DE2349405A1

DE2349405A1 - Waessrige bohrspuelung und ihre verwendung

Info

Publication number: DE2349405A1
Application number: DE19732349405
Authority: DE
Inventors: Clarence Oby Walker
Original assignee: Texaco Development Corp
Current assignee: Texaco Development Corp
Priority date: 1972-11-24
Filing date: 1973-10-02
Publication date: 1974-06-06
Also published as: ES420802A1; NO136674B; NO136674C; CA995888A; NL7316025A; GB1404112A; JPS4982501A

Description

Patentassessor Hanburg·, den 3. Ser>t. 1973

Dr. G. Scbupfner . T 73 073

Deutrehe Texaco AG (D 72,281)

2000 Hamburg 76
Sechslingspforte 2

TEXACO DEVELOPMENT CORPORATION

135 East 42nd Street New York, N.I. 10017

U.S.A.

Wässrige Bohrspülung und ihre Verwendung

Die Erfindtmg betrifft eine neue wässrige Bohrspülung und deren Verwendung beim Tiefbohren mit Hilfe von Drehbohrwerkzeugen. Die Erfindung ist insbesondere auf eine wässrige Bohrspülung mit niedrigem Feststoffgehalt und hoher Filtrationsgeschwindigkeit zur Erzielung höherer Bohrgeschwindigkeiten gerichtet, welche die Eigenschaft besitzt, Schieferton zu stabilisieren.

Bohrspülungen oder -schlämme, wie sie auch manchEal genannt werden, sind Aufschlämmungen toniger Feststoffe in Wasser, die als Spülflüssigkeiten beim Bohren nach unterirdischen öl- oder Gas-Vorkommen oder anderer gelagerter strömender Materialien verwendet werden. Solche Bohrspülungen haben verschiedene Aufgaben; zu den wichtigsten zählen: Entfernung von Bohrsehl, Abdichtung von Gas-, Öl- oder Wasserformationen, die beim Bohren in verschiedenen Tiefen angetroffen werden können, Schmierung des Bohrwerkzeuges, sowie das Bohrmehl im Fall von Unterbrechungen der Bohrarbeit und

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Herauspumpen der Bohrspülung in Suspension zu halten.

Eine ideale Bohrspülung ist eine thixotrope Flüssigkeit, d. h. eine Flüssigkeit, deren scheinbare Viskosität mit zunehmender Rührgeschwindigkeit oder Scherkraft abnimmt (v/as "beim Pumpen oder andersartigem Umwälzen der Flüssigkeit durch die "Verrohrung auftritt), wenn aber das Durchrühren, Scheren oder Umwälzen aufhört, ein Gel oder eine Gelstruktur bildet, die das Bohrmehl hält, so daß es nicht in das Bohrloch zurückfallen kann. Me Geschwindigkeit der Gel-Bildung muß so groß sein, daß das Bohrmehl nur eine kurze Strecke absinken kann, bevor die Gelstruktur fest genug ist es zu halten. Wichtig ist, Grad und Geschwindigkeit der Gerbildung in engen Grenzen zu halten, da zu starke Gelbildung die Wiederaufnahme der Bohrarbeit erschwert, während bei ungenügender Gelbildung Bohrmehl auf den Bohrlochboden fallen und das Bohrgestänge verkleben kann.

Die übliche Praxis der modernen Kotary-Bohrtechnik umfasst das Einpumpen einer Bohrspülung geeigneter Viskosität, GeI-bildungsgeschwindigkeit und Gelfestigkeit durch das Mittelrohr des Bohrstrangs nach unten, durch die Düsen im Bohrmeißel, der am Ende des Bohrstrangs angebracht ist, wo die Bohrspülung nach unten gespritzt und die Formation durch den Meißel aufgebohrt wird. Der Strahleffekt unterstützt das Bohren, er sammelt gebildetes Bohrmehl, auch mit Bohrschmand bezeichnet, und hilft dieses Bohrmehl aus dem Gebiet, in dem gebohrt wird, zu entfernen und an die Oberfläche zu befördern. Die Bohrspülung strömt innerhalb des Kingraumes zwischen dem Äußeren des Bohrstrangs und der Bohrlochwandung nach oben. Die Bohrspülung muß eine ausreichende Viskosität besitzen, um während der Zeit, in der sie gepumpt oder in anderer Weise bewegt wird, den Send und das Bohrmehl der Formation beim Rücklauf zur Erdoberfläche zu tragen und zu befördern. Für den Fall, daß die Bohrarbeit und das Pumpen unterbrochen wird, muß die Ge'lbildungsgeschwindigkeit und die Gelfestigkeit ausreichen, die erbohrten. Feststoffe und anderes zerkleinertes -Material im Ringraum zu halten und zu verhindern, daß sie auf

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den Bohrlochboden zurückfallen.

