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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Steuerung der Gelierung einer
wasserlöslichen Gummi enthaltenden Abdichtflüssigkeit für durchlässige Erdformationen
unter Verwendung von Ammoniumpersulfat als Gelbrecher.
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Bei einer als Bohrlochbehandlungsflüssigkeit verwendeten wäßrigen
Guar-Gummi-Lösung ist es bekannt, den Gelierungsvorgang durch einen höheren Anteil
Gummi zu beschleunigen, der am Ende des Vorgangs zur Verringerung der Viskosität
der Flüssigkeit abgebaut wird. Ferner hat man beim Abteufen von Schächten zum Abdichten
und Verflüssigen einer wasserhaltigen Formation in diese Kieselsäure-Hydratlösung
eingebracht, die aus einer Mischung von mit Wasser verdünnter Säure und einer verdünnten
Lösung von Natriumsilikat erhalten wurde. Die Gelbildung kann hierbei durch Vergrößerung
der Menge des einen oder anderen Stoffes oder durch Verminderung der Wassermengen
beschleunigt werden.
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Beim Herstellen von Bohrlöchern in durchlässiger Erdformation ist
es häufig erforderlich, die Gelierung der Abdichtflüssigkeit zu verändern, damit
die durchlässige Erdformation durch Gelierung der Abdichtflüssigkeit erst dann verschlossen
wird, wenn die Flüssigkeit sicher an die zu verschließende Stelle gelangt ist. Diese
Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Viskosität der den wasserlöslichen
Gummi und eine wäßrige Lösung von Na-Silikat enthaltenden Abdichtflüssigkeit zu
Beginn der Behandlung durch Bemessung der anteiligen Mengenverhältnisse erhöht und
für das Ende der Behandlung durch die vorherige Zugabe einer bestimmten Menge des
als Gelbrecher wirkenden Ammoniumpersulfats zur Abdichtflüssigkeit wieder vermindert
wird.
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Die Gelzeiten, die benötigt werden, um eine verhältnismäßig dünne
Flüssigkeit in eine solche hoher Viskosität umzuwandeln oder die Flüssigkeit zu
einer gummiartigen, geleeähnlichen Masse abzubinden, können durch Verändern der
Menge an Na-Silikat und/oder Salz, die dem Wasser vor dem Zusetzen des Gummis beigegeben
werden, sowie durch Verändern der Menge des in diesem System verwendeten Gummis
gesteuert werden. Die Stabilität des Gels oder der gummiartigen, gelee'ähnlichen
Masse kann durch die Menge an Natriumchlorid gesteuert werden, das in dem verwendeten
Wasser aufgelöst wurde. Eine zusätzliche Steuerung der Gelstabilität kann durch
Zusatz einer verhältnismäßig kleinen Menge eines oxydierenden Mittels erreicht werden.
Ammoniumpersulfat oder ein anderes oxydierendes Mittel wirkt als innerer chemischer
Rufbrecher, der die Zeit bis zur Weiterverflüssigung des Gels bestimmt.
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Zweckmäßig wird einer Lösung von etwa 2 bis 401 Na-Silikat in 40001
Wasser Ammoniumpersulfat in einer Menge von 5 bis 12 kg zugesetzt.
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Das Verfahren gemäß der Erfindung kann in der Weise durchgeführt werden,
daß an der Bohrungsstelle oder am Bohrlochkopf Wasser, Na-Silikat und Gummi miteinander
vermischt und dann in der gewünschten Formation eingebracht werden. Nachdem die
Mischung eine vorbestimmte Zeit in dem gewünschten Bereich der Formation eingedrungen
ist, tritt eine Reaktion ein, und die Mischung bildet dann ein steifes Gel oder
eine gummiartige, geleeähnliche Masse, wobei sie die gewünschte Zone verstopft oder
abdichtet. Die gummiartige, geleeähnliche Masse bricht eventuell nach einer bestimmten
Zeit auf oder geht in eine verhältnismäßig dünne Viskosität über. Wenn ein Aufbrechen
erforderlich ist, können innere oder äußere Brecher verwendet werden. In Verbindung
mit dem Gelierungssystem haben sich innere Rufbrechmittel, z. B. oxydierende Mittel,
bewährt.
