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Verfahren zur Ausbildung von Spalten Die Erfindung betrifft ein verbessertes
Verfahren zur Erdölgewinnung aus einer öifüirenden unterirdischen Formation durch
Ausbildung von Spalten in der Formation, in die ein zur Gewinnung von Flüssigkeit
dienendes Bohrloch niedergebracht ist.
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Es ist bekannt, verschiedene Flüssigkeiten zur Ausbildung und/ oder
Vergrößerung von Spalten oder Rissen in flüssigkeitsführenden unterirdischen Schichten
wie z.B. kohlenxzasserstoffführenden Formationen zu verwenden. Entsprechend bekannten
Verfahren wird ein als spaltenbildende oder Frac-Flüssigkeit bezeichnetes Medium
in ein Bohrloch. epur:1pt und durch Anlegen eines ausreichend hohen Drucks von diesem
aus in die Formation gedrückt, um in dieser Spalten oder Risse zu erzeugen und/oder
bereits vorhandene Risse zu vergrößern. Dem spaltenbildenden Medium wird vorzugsweise
ein Stütz- oder Froppingmittel oder ein Gemisch verschiedener derartiger Mittel
zugesetzt, das dazu dient, die erzeugten oder verbreiterten Spalten offen zu halten,
damit die Formationsflüssigkeiten leichter durch diese Spalten hindurch in das Bohrloch
gelangen können, von dem sie dann vermittels bekannter Gewinnungsverfahren abgezogen
werden. Bekannte Stützmittel sind-teilchenförmige Feststoffe wie z.B. Sand, Walnußschalen,
Glasperlen, Metallkügelchen, Kunststoffe und dgl.
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Geeignete spaltenbildende Medien sind Frischwasser, Solen, Wasser
im gelförmigen Zustand (unter Verwendung von Frischwasser oder einer Sole), Säuren
im gelförmigen Zustand, sowie flüssige Kohlenwasserstoffe wie z.B. Benzin, Kerosin,
Dieselöl, Gasöl und dgl., die in der Regel mit einem Eindickmittel oder Gelbildner
wie z.B. Natriumpalmitat versetzt sind.
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Ein Nachteil der bekannten hydraulischen Spaltb ildungsverfah ren
unter Verwendung von Stützmitteln besteht darin, daß die Formation nach Spaltbildung
dazu neigt, sich an den erzeugten oder verbreiterten Spalten wieder zu schließen,
mit dem Ergebnis, daß die Stützmittel zerdrückt oder in die Formation hineingedrückt
und die durch diese erzielten Vorteile zunichte gemacht werden.
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Ein weiterer Nachteil ist darin zu sehen, daß die Stützmittel durch
die bei der Erdölförderung von den durch die Spalten durchtretenden Formationsflüssigkeiten
aus den Spalten ausgewaschen werden und dadurch ihre Stützfunktion wesentlich verringert
wird oder sogar ganz verloren geht, wodurch die Erdölförderung entsprechend verringert
wird.
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Aus der U.S. Patentschrift 3 428 121 der Anmelderin ist bekannt, nicht
konsolidierte Sandformationen mit einem Behandlungsmedium zu behandeln, das aus
Sand, Zement und Wasser in einem Kohlenwasserstoff-Trägeröl besteht und nach dem
Àbbinden eine durchlässige Zementsperrschicht bildet, welche bei der Förderung die
Abtragung nicht konsolidierter Sandteilchen durch die Formationsflüssigkeiten verhindert.
Die Offenbarung dieses Patentes ist hier als Stand der Technik vorausgesetzt.
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Der Erfindung liegt nunmehr die Aufgabe zugrunde, ein verbessertes
Verfahren zur Ausbildung von Spalten in einer Formation zu schaffen, bei dem die
vorgenannten Nachteile ausgeschaltet oder zumindest ganz erheblich verringert sind.
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Das zu diesem Zweck vorgeschlagene- Verfahren zur Ausbildung von Spalten
in einer flüssigkeitsführenden unterirdischen Formation, in die ein zur Gewinnung
von Flüssigkeit dienendes Bohrloch niedergebracht ist, ist erfindungsgemäß dadurch
gekennzeichnet, daß eine zur Ausbildung einer flüssigkeitsdurchlEssigen Sperrschicht
in der Formation dienende Stoffverbindung unter einem zur von dem Bohrloch ausgehender
Spaltenbildung in der Formation ausreichend hohen Druck in die Formation gedrückt
und dann während einer zum Abbinden der Verbindung und Ausbilden der flüssigkeitsdurchlässigen
Sperrschicht in den entstandenen Spalten dienenden vorbestimmten Zeitspanne unter
Druck gehalten wird.