Wenn die Bohrung in sehr durchlässigen Formationen niedergebracht wird, v/erden der Bohrspülung Materialien zugesetzt, die die Neigung zur Bildung eines Spülungskuchens an der Bohrlochwandung gegen die poröse Formation erhöhen, wo die flüssige Filtratphase in die poröse Formation eindringt. Bei sehr durchlässigen Formationen ist es zweckmäßig, in der Bohrspülung ausreichendes kolloidales Material vorliegen zu haben, damit sich so schnell wie möglich ein dünner undurchlässiger Kuchen "bildet. Schnelle Bildung eines geeigneten Filterkuchens ist notwendig, um die Filtrationsgeschwindigkeit schnell herabzusetzen ,während sich der Kuchen bildet, und auch um die Entwicklung eines übermäßig dicken Kuchens zu vermeiden, der die Reibung zwischen rotierendem Bohrstrang und Bohrloch erhöhen und den ringförmigen Strömungsdurchgang, durch welchen die Bohrspülung zur Erdoberfläche zurückströmt, verkleinern würde.

In manchen Gebieten, zum Beispiel der U.S.A., sind Formationen bekannt, bei denen quellender oder nachfallender Schieferten durchdrungen wird, wenn eine Bohrung in die unterirdischen Formationen niedergebracht wird. Wenn in diese quellenden Schiefertonformationen unter Verwendung der üblichen wässrigen Bohrspülungen gebohrt wird, treten "beträchtliche Schwierigkeiten auf. Bestimmte Schiefertöne, me sie an der Golfküste von Texas und Louisiana auch vorkommen, enthalten erhebliche Konzentrationen an bohrmehl-bildenden ■Tonen oder Mineralien, wie ITatrium-Montmorillonit, die dazu neigen ,nach Hydratation oder Absorption von Wasser aus der Bohrspülung eu quellen und einen sofortigen Anstieg der. Viskosität und Gelbildung bei der verwendeten Bohrspülung zu erzeugen. Diesen) Zusatz von hydratisieren for.en zu den Bohrspülungen muß durch Wässern entgegengewirkt werden, oder es muß ein chemisches Bohrspülungssystem eingesetzt werden, das dieser, cnellenden Schieferten stabilisiert. Für quellende Schief er-tonfcTEö\:iOiieri₀ die hydratisierbare tonige Feststoffe enthalten, sind Bohrspülungssysteme entwickelt worden,

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die die Schiefertonsektionen während des Bohrens ausreichend stabilisieren. So ist zum Beispiel in der US-PS 2 802 783 ein chemisches System "beschrieben, das sich als außerordentlich geeignet zum Bohren von bohrmehl-bildenden quellenden Schiefertönen, wie sie im Gebiet der Golfküste vorkommen, erwiesen hat.

Eine andere Type Schwierigkeiten erbringenden quellenden oder nachfallenden Schiefertons, der die gleiche äußere Erscheinung hat, sich aber chemisch von den oben beschriebenen quellenden Schiefertonfeldern der Golfküste unterscheidet, ist beim Bohren im Delaware Basin-Gebiet von West-Texas und Neu-Mexico vorgefunden worden. Dieses Schiefertonfeld, bezeichnet als Wolfcamp-Pennsylvania -Mississippi-Strecke, enthält im Gegensatz zu den Schiefertonfeldern der Golfküste im wesentlichen keine bentonitischen oder andere Tonmaterialien, die in Wasser quellen. Der Wolfcamp-Schieferton ist überwiegend illitisch in der Zusammensetzung. Es wird angenommen, daß die Quellung erfolgt, weil der Schieferton k3.eine Spalten und Risse hat, die das Eindringen von Bohrspülung oder Bohrspülung sfil trat gestatten, wodurch Teile des Schiefertons weggedrängt werden und in das Bohrloch fallen können.

Die Wolfcamp-SchM'erton-Strecke wurde erbohrt, wobei man zu einer wässrigen Bohrspülung Zuflucht nahm, welche mit kolloidalem Material behandelt worden ist, um eine sehr kleine Filtrationsgesclwindigkeit, im Bereich von 15 bis 20 ml, gemessen nach der A.P.I.-Standardprüfmethode, zu erreichen, Obwohl die Wolfcamp-Schiefertonstrecke weitgehend undurchlässig ist, setzt die Anwesenheit kolloidalen Filtrations-Regulierungs-Zusätzen das Ausmaß des Eindringens von Bohrspülung oder Filtrat in die engen Spalten .des Schiefertons herab, wodurch die Nachfalltendenz vermindert wird. Auch die Bohrspülungsdichte oder das -gewicht, wie es in der Bohrspulungsteclmologie bezeichnet wird, wird auf einem höheren Wert gehalten als es zur Erzeugung eines hydrostatischen Druckes notwendig ist, welcher ausreicht, um den Porendruck der Formation, die durchbohrt wird, aufzuheben.

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OFHGiNAL INSPECTED

Bohrspülungsdichten oder -gewichte von 1,3>2 bis 1,68 kg/l sind beim Bohren dieser Strecke benutzt worden, was über der Bohrspülungsdichte, die zur Erzeugung eines hydrostatischen Drucks, der über den Gasdrücken, die in dieser Strecke angetroffen werden, liegt, notwendig ist.

