlösung gefüllt sind, so kommen die chen der geringeren Korngröße gefüllt werden, bis beiden Flüssigkeiten durch Diffusion und Mischung eine im wesentlichen undurchdringliche Schicht aufzusammen, und der Niederschlag wird erst gebildet, 35 gebaut ist.

wenn die Bohrflüssigkeit bis in eine gewisse Tiefe ein- In vielen Fällen ist es notwendig, die Bohrflüssig-

gedrungen ist. Dieser Effekt wurde an einer Anzahl keit auf eine Dichte von 1,15 und höher einzustellen, von Experimenten festgestellt, bei denen verschiedene Bei der Anwendung des erfindungsgemäßen Verfah-Flüssigkeiten bei einem Druck von 25 atü durch rens können keine Bohrflüssigkeiten mit festen Teildurchlässiges Gestein, nämlich Gildenhauser Sand- 40 chen verwendet werden, die eine im wesentlichen stein, mit einer Durchlässigkeit von 3 Darcy, welcher kontinuierliche Korngrößenverteilung besitzen. In mit einer Lösung von 10 g Natriumchlorid in 100 ecm diesem Fall muß die Teilchengröße sorgfältig ausge-Wasser gesättigt war, untersucht wurden. Bei Ver- wählt werden, oder die Dichte der Bohrflüssigkeit Wendung von reinem Wasser betrug die Durchfluß- muß mit Substanzen wie Zucker, Glycerin oder menge durch das Gestein konstant 150 ccm/Min. 45 Wasserglas, die sich in der Bohrflüssigkeit lösen, einWenn jedoch eine wäßrige Lösung von BleiäeSte-mit gestellt werden. Bei Verwendung einer wäßrigen 45 g Bleiacetat auf 100 ecm Wasser verwendet wurde, Lösung von Bleiacetat ohne weitere Zusätze kann so betrug die Durchflußmenge nach 2 Minuten nur man eine Dichte von 1,25 erhalten, noch 45 ccm/Min. Der Bereich, in dem der Nieder- Folgende Versuche zeigen die Möglichkeit optima-

schlag gebildet wurde, konnte ungefähr 5 cm hinter 50 ler Ergebnisse des erfindungsgemäßen Verfahrens, dem Eintritt des Bleiacetats in den Sandstein gefun- nämlich die Erhöhung der Bohrleistung, den werden. Dieser Effekt war noch ausgeprägter, Bei einer Versuchsbohrung mit einer Bohrleistung

wenn man eine Seifenlösung mit 2 g Natriumseife je _Von 0,08 mm/Umdrehung unter Verwendung der 100 ecm Wasser verwendete. Nach 2 Minuten betrug üblichen Bohrflüssigkeiten, bestehend aus in Wasser die Durchflußmenge nur noch 8 ccm/Min. Die Sperr- 55 suspendierten Tonteilchen, beim Bohren von Gildenschicht, die der Niederschlag bildete, lag 3 cm hinter hauser Sandstein, gesättigt mit einer Salzlösung von dem Flüssigkeitseintritt. 10 g NaCl je 100 ecm Wasser, mit Hilfe einer Dia-

Beim Bohren von Salzschichten verwendet man im mantbohrkrone, 10 cm Durchmesser, und einer allgemeinen Bohrflüssigkeiten mit hohem Salzgehalt, Meißelbelastung von 1500 kg betrug der Druck im um ein Auslaugen der Salzschichten zu vermeiden. 60 Bohrloch 50 atü und der Druck in den Poren 0 atü, In diesen Fällen können die oben angegebenen Sub- wogegen bei einem Druck im Bohrloch von 0 atü und stanzen jedoch nicht verwendet werden. in den Poren von 0 atü eine Bohrleistung von 1,1 mm/