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Nach einem weiteren Merkmal der Erfindung erfolgt die Spaltbildung
vermittels eines Spaltbildungsmediums wie z.B. Wasser, Öl oder dgl., dem ggf. ein
Stützmittel wie z.B. Sand, Glasperlen oder dgl. oder ein Gemisch solcher Mittel
zugesetzt ist, das nach Ausbildung von Spalten in der Formation, die ggf. vermittels
des Sttitzmittels unterstützt wird, in die Formation hineingedrückt wird, um das
Stützmittel in seiner Lage zu halten und/oder die Spalten vermittels der ausgebildeten
flüssigkeitsdurchlässigen Sperrschicht offen zu halten.
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Ein überraschender Vorteil der vorstehend beschriebenen Ausführungsform
des Verfahrens besteht darin, daß die durchlässige Zementsperrschicht während der
Gewinnung von Formationsflüssigkeit ein Auswaschen der eingebrachten Stützmittel
aus den in der Formation ausgebildeten Spalten verhindert, was zu einer Verringerung
und/-oder Unterbrechung der Produktion an Formationsflüssigkeit führen würde.
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Das erfindungsgemäß vorgeschlagene Verfahren ist besonders gut auf
Spaltbildungsvorgänge in weichen; kalkhaltigen unterirdischen Format ionen wie Z
613. den Annona-Kalkformationen in Louisiana, V.St. v.h. anwendbar, indem es das
erneute Schliessen
der in solchen Formationen ausgebildeten Spalten
verhindert und/oder ein "Verheilen", d.h. ein erneutes Verschliessen der Spalten
verlangsamt.
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Das erfindungs£rrr,äße Verfahren wird im nachfolgenden an}jand von
Ausführungsbeispielen näher erläutert.
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Die zur Ausffihrurlg des erfindungsgemäßen Verfahrens verwendet te
Stoffverbindung sollte bestimmten Bedingungen gent1gen. Der Sandanteil der Verbindung
sollte eine Korngröße zwischen etwa 1,G51 und 0,417 mm (entsprechend einer Siebweite
von etwa 12 bis 40 mesh U.S. Sieve Size) aufweisen, damit er sich'zur Ausbildung
eines guten Zements zur wirksamen Versteifung der Spalten und/oder dazu eignet,
ein erneutes Verschließen der Spalten zu verhindern. Die Korngröße beträgt vorzugsweise
zwischen 0,833 und 0,417 mm (20 bis 40 mesh), wobei eine aus gezeichnete Durchlässigkeit
ohne Verlust der gewünschten Stützwirkung erhalten wird.
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Der Sandanteil der Verbindung sollte zwischen 4 und 6 Gewichtsteilen
Sand auf 1 Gewichtsteil Zement betragen. Es hat sich gezeigt, daß ein sogenannter
Frac-Sand, d.h. ein üblicherweise zur Spalt- oder Rißbildung verwendeter Sand, gleichfalls
für die Stoffverbindung Verwendung finden kann, vorausgesetzt, die Korngröße liegt
zwischen etwa 1,651 und 0,417 mm.
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Vorzugsweise wird jedoch ein klassifizierter Sand, bei dem die Korngröße
der gröberen Teilchen nicht mehr als das doppel te der der kleineren Teilchen beträgt,
d.h. im Verhältnis von 1,651 zu 0,833 mm bzw. 0,833 zu 0,417 mm (12 zu 20 mesh oder
20 zu 40 mes@) steht, verwendet, da bei einem solchen Sand eine bessere Gewähr dafür
besteht, daß kein vorzeitiges Zusammenbacken der Sandkörnchen erfolgt.
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Sandteilchen gröber als 1,651 mm und feiner als 0,417 mm sind für
die erfindungsgenäße Stoffverbindung ungeeignet. Gröbere Teilchen eignen sich aus
dem Grunde nicht, da der abgebundene durchlässige Zement eine sehr niedrige Druckfestigkeit
aufweisen würde. Sehr feine Sandteilchen sind dagegen ungeeignet, weil sich mit
diesen eine zu niedrige Durchlässigkeit des abgebundenen Zements für Flüssigkeit
ergibt.