Materialien, die zur Erreichung der Herabsetzung dieser Filtrationsgeschwindigkeit verwendet werden, sind allgemein kolloidale Materialien, wie Stärke, Carboxymethylcellulose oder durch Wasser quellende Tone, wie Bentonit. Diese Materialien, die zusammen mit natürlichen Tonen, dispergiert in wässrigen Bohrspülungen hoher Dispersionskraft, in diesem Gebiet gewöhnlich eingesetzt werden, führen zu verhältnismäßig hohen Feststoffgehalten, zum Beispiel 12 bis 18% Feststoff gehalt bei Spülungs gewicht en von nur etwa 1,26 kg/1.

Während die vorstehend beschriebenen Arbeitsmethoden bezüglich der Stabilisierung des nachfallenden Schiefertons in der Wolfcamp-Schiefertonsti'ecke von mittelmäßiger Wirksamkeit sind, erhöhen alle diese korrektiven Maßnahmen die Kosten der beim Bohren eingesetzten Bohrspülung. Noch genauer gesagt, verursachen alle vox'stehend beschriebenen Faktoren, einschließlich Herabsetzxmg der Filtrationsgeschwindigkeit, Anstieg des Spülungsgewichtes und Erhöhung des Gesamtfeststoff gehaltes eine starke Herabsetzung der Bohr- oder Durchströmungsgeschwindigkeit. Da die Bohranlagen, die beim Niederbringen solcher Bohrungen verwendet werden, sehr teuer sind, schlägt sich die längere Zeit, die zum Bohren in eine vorbestimmte Tiefe erforderlich ist, auch sehr viel stärker auf die Gesamtkosten der Bohrung nieder als die direkte Ausgabe für die Bohrspülungschemikalien. Dies wird in den später folgenden besonderen Feldbeispielen noch näher gezeigt.

Dieses besondere Problem ist in der Arbeit von John L. Kennedy "Hew mud holds shales, allows fast drilling in West Texas", erschienen in Oil and Gas Journal ^ 29. Mai 1972, angesprochen. Die zitierte Arbeit bezieht_tsich auf den Versuch eines Unternehmers aus West-Texas»Bohrungen im Delaware Basin

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unter Verwendung einer Salzlösung, die ein hydrophiles Polysaceharid-Polymer enthält, welches die Wolfcanp-Schiefertonstrecke in gewissem Ausmaß zu stabilisieren scheint, vorzunehmen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine wässrige Bohrspülung zu schaffen, durch welche eine "bessere Stabilisierung von quellenden und nachfallenden Schiefertonen vom Wolfcamp-Typ erreicht wird. Diese Bohrspülung soll v/irtschaftlich sein und eine hohe Bohrgeschwindigkeit und störungsfreies Arbeiten gewährleisten.

Die Aufgabe wird gelöst durch eine wässrige Bohrspülung, die gekennzeichnet ist durch

(a) eine wässrige Phase, die eine gesättigte Calciutnhydroxidlösung mit soviel eines darin gelösten Calziumsalzes, welches in Wasser besser löslich ist als Calciumhydroxid, enthält oder daraus besteht, daß die wässrige Phase eine Calciurnionenkonzentration von mindestens 200 ppm aufweist und eine Alkalität hat, die einem Verbrauch von mindestens 0,5 ml 0,02 η Schwefelsäure pro ml wässriger Phase, mit Phenolphthalein als Indikator titriert, entspricht, und

(b) eine disperse Feststoffphase, die so viel Attapulgit, Asbest oder ein Gemisch davon als viskositätserhöhendes Material enthält oder daraus besteht, daß die Bohrspülung eine plastische Viskosität von etwa 5-20 cps und eine Fließgrenze von etwa 5-4-0 hat, und das Veih ältnis von Fließgrenze zu plastischer Viskosität zwischen etwa 0,25 tind etwa 1,0 liegt.

Die Erfindung wird nachstehend näher erläutert:

Die erfindiingsgemäße Bohrspülung kann frisches Wasser oder Wasser mit einem erheblichen Salzgehalt oder eine gesättigte Salzlösung enthalten; diesem Wasser bzw. der Sa Iz-lösung

_Ύ\Λ-ΛΟ pounds per barrel) werden etwa 2,85 his 28,5 kg/m^l/Calciumhydroxid", etwa 0,71

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bis etwa 2,85 kg/m eines Calciumsalzes, dessen Löslichkeit in Wasser größer ist als Calciumhydroxid, wie z.B. Calciumchlorid zugegeben. Es wird so viel davon zugesetzt, daß der Gehalt an löslichem Calcium von über 200, vorzugsweise über 800 ppm gewährleistet ist. Die Alkalität des Filtrats (die Zahl ml 0,02 η H₂SO^, die erforderlich ist, um 1 ml Bohrflüssigkeit sfil trat bei Verwendung von Phenolphthalein als Indikator bis zum Endpunkt zu titrieren) liegt über 0,2, vorzugsweise über 0,5· Der P -Wert (Gesamtspülungs alkalität, definiert als die Anzahl ml 0,02 η HpSO^, die erforderlich ist, um 1 ml der ganzen Spülung, bei Verwendung von Phenolphthalein als Indikator bis zum Endpunkt zu titrieren, sollte zwischen 10 bis JO gehalten werden. Der P wird grundsätzlich durch die Menge überschüssigen oder ungelösten Calciumhydroxids (Kalk), die in der Aufschlämmung vorhanden ist, bestimmt. 2,85 kg Calciumhydroxid pro nr Bohrspülung erzeugt etwa 5 ml Bohrmehl-Alkalität.