Eine andere Möglichkeit, um in Poren von Ge- Umdrehung erreicht wurde. Der hohe Druck in dem Steinsschichten einen Niederschlag zu erhalten, beson- Bohrloch führt demzufolge zu einer Herabsetzung der ders beim Bohren von Salzschichten, besteht darin, 65 Leistung um über 90%. Beim Bohren unter sonst daß man eine solche Bohrflüssigkeit verwendet, die gleich hohem Bohrdruck und gleichen Bedingungen, bei Verdünnung mit salzigem oder frischem Wasser jedoch unter Verwendung einer Lösung von 2% aus dem Gebirge einen-Niederschlag bewirkt. Ein Bei- Natriumstearat als Bohrflüssigkeit, betrag die Bohr-

leistung 0,8 mm/Umdrehung, das ist lOmal mehr als die Leistung mit einer Tonsuspension in Wasser.

Es muß darauf hingewiesen werden, daß — wenn feste Teilchen, die eine Filterkuchenschicht bilden können, vom Gebirge durch das Bohren abgelöst werden — es wichtig ist, daß diese Teilchen, sofort nachdem sie freigesetzt wurden, so schnell als möglich aus dem Arbeitsbereich des Meißels entfernt werden, unter anderem durch Anwendung eines Stroms von Bohrflüssigkeit mit hoher Geschwindigkeit, und daß diese Teilchen aus der umgepumpten Bohrflüssigkeit entfernt werden, bevor diese in das Bohrloch zurückgeleitet wird.

Schließlich wird auf folgendes hingewiesen: Wenn ein Bohrloch gebohrt wird, so werden über die gesamte Teufe nicht immer durchlässige Gebirgsschichten durchbohrt. Undurchdringliche und sehr wenig durchdringliche Schichten können auch vorliegen. Wenn jedoch durchlässige Schichten über die ganze zu erbohrende Teufe zu erwarten sind, so kann eine Bohrflüssigkeit nach der Erfindung im allgemeinen über die gesamte Bohrung verwendet werden. Der für durchlässige Schichten beschriebene Effekt tritt jedoch nicht auf beim Erbohren undurchlässiger oder nur sehr wenig durchlässiger Schichten.

Claims (9)

PATENTANSPRÜCHE:

1. Verfahren zum Bohren durchlässiger Gebirgsschichten unter Verwendung einer Bohrflüssigkeit, dadurch gekennzeichnet, daß man eine solche Bohrflüssigkeit verwendet, die beim Eindringen in die Gebirgsschichten keine undurchdringliche Schicht an der Wand des Bohrlochs bildet, sondern die Durchlässigkeit der Gesteinsschicht in gewissem Abstand von der Bohrlochwand herabsetzt.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß man Bohrflüssigkeiten verwendet, die eine lösliche Substanz enthalten, welche im Kontakt mit der im Gebirge vorhandenen Flüssigkeit einen Niederschlag bildet, der die Poren der Gebirgsschicht verstopft.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß man als Bohrflüssigkeit eine wäßrige Lösung eines Bleisalzes, insbesondere Bleiacetat, verwendet.

4. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß man als Bohrflüssigkeit eine wäßrige Lösung einer Seife, vorzugsweise Natriumstearat, verwendet.

5. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß man als Bohrflüssigkeit eine Lösung solcher Substanzen verwendet, die unter Verdünnung mit in der Gebirgsschicht vorhandenem Wasser Niederschläge bildet.

6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß man als Bohrflüssigkeit eine Lösung von Bitumen in Pyridin oder Paraffinwachs in einem Lösungsmittel, wie Methyläthylketon, verwendet.

7. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß man eine solche Bohrflüssigkeit verwendet, die beim Eindringen in die Gebirgsschicht eine Erhöhung der Viskosität zeigt, vorzugsweise eine Lösung von Aluminiumcarboxymethylcellulose.

8. Verfahren nach Anspruch 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß man eine Bohrflüssigkeit, die zusätzlich noch feste Teilchen einer solchen Korngröße enthält, daß sie keine undurchdringliche Schicht an der Bohrlochwand bilden, verwendet.

9. Verfahren nach Anspruch 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß man die Dichte der Bohrflüssigkeit durch Lösung von Substanzen erhöht.

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