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Der Zementanteil der Stoffverbiridung nach der Erfindung sollte für
das trockene Gemenge etwa 1 Gewichtsteil Zement auf 4 bis 6 Gewichtsteile trockenen
Sandes betragen und kann aus einem beliebigen, normalerweise in der Erdölindustrie
zur Bohrlochzementierung verwendeten Zement oder aus Gips kitt, Natriumsilikat-,
Siliziumphosphat-, Pozzolan-, Sorel- oder Bleioxydzement bestehen. Vorzugsweise
wird jedoch für den Zementanteil ein Portlandzement geringen Gewichts mit einer
Dichte von etwa 1201 kg/m3 und einer chemischen Zusammensetzung wie folgt verwendet:
38,3 % Siliziumdioxyd, 13, 0 % Aluminiumoxyd> 5,2 % Ferrioxyd, 35,7 p Kalziumdioxyd,
1,6 % Magnesiumoxyd und 2,4 % Schwefeltrioxyd. Verlust durch Schwinden angenähert
3,3 %. Dieser leichte Portlandzementeignet sich besonders gut für die erfindungsgemäße
Stoffverbindung, da aus diesem Zement hergestellte durchlässige Zementschichten
gegen-Uber einem Angriff durch Natriumehlorid oder Natriumsulfat enthaltende Formationssolen
hoch widerstands fähig sind, Einige andere zur Erdölbohrlochzementierung verwendete
Zementsorten sind gegenüber einem Angriff durch Formationssolen oder Sulfatlösungen
nicht in gleicher Weise widerstandsfähig und aus diesem Grunde für die erfindungsgemäße
Zementverbindung weniger gut geeignet. Diese anderen Zemente verlieren anscheinend
einen Teil ihrer Druckfestigkeit und werden durch Berührung mit Natriumchlorid-
oder Natriumsulfatlösungen erodiert. Im Gegensatz dazu sind die Zemente der erfindungsgemäßen
Stoffverbindung gegenüber Erosion durch Natriumchlorid- oder Natriumsulfatlösungen
hoch widerstandsfähig
und verlieren auch nach längerer Einwirkung
dieser Lösungen ihre Druckfestigkeit nicht.
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Der Wasseranteil der Stoffverbindung ist von der jeweils verwendeten
Zementsorte und dem Iorngrößenbereich des Sandes abhängig. Zufriedenstellende Ergebnisse
werden erhalten, wenr.
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für Sand im Korngrößenbereich von 0,833 bis zu 0,417 mm etwa 0,60
bis 0,9O Gewichtsteile Wasser auf 1 Gewichtsteil Zement verwendet werden. Ein Wasserüberschuß
kann dazu führen, daß sich zementhaltige Wassertröpfchen von dem Sand ablösen, wohingegen
ein unzureichender Wassergehalt eine Trennung von Zementfeststoffen von dem Sand
zur Folge haben kann. In beiden Fällen kann es zu einer Beschädigung der Formation
kommcn.
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Es hat sich gezeigt, daß die Verwendung wasserhaltiger Salze wie z.B.
Natrium- und/oder Kalziumchlorid die Dispersion des Zements in Ölen verhindert,
welche oberflächenaktive Substanzen enthalten und als Trägermedium dienen. Die Salzkonzenstation
sollte etwa dem einer gesättigten Lösung bei den auftretenden Temperaturen entsprechen,
wenn die Ölneutralisierungszahl gegen 1,0 geht. Wenn die Ölneutralisierungszahl
gegen jedoch gegen 0,3 abnimmt, werden untersättigte Salzlösungen verwendet.
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Die ölneutralisierungszahl stellt die in Milligranlm gemessene Menge
an in Kaliumhydroxyd dar, welche zur Neutralisierung von einem Gramm Öl erforderlich
ist. Die besten Ergebnisse werden mit Ölen erzielt, deren Neutralisierungszahl unter
etwa 0,1 liegt.