Der Aufschlämmung wird so viel Attapulgit-Ton oder Asbest zugegeben, daß eine plastische Viskosität von etwa 6 bis 12 cps und eine Fließgrenze in Bereich von etwa 10 bis 30 resultiert. Das Verhältnis von plastischer Viskosität zu Fließgrenze sollte zwischen 0,5 und 1,0 gehalten werden. Der Bohrspülung wird kein durch Wasser erweichender Ton, wie Bentonit (gewöhnlich als Gel bezeichnet) zugegeben, da er in diesem chemischen System unwirksam ist. Es wird auch kein die Filtration regulierendes Material zugefügt, und die "A.P.I.-filtrationsrate" beläuft sich beispielsweise auf bis 200 ml.

nachstehend werden besondere Ausführungsformen der Erfindung beschrieben.

Beim Niederbringen von öl- oder Gas-Bohrungen in geografischen Gebieten, in welchen WoIfeamp-Schiefertöne vorkommen, wie im Delaware Bar':-» ist es üblich, eine Salzlösung als Bohrspülung für die ersten paar Hundert Meter der Bohrung

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ORIGINAL INSPECTED

oder "bis zu dem Punkt, "bei dem zu erwarten ist, daß der die Schwierigkeiten "bringende quellende Schieferton auftritt, zu verwenden. Es ist zweckmäßig, diese für den oberen Teil der Bohrung bestimmte Bohrspülung als Grundlage zur Bereitung der erfindungsgemäßen Tonschiefer stabilisierenden Bohrspülung mit niedrigem Feststoffgehalt zu benutzen. Selbstverständlich kann die niedrigen Feststoffgehalt aufweisende und Schieferton stabilisierende erfindungsgemäße Bohrspülung auch durch Zusatz der gewünschten Chemikalien zu frischem Wasser oder frischbereiteter Salzlösung hergestellt werden. Es ist nicht wichtig, daß die Grundflüssigkeit, aus der die erfindungsgemäße Bohrspülung hergestellt wird, mit Natriumchlorid gesättigt ist, obwohl es eine ungewöhnliche Besonderheit ist, daß diese Bohrspülung sowohl aus frischem Wasser als auch aus gesättigter Salzlösung hergestellt werden kann. Darüber hinaus bringt die Verwendung von gesättigter Salzlösung praktische "Vorteile mit sich, da sie im allgemeinen auf dem Ölfeld leicht zur Verfügung steht und auch weil sie häufig zum Bohren des oberen Abschnitts einer Bohrung benutzt wird.

Die Schieferton stabilisierende Bohrspülung niedrigen Feststoffgehalts nach der Erfindung wird durch Zugabe von etwa 2,85 bis etwa 28,5 kg Calciumhydroxid pro m3 Wasser oder Salzlösung, vorzugsweise von etwa 8,55 bis etwa 17»11 kg Calciumhydroxid pro m3 Flüssigkeit, hergestellt. Da dies einen Zusatz von erheblich mehr Calciumhydroxid, als in V/asser bei Umgebungstemperaturen gelöst werden kann, darstellt, liegt eine merkbare Kenge ungelösten Calciumhydroxids in der Flüssigkeit vor. Tatsächlich ist es ein wünschenswertes Merkmal dieser Flüssigkeit, daß in der Aufschlämmung etwas ungelöstes Calciumhydroxid vorhanden ist, da ungelöstes Calciumhydroxid als Calciumquelle wirkt und die Alkalität auf der für die Schiefertonstabilisierung erforderlichen Höhe hält. Die Schiefertonstabilisierung unter Benutzung dieses Systems besteht in einer chemischen Reaktion zwischen -der flüssigen Phase der Bohrspülung und dem Schieferton, der Calcium und Alkalität der Bohrspülung verbraucht, was durch Lösen vorher ungelösten Calciurnhydroxids ersetzt

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werden muß, wenn die Schiefertonstabilisierung aufrecht erhalten v/erden soll.