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Es können auch äußere Rufbrechmittel, wie Salzsäure oder andere geeignete
Säuren, verwendet werden. Die Salzsäure wirkt als äußeres Rufbrechmittel, muß aber
mit dem Gel in Berührung kommen.
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Als chemisches Rufbrechmittel kann auch eine eingekapselte Säure verwendet
werden. Diese Maßnahme ist jedoch ziemlich teuer. Enzyme (Gärungsstoffe), die manchmal
als innere Rufbrechmittel verwendet werden, sind temperatur- und p11-empfindlich
und können unter bestimmten Bedingungen zweckmäßig sein.
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Es ist ferner möglich, mit einem »Zweistrom«-Verfahren zu arbeiten,
indem die wäßrige Natriumsilikatlösung den einen Strom und der Gummi den zweiten
Strom darstellt. Hierbei können sich die beiden Ströme an der Bohrung, am Bohrlochkopf,
in der Bohrung oder an irgendeinem anderen Punkt vor dem Eintreten in die gewünschte
abzusperrende oder zu verschließende Zone miteinander vermischen. Zur Erzielung
guter Ergebnisse soll die gelierende Mischung oder Flüssigkeit vor dem Eintreten
in die zu verschließende Zone gut durchgemischt sein.
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Nachfolgend wird die Erfindung an Hand der Beschreibung mehrerer Versuche
näher erläutert.
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Bei den Versuchen wurde zur Einstellung gleichmäßiger Gelierungszeiten
der pH-Wert des beigemischten Wassers auf 7,0 eingestellt. Das normalerweise im
Feld zur Verfügung stehende Wasser weist einen pH-Wert zwischen 6 und 8 auf. Wenn
der pH-Wert des Mischwassers vor dem Hinzufügen von Natriumsilikat auf 7 eingestellt
wird, können Tabellen zur Verwendung im Feld aufgestellt werden, die die genaue
Gelzeit oder Gelierungsdauer enthalten. Es ist ein Vorteil der vorliegenden Erfindung,
daß genaue Gelzeiten erhalten werden können. Beispiel A Verwendete Materialien Gummi:
ein abgewandelter, natürlicher, fein zerkleinerter oder pulverisierter Guargummi;
Natriumsilikat: ein Natronsilikat (Wasserglas), Sorte Nr.33, enthaltend 1 Teil Natriumoxyd
und 3,85 Teile Silikat; Wasser: Frischwasser, wenn nicht näher bezeichnet. Verfahren
Der pH-Wert des Mischwassers wurde auf 7,0 eingestellt, bevor die gewünschte Menge
an Natriumsilikat zum Erreichen einer gewünschten Reaktionsgeschwindigkeit bei der
Gummi-Hydratisierung zugesetzt wurde. Zu 37801 Mischwasser und Natriumsilikat bei
26° C wurden 140 kg Gummi unter Rühren der Flüssigkeit zugefügt. Zu der wäßrigen
Gelierungsflüssigkeit wurden verschiedene Mengen an Natriumsilikat hinzugefügt.
Zum Aufzeichnen der Viskosität wurde ein Fann-V-G-Meter benutzt. Der bei 300 Umdrehungen
pro Minute abgelesene Stand wurde zu einem Nr.-1,0-Federfaktor korrigiert. Die Skalenstände,
die
der scheinbaren Viskosität in Centipoises entsprachen, Zeit und Temperatur, wenn
eine andere als Raumtemperatur, wurden aufgezeichnet.
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In einigen Versuchen wurden die Mengen an Gummi verändert, während
in anderen Versuchen nur das Grundwasser verändert wurde, um die Wirkung von verschiedenen
Wasserarten bei unterschiedlichen Temperaturen festzustellen.