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Das Trägermedium für die aus Sand, Zement und Wasser bestehende Stoffzusammensetzung
ist ein Kohlenwasserstofföl. Geeignete Kohlenwasserstofföle sind die Kerosin- und
Dieselöl fraktionen von Erdöl, sowie rohes Erdöl. Normalerweise wird eine Dieselölfraktion
verwendet, da diese verhältnismäßig
preiswert ist und am Verfahronsort
odor in dessen Nähe zur Verfügung steht. Das Öl sollte verhältnismäßig frei von
oberfläehenaktiven Substanzen wie z.B. Naphthensäuren sein, durch welche Wasser
von den Sand- und Zement anteilen verdrängt werden körnte. Es wurde gefunden, daß
oberflächenaktive Substanzen wie z,C. Naphthensäuren in dem Öl keine nachteiligen
Auswirkungen bewirken, vorausgesetzt, die Neutralisierungszahl des öls liegt nicht
über etwa 0>3 und es wird kein Salz angewandt, um den Wirkungen der oberflächenaktiven
Substanzen entgegenzuwirken. Es wird eine ausreichende Menge Kohlenwasserstofföl-Trägermedium
verwendet, um die Stoffverbindung in diesem zu suspendieren. Es wurde gefunden5
daß die besten Ergebnisse dann erhalten werden, wenn die Stoffyerbindung eine Dichte
zwischen 0,952 bis 1,428 kg/l (8 - 12 lb pro Gallone) aufweist und die in dem Kohlenwassorstofföl
suspendierten oder dispergierten Feststoffmengen zwischen etwa 0,119 bis 0,714 kg
Stoffverbindung (Sand, Zement und Wasser) pro Liter (1 - 6 lb pro Gallone) des Kohlenwasseratofföls
be-tragen, das als Trägermedium dient.
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Die aus Sand, Zement und Wasser bestehende Spaltbildungsverbindung
kann auf übliche Weise und beispielsweise dadurch hergestellt werden, daß die einzelnen
Bestandteile an der Oberfläche in einem entsprechenden Behälter oder Mischtankwagen
miteinander vermischt werden. Die Vermischung der Bestandteile kann in beliebiger
Reihenfolge erfolgen.
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Das die suspendierten Feststoffe enthaltende Kohlenwasserstofföl-Trägermedium
wird durch das Bohrloch hindurch nach unten in die Formation gepumpt, wobei die
Durehsatzgeschwindigkeiten ggf. von der Beschaffenheit des jeweiligen Bohrlochs
abhängig sind. Zur Bethandlung eines Abechnitts ist in allgemeinen ein Durchsatz
von etwa 1,589 bis 6,358 m3/min (10 bis 40 barrels/min) in dem Trägermedium suspendierter
Feststoffe geeignet. Mit derartigen Durchsatzgeschwindigkeiten werden
zufriedenstellende
Ergebnisse erzielt und die in der Formation ausgebildoton flüssigkeitsdurchlässigen
Zementsperrschichten weisen eine ausreichend hohe Druckfestigkeit und Durchlässigkeit
auf, so daß Formationsflüssigkciten durch diese hindurchtreten können.
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Bei der praktischen Ausführung des erfindungsgemäßen Verf ahrens zur
Spaitbildung in unterirdischen Formationen zum Zwecke der Steigerung der Produktivität
und/oder Durchlässigkeit derselben wird ein spaltenbildendes Medium wie eine Frac-Flüssigkeit
ggf. durch das Bohrgestänge in das Bohrloch eingeführt und in diesem derart in Berührung
mit der dem Bohrloch zugewandten Oberfläche der zu spaltenden oder aufzubrechenden
Formation gebracht, daß die Flüssigkeit in die Formation eindringt. enn erwünscht
oder erforderlich, werden Dichtungen (Packungen) eingesetzt, um das Spaltbildungsmedium
auf einen Bohrlochlzbschnitt zu begrenzen, welcher der aufzubrechenden Formation
entspricht. Dann wird vermittels des Spaltbildungsmediums ein Druck auf die Formation
in einer Höhe ausgeübt, der eine Spaltenbildung in dieser zur Folge hat.
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Der zur Spaltbildung in der Formation erforderliche Druck ist von
Stelle zu Stelle unterschiedlich und hängt von der Tiefe und/oder der Beschaffenheit
der zu spaltenden Formation ab.
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Geeignete Spaltbildungsdrücke liegen im Bereich von 70,3 bis 1054,5
atü, wobei jedoch auch noch höhere Werte erforderlich sein können. Bei Erreichen
des zur Spaltenausbildung in der Formation erforderlichen Druckwertes erfolgt die
Spaltenbildung in dicser, wobei die ausgebildeten Spalten oder Risse zusätzliche
Wege für das Abziehen von Formationsflüssigkeiten ergeben.