Nachdem die calciumhydroxidhaltige Aufschlämmung ausreichend lange durchgemischt worden ist, so daß maximale Lösung den Calciumhydroxids in der Bohrspülungsaufschlämmung erreicht ist, sollte der Calciumspiegel des Filtrats oder der wässrigen Phase bestimmt werden. Dies geschieht nach einem Standa-'dverfahren in der Technologie der Erdölgewinnung und umfaßt das Filtrieren kleiner Mengen Bohrspülung, um das abgetrennte Filtrat oder die wässrige Phase davon zu erhalten, die zur Bestimmung des Calciumgehaltes mit Äthylendiamin tritriert wird. Damit die Bohrspülung schiefertonstabilisierend ist, muß die wässrige Phase einen Gehalt an löslichem Calcium von über etwa 200 ppm, vorzugsweise über 800 bis 1.000 ppm haben. Wenn der bestimmte Gehalt an löslichem Calcium nach der Zugabe von 2,85 bis 28,5 kg Calciumhydroxid pro m* Flüssigkeit unter 800 ppm beträgt, sollten etwa 0,71 bis etwa 2,85 -^g eines wasserlöslichen Calciumsalzes, zum Beispiel Calciumchlorid pro nr Bohrspülung zugefügt v/erden. Irgendein anderes Calciumsalz, dessen Löslichkeit in Wasser größer ist als Calciumhydroxid, ist in der erfindungsgemäßen Bohrspülung geeignet. Calciumsulfat, Calciumnitrat, Calciumacetat und Calciuraformiat können ebenso wie Calciumchlorid zur Erhöhung des Gehalts an löslichem Calcium im Filtrat oder der wässrigen Phase eingesetzt werden.

Die P_m (Gesamtspülungs-Alkalität) ist definiert als die Zahl ml einer 0,02 n-Schwefelsäure, die erforderlich ist, um 1 ml der vollständigen Bohrspülung bei Verwendung von Phenolphtha]ein als Indikator bis zum Endpunkt zu titrieren. Dies ist ein Maß für die Gesamtspülungsalkalität einschließlich des löslichen Alkalis und des in der Schlämme anwesenden ungelösten Calciums. Optimale Ergebnisse werden mit der erfindungsgemäßen Bohrspülung erreicht, wenn P oder die Spülungsalkalität -zwischen 5 und 20, vorzugsweise zwischen 10 und 15 ml 0,02 n-5chwefelsäure liegt. Die Werte werden durch Zufügen weiteren Calciumhydroxids aufrecht—erhalten, und es

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ist gefunden worden, daß etwa 2,85 ^g Kalk pro iri5 Bohrspülung die P oder die Spülungsalkali tat um etwa 5 Eil erhöhen.

Die Filtratalkalität oder P_f wird bestimmt, iivdem man ein Küster des Piltrats der Bohrspülung herste3.lt und dieses Bohrspülungsfiltrat bzw. die wässrige Phase mit 0,02 η Schwefelsäure titriert. P„ ist definiert als die Anzahl nl 0,02 η Schwefelsäure, die erforderlich ist, um Λ ml Bohrspülun.gs-

filtrat bei Verwendung von Phenolphthaüein als Indikator bis zum Endpunkt zu titrieren. Der P„-Wert sollte auf etwa 0,5 ral aufrecht erhalten v/erden, und wenn der P_f-Vert unter diese Zahl sinkt, sollte genügend Alkali oder Natriumhydroxid zugegeben werden., um den P_f-V/ert auf über 0,5 zu erhöhen. Das Alkali sollte vorsichtig zugegeben werden, da bei Verwendung übermäßiger Kengen Natriumhydroxid der Gehalt an löslichem Calcium nicht auf der Höhe bleibt_iUm die entsprechende Schiefertonstabilisierung der Bohrspülung zu erhalten. Im allgemeinen ist zu empfehlen, nicht mehr als 0,7 kg Alkali pro v3 Bohrspülung bei jeder Umwälzung der Bohrspülung zuzugeben.

Nachdem die oben angegebenen chemischen Tests gemacht und die notwendigen Korrekturen vorgenommen worden sind, um die wesentlichen chemischen Parameter innerhalb der vorgeschriebenen Grenzen einzustellen, sollten die rheologischen Eigenschaften der Bohrspülung bestimmt werden. Es ist übliche Praxis in der Technologie der Bohrspülungen für Ölbohrungen geworden, die rheologischen Eigenschaften von Bohrspülungen unter Benutzung eines Fann-VG-Meters zu bestimmen. Mit dem Pann-VG-I'Ieter können in einer bequemen Hethode zwei wichtige Parameter der Spülungsrheologie, nämlich die plastische Viskosität und die Fließgrenze ^bestimmt werden. Das VG-Meter gibt einen abzulesenden Ausschlag auf einem nichtrotierenden Zylinder, der konzentrisch zu einem anderen Zylinder, welcher mit verschiedenen Geschwindigkeiten umlaufen gelassen -werden kann, angeordnet ist. Der Ringraum zwischen dem feststehenden und dem rotierenden Zylinder wird, mit der zu prüfenden Bohrspülung gefüllt. Die plastische Viskosität wird durch Subtrahieren des abgelesenen Wertes bei 300 UpM auf dem Fann-

