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Verfahren zur Herstellung einer Bohrflüssigkeit Gegenstand der Erfindung
ist ein Verfahren zur Herstellung einer verbesserten Bohrflüssigkeit zur Verwendung
beim Abteufen von Öl- und Gasbohrungen.
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Diese Flüssigkeit, die innerhalb des Bohrgestänges nach unten gepumpt
wird und im Ringraum zwischen Bohrgestänge und Bohrloch zurückkehrt, dient mehreren
Zwecken. Sie wirkt als Kühl- und Schmiermittel für den Bohrmeißel, zur Förderung
des Bohrkleins an die Oberfläche sowie zur Bildung einer Filterkuchenschicht an
der Wand des Bohrlochs. Die Flüssigkeit besteht normalerweise aus einer wäßrigen
Suspension eines quellenden oder hydratisierbaren Tons, wie Bentonit, zusammen mit
feinkörnigem Material, wie es z. B. beim Bohren gebildet wird. Auch andere Stoffe
können zugesetzt werden, wie beschwerende Materialien, wenn hohe Drücke auftreten,
Stärke und Harzprodukte zur Förderung der abdichtenden Eigenschaften der Flüssigkeit,
sowie eine Reihe anderer Materialien, wenn Flüssigkeiten hergestellt werden sollen,
die unter besonderen Bedingungen verwendet werden.
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Wegen ihrer Aufgabe, das Bohrklein aus dem Bohrloch zu entfernen,
müssen die Viskositätseigenschaften der Flüssigkeit innerhalb bestimmter Grenzen
liegen. Die Viskosität der Flüssigkeit muß so hoch sein, daß das Bohrgut auf seinem
Weg vom Meißel zur Oberfläche getragen wird, darf aber nicht so hoch sein, daß dadurch
der Umlauf erschwert wird und übermäßig hohe Drücke im Pumpsystem auftreten. Gleichzeitig
muß die Festigkeit des Gels, das sich beim Stehenlassen bildet, so hoch sein, daß
sich das Bohrgut im Bohrloch nicht absetzt, wenn der Umlauf .aus irgendeinem Grunde
unterbrochen wird, das Gel darf sich aber nicht so schnell bilden, daß das Absetzen
und Entfernen des Bohrguts im Schlammbecken verhindert wird. Ferner darf die Gelbildung
nicht so weit fortschreiten, daß Schwierigkeiten beim erneuten Anpumpen eintreten
können.
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Die erforderlichen Eigenschaften des Schlammes lassen sich manchmal
mit einer unbehandelten Suspension von Natriumbentonit erzielen; häufig ist es aber
notwendig, besonders wenn höhere Dichten (Feststoffgehalte) im Schlamm erforderlich
sind, Verdünnungsmittel zuzusetzen, um niedrigere Viskositäten und Gelfestigkeiten
zu erzielen. Zu diesem Zweck werden z. B. bestimmte Phosphate, Quebracho und andere
Tanninextrakte verwendet. Sulfitablauge und verschiedene Ligninosulfate sind für
diesen Zweck unwirksam.
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Natronalkalische Schlämme widerstehen nur wenig der Verunreinigung
durch Salz und Anhydrit. Eine gewisse Verbesserung wurde durch Verwendung von kalkalkalischen
Schlämmen erzielt, die durch Umwandlung von Natriumbentonit in Calciumbentonit erhalten
werden. Die Umwandlung erfolgt durch Zusatz von Natriumhydroxyd und Calciumhydroxyd
gewöhnlich in Mengen von etwa 570 bis 1380 g pro 1001 Schlamm. Zur Förderung eines
glatten Umschlages und zur Regulierung der Viskositäten und Gelstärken der Kalkschlämme
muß ein Verdünnungsmittel verwendet werden. In diesem Zusammenhang wird auf die
USA.-Patentschrift 2 858 271 verwiesen, in der eine Bohrflüssigkeit beschrieben
ist, die ein speziell hergestelltes Ligninsulfonat als Verdünnungsmittel enthält.
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Kalkschlämme haben gewisse Nachteile, wenn übermäßige Verunreinigung
und hohe Bodentemperaturen auftreten. Sie haben normalerweise einen pH-Wert von
etwa 12,5 und werden bei hohen Temperaturen fest. Unter diesen Umständen erwies
sich die Verwendung von Gipsschlämmen als zweckmäßig. Diese werden aus Natronschlämmen
durch Zusatz von 885 bis 1380 g Calciumsulfat pro 1001 mit anschließender Einstellung
des PH-Wertes auf einen geeigneten Bereich - gewöhnlich 8 bis 8,5 -hergestellt.