| Tabelle IV |
| Wasser: 10% Natriumchloridwasser |
| Natriumsilikat: 7,61 |
| Zeit Skalenstände - Kilogramm Gummi |
| (Minuten) |
| 100 90 82 75 |
| 1 11,2 8,9 7,1 5,7 |
| 2 41,5 1 38,2 28,2 20,8 |
| 4 170,0 155,0 117,5 98,5 |
| 6 300,0 262,0 201,0 149,0 |
| 8 300,0 231,5 187,0 |
| 10 279,5 215,0 |
| 12 300,0 , 262,8 |
| 14 274,5 |
| 16 290,8 |
| 18 289,0 |
| 20 293,1 |
| Tabelle V |
| Wasser: gesättigtes Natriumchloridwasser; |
| Natriumsilikat: 7,61 |
| Zeit Skalenstände - Kilogramm Gummi |
| (Minuten) |
| 100 90 82 i 75 |
| 1 7,8 7,0 6,0 5,2 |
| 2 16,5 15,3 11,0 9,2 |
| 4 49,5 47,0 30,0 26,0 |
| 6 125,0 105,0 58,5 47,5 |
| 8 185,0 145,0 101,5 83,5 |
| 10 240,0 197,0 133,0 109,0 |
| 12 268,0 238,0 - 141,5 |
| 14 300,0 300,0 200,0 166,0 |
| 16 1 234,5 182,0 |
| 20 293,5 239,0 |
| 25 300,0 265,0 |
| 30 284,5 |
Beispiel B Die Wasser-Gel-Lösung wurde in gleicher Weise wie im Beispiel A unter
Verwendung von 37801 Wasser, 11,21 Natriumsilikat und 140 kg Gummi zubereit. Es
wurden Gel-Aufbruchsversuche unter Verwendung verschiedener Wasserlösungen und bei
unterschiedlichen Temperaturen vorgenommen.
| Tabelle VI |
| Frischwasser |
| Zeit Skalenstände - Temperatur, ° C |
| (Stunden) |
| 82,2 71 I 60 49 37,8 |
| 1,5 96,0 285,0 300,0 I 300,0 300,0 |
| 6,0 40,2 65,1 283,2 300,0 300,0 |
| 8,0 38,1 58,0 227,9 300,0 300,0 |
| 26,0 35,0 54,5 105,0 300,0 300,0 |
| 31,0 36,0 54,0 99,0 300,0 300,0 |
| 97,0 31,0 53,2 79,0 300,0 300,0 |
| 173,0 22,0 48,5 53,0 4,5 3,5 |
| 197,0 23,5 48,5 48,7 - - |
| Tabelle VII |
| 10 Gewichtsprozent Salzwasser |
| Zeit Skalenstände - Temperatur, ° C |
| 82,2 71 60 49 37,8 I 26,7 |
| 196 Stunden 300 300 300 300 300 300 |
| 34 Tage aufgebrochen 300 300 300 300 300 |
| 60 Tage ! 300 * 300 * 300 * 9 * 300 |
| * Schien eine Wasserverdünnung aus der Kondensation im Wasserbad
bei allen Temperaturen über 37,8° C beim 60-Tage- |
| Stand zu sein. Diese Proben brachen alle nach einer sechsstündigen
Abkühlung auf Zimmertemperatur auf. |
Tabelle VIII Gesättigtes Natriumchloridwasser Nach 60 Tagen wurde bei allen Temperaturen
(s. Tabelle VII) kein Gelaufbruch bemerkt. Beispiel C Das im Beispiel A beschriebene
Verfahren wurde aufrechterhalten, indem 37801 Leitungswasser,
7,51
Natriumsilikat
und 140 kg Gummi verwendet wurden. Diese Lösung wurde in vier gleiche Teile geteilt,
so daß verschiedene Mengen Ammoniumpersulfat unter den gleichen Bedingungen geprüft
werden konnten. Nachdem die Lösung anfing, sich zu hydratisieren, wurden verschiedene
Mengen Ammoniumpersulfat hinzugefügt. Der Gummi gelierte sehr schnell und band zu
einem 300-I--Fann-V-G-Meter-Stand ab unter Verwendung einer Feder Nr. 1.
| Tabelle IX |
| 0,45 kg Ammoniumpersulfat pro 37801 |
| Zeit Skalenstände |
| 10,4 kg 9,2 kg 6,8 kg I 4,5 kg |
| 4 Stunden 300,0 300,0 300,0 300,0 |
| 24 Stunden 300,0 300,0 300,0 300,0 |
| 48 Stunden 174,5 190,0 245,0 285,5 |
| 72 Stunden 92,0 106,5 128,0 152,5 |
| 6 Tage 28,5 32,0 30,0 51,0 |
Die obengenannten Versuche zeigten, daß zufriedenstellende Gele durch Hinzufügen
verschiedener Mengen an Natriumsilikat zum Wasser und anschließendem Zusatz von
wasserlöslichem Gummi erhalten werden können. Die Versuche zeigten ferner, daß bei
einer konstanten Menge an Gummi eine erhöhte Menge Natriumsilikat eine längere Gelierungszeit
ergab und daß unter Beibehaltung einer konstanten Menge an Natriumsilikatlösung
eine erhöhte Geliergeschwindigkeit durch Verminderung des Gummigehalts des fertigen
Gels erreicht wurde. Außerdem wurde bei einer bestimmten Temperatur eine lange Wirksamkeit
unmittelbar auf die Menge an im Wasser vorhandenem Natriumchlorid zurückgeführt.