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VG-Meter von dem bei 600 UpH abgelesenen Wert bestimmt und stellt ein Maß für den Feststoffgehalt der Flüssigkeit dar. Bei der Schieferton stabilisierenden Bohrspülung ''■ niedrigen Feststoffgehaltes nach der Erfindung sollte die plastische Viskosität im Bereich von etwa 5 bi s etwa 20, vorzugs\iei se etwa 6 bis etwa 12 cps liegen. Da übliche Ilontmorillonit-iOne, wie Bentonit, in dem erfindungsgemäßen Chernikaliensystem nicht hydratisieren und erweichen, ist es notwendig,die Fließgrenze und die plastische Viskosität durch Zugabe eines Attapulgit-Tons, welcher unter den Namen Salt Gel oder Zeogel erhältlich ist, einzustellen. Die erwünschten Theologischen Eigenschaften können im allgemeinen durch Zugabe von etwa 2,85 his etwa 28,5 kg Attapulgit-Ton pro \tP Bohrspülung erhalten werden. (1-10 pounds per barrel)

Die Fließgrenze wird bestimmt durch Subtrahieren der oben beschriebenen plastischen Viskosität von dem bei 300 UpM am Fann-VG-Meter abgelesenen Wert. Die Fließgrenze zeigt den Zustand der Dispersion oder des Ausflockens des Systems an, und wird im allgemeinen in Bereich von etwa 5 bis 40, vorzugsweise etwa 15 bis etwa 30 liegen. Wenn die Fließgrenze unter dem erwünschten Bereich liegt, sollte weiteres Attapulgit zugegeben werden. Wenn die Fließgrenze über dem angegebenen Maximalwert liegt, kann der Aufschlämmung ausreichend Wasser oder Salzlösung zugefügt werden, bis die Fließgrenze in den erwünschten Bereich zurückgebracht ist.

Es ist gefunden worden, daß die beste Kombination von erwünschter Sindringgeschwindigkeit und Bohrlochsauberhaltung erhalten wird, wenn das Verhältnis von Fließgrenze zu plastischer Viskosität in Bereich von etwa 0,25 bis etwa 1,0 liegt. Dieses Verhältnis scheint ausgezeichnete Bohrlochreinigung und Suspension der erbohrten Feststoffe zu geben und zur physikalischen Stabilisierung der Bohrung beizutragen. Ein kleineres Verhältnis von Fließgrenze zu plastischer Viskosität als "1" zu haben, ist eine sehr unübliche Eigenschaft dieses 3ohr£chnandes,da bei den "chemischen" Bohrspülungen, die heutzutage .verwendet werden, dieses Verhältnis

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erheblich größer als 1 ist.

Ein weiterer Standardtest für Bohrspülungen ist die Bestimmung des Filtrationsgrades. In der Industrie wird dafür allgemein die All (American Petroleum Institute)-Standard-Prüfzelle und Prüfmethode benutzt. Der Filtrationsgrad wird in der Anzahl ml Filtrat ausgedrückt, die von einem Bohrspülungsrauster in einer vorbestimmten Zeit bei Anlegen eines Gasdruckes von 7 kg/cm an die Bohrspülung erhalten wird. Eine "chemische" Bohrspülung, die bentonitische Tone und übliches Dispergiermittel, wie CaI-cium-Lignosulfonät oder Ferrochrom-Lignosulfonat, enthält, kann einen Filtrationsgrad oder -einen API-Wasserverlust von 20 bis 40 ml haben, und es ist übliche Praxis in der Ölindustrie,der Bohrspülung kolloidale Materialien, wie vorhydrolysierte Stärke oder Carboxymethylcellulose zuzusetzen, um diesen Filtrationsgrad weiter zu reduzieren; es Ist nicht ungewöhnlich, bei den Bohrspülungen, die in den USA bei öl- und Gasbohrungen verwendet werden, Fiitrationsgrade von 1 bis 10 ml zu finden, Gegenüber dieser Art von Bohrspülungen stellt die erfindungsgemäße Schieferton stabilisierende Bohrspülung niedrigen Feststoffgehaltes eine deutliche Abweichung dar« Der oben definierte Filtrationsgrad der Bohrspülung liegt gewöhnlich zwischen etwa 100 und 200 ml oder darüber, und es wird kein kolloidales Material zugegeben, um den Filtrationsgrad herabzusetzen. Bei der Yerwendung einer Bohrspülung mit solch abnorm hohem Filtrationsgrad ergeben sich mehrere Vorteile, Dem Ölbohrungsfachmann ist es bekannt, daß ein hoher Filtrationsgrad der Bohrspülung die Penetration oder die Geschwindigkeit, mit welcher der Bohrer in die Formation unter optimalen Bedingungen von Drehgeschwindigkeit und Meißelgewicht eindringen kann, erhöht. Den genauen Grund für dieses Phänomen kennt man nicht, doch wird angenommen, daß wenn der Meißel in die Formation hineinbohrt, kontinuierlich Risse und Späne unter dem Meißel entstehen. Bohrspülungen, die behandelt worden sind, um einen sehr niedrigen Filtrationsgrad zu haben, neigen dazu, Filterkuchen auf diesen Rissen zu bilden, wenn die Risse entstehen, was die Geschwindigkeit des Ausgleichs zwischen Druck der Bohrspülung und Porendruck der Formation, in die gebohrt wird, herabsetzt. Bei Aufrechterhalten

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eines hohen Filtrationsgrades können sich die Drucke schnell ausgleichen und die Späne können schnell in die Bohrspülung befördert werden, von der sie zur Erdoberfläche transportiert werden; dadurch wird ermöglicht, daß der Bohrmeißel schneller Kontakt mit den ungebohrten Formationen bekommt.