Gipsschlämme werden durch Verunreinigung mit Anhydrit wenig beeinträchtigt, da sie
in bezug auf Calciumsulfat bereits gesättigt sind. Sie widerstehen in viel höherem
Maße der Verunreinigung durch Salz, und auf Grund ihres niedrigeren pH-Wertes sind
sie weniger der Verfestigung bei hoher Temperatur unterworfen. Gipsschlämme haben
jedoch
den Nachteil, daß hohe Viskositäten und Gelstärken auf bekannte Ligninsulfonate
oder andere Verdünnungsmittel nicht gut ansprechen.
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Gegenstand der Erfindung ist ein Gipsschlamm, in dem Viskositäten
und Gelstärken durch Verwendung eines Ligninsulfonats als Verdünnungsmittel einwandfrei
unter Kontrolle gehalten werden können. Es wurde gefunden, daß dies durch Zusatz
von Eisensulfat zusammen mit einem Alkalidichromat zu=r natronalkalischen Sulfitablauge
erreicht wird.
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Zur Herstellung der als Dispergiermittel für die Bohrflüssigkeit verwendeten
Sulfitablauge wird natronalkalische Sulfitablauge, die einen Feststoff-Gehalt von
etwa 50% .und einen pi1-Wert von vorzugsweise etwa 7 aufweist, in einem Druckbehälter
entweder direkt durch Frischdampf oder indirekt durch Wärmeaustausch auf eine Temperatur
von 132 bis 149= C erhitzt. Dann werden zur Oxydation etwa 3,75 bis 7,51 Luft je
Liter Flüssigkeit je Minute durch einen Verteiler in den Behälter eingeführt. Um
beste Ergebnisse zu erzielen, ist eine Mindestreaktionszeit von etwa einer Stunde
erforderlich. Bei den geringeren Luftmengen können Reaktionszeiten bis zu 3 Stunden
notwendig sein. Durch diese Oxydationsbehandlung wird der pit-Wert der Lauge gesenkt.
Die besten Resultate werden bei einem End-pH-Wert von 4 bis 4,5 erzielt. Der p11-Wert
soll während dieser Behandlung nicht unter 3.5 fallen.
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Der auf diese Weise oxydierten Sulfitablauge werc..en dann erfindungsgemäß
wenigstens 5% und höchstens 2511/o Eisensulfat, bezogen auf das Gewicht der Feststoffe
in der Ablauge, zugesetzt. Die Mischung wird dann eingedickt, vorzugsweise durch
Versprühen.
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Zur Herstellung der Bohrflüssigkeit wird das Disperaiermittel mit
dem Tonbrei in einer Menge von 570 bis 885 g11001 Brei gemischt.
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Die Wirksamkeit des Zusatzes von Eisensulfat zur Bohrflüssigkeit ist
aus folgenden Vergleichsversuchen ersichtlicb: 11361 einer eingedampften natronalkalischen
Sulfitablauge, deren Feststoffgehalt 5011.10 betrug, wurden auf die oben beschriebene
Weise bei einer Temperatur von 146° C mit Frischdampf behandelt. Dann wurde Luft
in einer Menge von 4,25 m3 (bezogen auf Atmosphärendruck) je Minute eingeführt und
die Behandlung 2 Stunden bei dieser Temperatur fortgesetzt. Nach der Herausnahme
aus dem Autoklav wurden Natriumdichromat und Ferrosulfat in solchen Mengen zugesetzt,
daß die Mischung 3 % Natriumdiehromat und 18% Ferrosulfat, bezogen auf das Gesamtgewicht
der Mischung bei einem Feststoffgehalt von 4011/o, enthielt. Nun wurden Messungen
der dispergierenden Eigenschaften des Mittels an einem Gipsbohrschlamm durchgeführt.
Aus einem 711/oigen Bentonitschlamm wurde ein künstlicher Bohrschlamm hergestellt,
der nach Altern über Nacht unmittelbar nach kräftigem Rühren folgende Eigenschaften
aufwies: Viskosität . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14 cP Null-Gel .....................
0 10-Minuten-Gel . . . . . . . . . . . . . . . 40 g pH-Wert ......................
8,9 Wasserverlust . . . . . . . . . . . . . . . . . 12,0 cms Der Schlamm wurde in
Portionen von je 350 cm-" Geteilt. Jedem Teil wurden 3 g des Dispergiermittels (entsprechend
855 g7100 1) aus jeder Stufe seiner Herstellung zugegeben. Na--h Umrühren wurden
3 g Calciumsulfat zugegeben, Lind der ptt-Wert wurde auf 8,5 eitlgestellt. Dann
wurden die Viskositäten und Gelstärken nach der Standard-Methode des American Petroleum
Institute gemessen. Die Ergebnisse sind nachstelicnd aufgeführt:
Wie aus der Tabelle ersichtlich. vermindert die Zugabe von Eisensulfat in b; achtlichem
Maße die Viskosität der Bohrflüssigkeit und setzt die Gelstärken erheblich herab.