Ferner erwies sich Ammoniumpersulfat als wirksames Mittel zum Aufbrechen eines aus
wasserlöslichem Gummi und Natriumsilikat bereiteten Gels. Man kann außerdem die
Lebensdauer des Gels durch Verwendung geringerer Mengen an Ammoniumpersulfat verlängern.
Zur einwandfreien Ausführung einer Feldarbeit wird das folgende Verfahren empfohlen:
1. Die Menge an benötigtem, fertigem Gel schätzen; 2. die Menge an Chemikalien festsetzen,
die eine genügende Zeit zum Vermischen und Plazieren der Abdichtungsmischung in
der gewünschten Zone ermöglichen; 3. untersuchen, ob Aufbrechmittel erforderlich
sind; dies hängt von der erwünschten oder notwendigen Dauer der Abdichtung ab; 4.
Natriumsilikat in Wasser mit einem AusgangspH-Wert von 7,0 vermischen; 5. eine geeignete
Menge an Gummi zu der Natriumsilikatlösung hinzufügen und gut vermischen; 6. das
Gemisch in die gewünschte Zone bringen; 7. zur Erzielung von besten Ergebnissen,
das Gel 15 Minuten nach Erreichen der »am Ort«-Phase der Behandlung bewegungslos
lassen, bevor geprüft wird, ab das Gel dem gewünschten Druck standhält.
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Nachfolgend wird ein Beispiel einer typischen Feldarbeit erläutert:
Menge an zur Beendigung der Arbeit notwendigem Gel .... 37801 Tiefste Bohrlochtemperatur
.... ungefähr 50° C Zeit zum Transportieren des gelierenden Materials . .
. . . . . . . 6 Minuten Notwendige Lebensdauer des Gels . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . 2 Tage Gelierende Materialien . . . . . . . . 140 kg Guargummi,
111 Natriumsilikat Maximal zugelassene Zeit zum Vermischen und Pumpen
.... 8 Minuten Aufbrechmittel . . . . . . . . . . . . . . . 4,5 kg Ammoniumpersulfat
Verfahren 1. Die ganz mechanische Ausrüstung an der Bohrung montieren und alle Tanks,
Pumpen, Ventile und Leitungen zur Behandlung der Bohrung vorbereiten; 2. 37801 Leitungswasser
in einen Mischtank oder Tanks füllen; den pH-Wert des Wassers wenn nötig auf 7,0
einstellen; 3. 111 Natriumsilikatlösung zum Wasser geben und sorgfältig mischen;
4.
140 kg Guargummi zur Wasserlösung geben und mit einer Pumpe oder einem Rührholz
1 Minute lang verteilen; 5. 4,5 kg Ammoniumpersulfat zum gelierenden Material hinzufügen,
während es bewegt wird; vollständig während einer Minute verteilen; 6. das gelierende
Material sofort in die Formation bringen und die Bohrung verschließen; 7. 15 Minuten
warten, bevor untersucht wird, ob das Gel dem gewünschten Druck standhält. Es wird
Natriumsilikat in einer Menge von etwa 1,8 bis etwa 37,81 pro 37801 Wasser verwendet.
Unter bestimmten Bedingungen können auch größere Mengen an Natriumsilikat erforderlich
sein.
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Der Gummi wird vorzugsweise in einer Menge von 2 bis 3 Gewichtsprozent
hinzugefügt. Entsprechend den jeweiligen Verhältnissen können auch größere oder
geringere Mengen verwendet werden.
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Es können mehrere Behandlungen erforderlich sein, um das gewünschte
Ergebnis zu erzielen. Verlorene Umlaufstoffe können in einigen Fällen entweder vorübergehende
oder dauernde, ebenfalls nutzbringende Zusätze in dem Gel sein.