Die Materialien, die den Filtrationsgrad der Bohrspülungen herabsetzen, werden üblich, erweise beim Bohren durch Formationen aus nachfallendem Schieferton, wie der Wolfcamp-Formation, verwendet, weil angenommen wird, daß das Filtrations-Regelungs-Additiv einen Filterkuchen bildet, der die Risse und engen Spalten in der Schiefertonformation abdichtet, was die Schierfertonsektionen am ITachf allen in die Bohrspülung hindert. Da die erfindungsgemäße Schieferton stabilisierende Bohrspülung niedrigen Feststoffgehaltes eine chemische Stabilisierung der Schiefertonoberfläche bewirkt, ist es nicht erwünscht, das Material von diesen Rissen fernzuhalten. Wenn man der Bohrspülung schnellen Zugang zu den Rissen und Spalten des Schiefertons gestattet, wird Penetration und Stabilisierung dieser inkompetenten Formationen erreicht.

Bei der erfindungsgemäßen Bohrspülung wird normaler Weise kein Verdünnungsmittel oder Dispergiermittel benutzt. Die rheologischen Eigenschaften werden durch Verwendung von V/asser und Attapulgitton, wenn notwendig, in den oben angegebenen Grenzen gehalten, Diese Bohrspülung ist ein vollständig ausgeflocktes System. Wenn ein übliches, für Bohrspülungen benutztes Dispergiermittel, wie Galcitua-Lignosulfonat, der erfindungsgemäßen Bohrspülung zugesetzt wird, erniedrigen sich Fließgrenze und plastische Viskosität etwas, aber der Filtrationsgrad nimmt nicht ab. Wenn übliche Filtrationsgrad-Additive, wie vorhydrolysierte Stärke oder Carboxymethylcellulose, der Schieferton stabilisierenden Bohrspülung niedrigen Feststoffgehaltes zugesetzt werden* tritt nur geringe oder keine Herabsetzung des Filtrationsgrades ein. Dies ist besonders dann der FaIl₉ wenn diese Bohrspülung auf Basis einer gesättigten Salzlösung hergestellt wird. Dies ist ziemlich übexⁿrasehend,da Stärke und Carboxymethylcellulose den Filtrationsgrad einer Bohrspülung ₉ die mit Natriumchlorid

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gesättigt ist oder die den Calciumgehalt der erfindungsgeniässen Bohrspülung hat, wesentlich herabsetzt; wenn aber die Bohrspülung mit Natriumchlorid gesättigt ist und den hohen Calciumspiegel einer Schieferton stabilisierenden Bohrspülung hat, reduzieren diese Materialien den Filtrationsgrad nicht. Es ist jedoch gefunden worden, daß Hydroxyäthylcellulose den Filtrationsgrad der Schieferton stabilisierenden Bohrspülung niedrigen Peststoffgehaltes wirksam herabsetzt. Die Verwendung eines solchen Materials ist normalerweise nur erforderlich, wenn durch eine poröse Sand- oder Sandsteinformation gebohrt wird, deren Porosität so hoch ist, daß eine Bohrspülung eines Filtrationsgrades von rund 100 bis 200 ml einen ungünstig dicken Filterkuchen auf der Bohrung erzeugen v/ürde. Etwa 2,35 bis etwa

■z,

11,40 kg Hydroxyäthylcellulose pro m^ Bohrspülung reichen aus, den Filtrationsgrad auf etwa. 10 ml herabzusetzen.

Es ist gefunden worden, daß .feingekörntes Asbest ζν.τ Entwicklung der gewünschten rlie ο logischen Eigenschaften verwendet werden kann und ein Gemisch von Asbest und Attapulgitton, allein oder zusammen mit Hydroxyäthylcellulose, wenn nötig, die erwünschten Werte hinsichtlich 'plastischer Viskosität und Fließgrenze erzeugt.

Es folgt nun die Beschreibung von Laborversuchen. Άά die praktische Verwendung der Erfindung nachzuweisen und ferner, um die optimalen Verhältnisse und Konzentrationen der verschiedenen Materialien, die zum Aufbau des erfindungsgsmäßen Systems erforderlich sind, zu ermitteln, wurden zahlreiche Xaborversuche durchgeführt. Die Ergebnisse dieser vorbereitenden Versuche, deren Daten in der nachstehenden Tabelle 1 aufgeführt sind, zeigten, daß der gewünschte Filtrat-Calciuaspiegel und die gewünschte Filtrat-AIfcalität sehr leicht mit beschwertem oder unbeschwertem frischem Wasser- oder Salzlösung unter Verwendung von 14,25 kg Calciumhydroxid pro irr Bohrspülimg erhalten werden können; und in einigen Fällen wird noch Calciumchlorid zugefügt. Die Versuche Nr. 1_f 2 und T₅ hei welchen 14_f25 kg Kalk pro m^ Bohrspülung verwendet wurde, gaben einen Filtrat-Calciumspiegel im Bereich von etwa 475 bis 800 ppm. Es ist zu ersehen, daß die

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gewünschten Theologischen Eigenschaften jedoch nicht leicht erhalten werden.