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Im nachfolgenden erden zwei praktische Ausführungsbeispiele des erfindungsgemäßen
Verfamens beschrieben.
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Beispiel I In der Annona-Kalkformation in Louisiana wurde eine Bohrung
auf eine Tiefe von 473,8 m in offener Bohrung niedergebracht und bis auf eine Tiefe
von 444,4 m mit einer Verrohrung von 178 ram (7 Zoll) Durchnlesser versehen. In
die Verrohrung wurde in einer Tiefe von 441,1 m vermittels eines Wasserstrahlwerkzeugs
eine Kerbe von 3600 geschnitten, bevor die Spaltenbildung der hinter der Verrohrung
befindlichen Annona-Kalkformation erfolgte. Die Spaltbildung der Formation wurde
mit 5443 kg Frac-Sand (3629 kg Sand mit einer Korngröße von 1,981 mm - 10 mesh und
1814 kg Sand mit einer Korngröße von 0,833 mm - 20 mesh) in 142 m3 Salzwasser ausgeführt.
Der Pumpendurchsatz betrug 6,676 m3/min und der Pumpendruck 84,3 atü.
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Dann wurden 635 kg Stoffverbindung (aus 474,9 kg Sand mit einer Korngröße
von 0,833 bis 0,417 mm - 20 bis 40 mesh-, 88,9 kg Zement der Sorte Trinity Lite-Wate
und 71,2 kg Wasser), die in 17,63 m3 Kerosin suspendiert waren, in einem Durchsatz
von 6,676 m3/min und unter einem Höchstdruck von 232 atü in die gebildeten Spalten
gedrückt. Bevor die Stoffverbindung vollständig in die aufgebrochene Formation gedrückt
worden war, mußte der Vorgang unterbrochen werden, was anscheinend darauf zurückzuführen
war, daß infolge des hohen Drucks ein Bruch der Verrohrung aufgetreten war. In der
Verrohrung blieben etwa 393,2 kg Stoffverbindung zurück, während angenähert 241,7
kg in die Spalten gedrückt worden waren. Nach dem Abbinden des Zementanteils der
Stoffverbindung und Ausbohren des in der Verrohrung zurückgebliebenen Anteils wurde
das Bohrloch durch Spülung gereinigt und eine Puinpvorrichtung in 438, 9 m Tiefe
eingesetzt. Die Produktion aus dem Bohrloch betrug im Mittel 1,224 m3 öl pro Tag.
Uber einen Zeitraum von 30 Monaten produzierte das Bohrloch etwa das dreifache dessen
was aus anderen Bohrlöchern im gleichen Gebiet gewonnen wurde.
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Wie das vorstehende Beispiel zeigt, läßt sich die erfindungsgemäße
Stoffverbindung als "Nachbehandlungsverbindung" im Anschluß an die Spaltenausbildung
verwenden.
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Beispiel II Die vorgeschlagene Stoffverbindung läßt sich auch als
spaltenbildendes Medium oder Frac-Flüssigkeit zur primären Spaltenbildung selbst
verwenden. Zur Herstellung der Verbindung werden in diesem Fall etwa 5 Teile Frac-Sand
mit einer Korngröße von 0,833 bis 0,417 mm (20 bis 40 mesh) mit 1 Gewichtsteil Zement
der Sorte Trinity Lite-Wate verrnengt und diesem Gemisch unter Rühren etwa 0,8 Gewichtsteile
Wasser zugesetzt.
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Die Verbindung aus mit Wasser getränkten Feststoffen wird dann in
deiner Menge von 0,119 bis 0,714kg pro Liter eines Trägermediums wie z.B. Kerosin
oder Dieselöl suspendiert. Die auf diese Weise erhaltene Suspension wird in das
Bohrloch gepumpt bis sie sich gegenüber dem zu spaltenden Formationsabschnitt befindet.
Durch Anlegen eines ausreichend hohen Drukkes werden Spalten in der Formation ausgebildet,
wobei ein Teil der Verbindung in diente Spalten hineingedrückt wird. Sobald eine
ausreichend hohe Menge an Suspension in die Spalten gedrückt worden ist, wird das
Bohrloch geschlossen, bis der Zement abgebunden hat und die flüssigkeitsdurchlässige
Sperrschicht ausgebildet ist. Ein Teil der Stoffverbindung und insbesondere der
in dieser enthaltene Sand wirkt gleichzeitig als Stütz- oder Proppingmittel.
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- Patentansprüche -