Die gewünschten Bedingungen hinsichtlich niedrigem Peststoffgehalt und Ausflockung werden durch ein Verhältnis von plastischer Viskosität zu Fließgrenze von unter 1 erhalten. Es ist zu ersehen., daß bei den Versuchen 1,2 und 3 dieses Kriterien nicht erfüllt ist. Sin Verhältnis von plastischer Viskosität zu Fließgrenze von über 1 zeigt eine dispergierte Aufschlämmung an. Die erwünschten rheologischen Eigenschaften werden durch Zusatz von

■z

14,25 kg Attapulgit und 14,25 kg Asbest pro m* Bohrspülung erzielt, wie die Versuche 4 und 5 zeigen, oder durch Zusatz von 42,75 kg Attapulgit pro m Bohrspülung, wie der Versuch 7 zeigt.

Hontrr.orillonittone, wie Bentonit, eignen sich in der lioehchemikalienhaltigen Bohrspülung nicht, und außerdem ist ihre Partikelgrößenverteilung so, daß ihr Einsatz unzweckmäßig ist. Dies wird durch Versuch 1 und β gezeigt, bei welchen das Verhältnis von plastischer Viskosität zu Fließgrenze der Schieferton stabilisierenden Bohrspülungen niedrigen Feststoffgehaltes, die Bentonit enthalten, zu groß ist.

Eine weitere Reihe von Laborversuchen wurde zur Aufstellung von Arbeitsparaiaetern für die Anwendung in Feldversuchen, die später beschrieben werden, durchgeführt; die Daten sind in Tabelle II zusammengestellt. Bei Versuch 8warenlTatriumbentonitton, Natriumcarbonat und ein. hydrophiles Polysaccharid-Polymer zu frischem Wasser zugefügt. Die Bohrspülung nach Versuch 8 ist kein Beispiel für die Zusammensetzung einer erfindungsgemäßen Bohrspülung, sondern dient als Vergleichsbeispiel für typische,durch das Polymer verbesserte Bentonit-BohrSpülungen, die im Delaware Basin sziT Stabilisierung der Wolfcamp-Schiefertonstrecke eingesetzt werden. Es handelt es dabei um eine Bohrspülung niedrigen Feststoff gehaltes, die aber kein ausgeflocktes System darstellt; sie hat auch nicht den Calciumspiegel und die Alkalität der erfin- -rongsgemäßen Bohrspülung. Bei Versuch 9 wurde eine Frischwasser-Auf schlärnmung, die Attapulgit und Kalk oder Calciumhydroxid enthielt, /tuicf^wie aus der Tab eile/zu ersehen ist, ist die Auf-

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TABELLE

Versuch Nr. Zusammensetzung Grundflüssigkeit beschwert PV

kg Additiv pro oder

τη⁵ Flüssigkeit unbeschwert

-1

Ca"" ppm

■v«, O

14,25 Bentonit

14,25 Asbest

14,25 Kalk

14,25 Asbest

14,25 Kalk

42,75 Attapulgit

14,25 Kalk

Calciumchlorid

Attapulgit Asbest Kalk

2,85 Calciumchlorid

14,25 Attapulgit 14,25 Asbest 14,25 Kalk 2,85 Calciumchlorid

Frisches Wasser

1,104 kg/Liter Salzlösung

Frisches Wasser

beschwert mit 1,68 kg/Liter

beschwert

mit_1,68

kg/idter

\ml*> eschwert

1,42 1,8 476

>3,5 4 5,87 2,0 856

4,5 10,5 4,28 1,4 1200

Frisches Wasser unbeschwert 14,5 19,5 0,74 1,4 1176

1,104 kg/Liter unbeschwert Salzlösung 9,5 16,5 0,57 1,8

1430

Versuch TTr.

Zusammen

kg Additiv pro

τη" Flüssigkeit

Grundflüssigkeit

"beschwert

oder

unbe schwert

YP

PV-TP

r ppm

14,85 Bentonit
14,85 ARbest
14,85 Kolk
2,85 Calciumchlorid

42,75 Attapulgit
14,85 Kalk

Frisches Wasser

unbe schwert

6,0 6,5 0,92 1,5

1184

Frisches Wasser

unbeschwert

7,0 20,0 0,35 1,2

500

ω 1. PY

3. PY

4. P_f =

plastische Viskosität, berechnet aus den Fann-YG-Meter-Ahlesunken durch Subtrahieren der Ablesung "bei 300 UpK von der Ablesung "bei 600 UpM.

Fließp;renae, berechnet aus den Fann-VG-Meter-Ahlesungen durch Subtrahieren der plastischen Viskosität von der Ablesung bei 300 UpM.

Verhältnis von plastischer Viskosität zu Fließ£p?enze, das erhalten wird durch Dividieren der Werte der 2. Spalte durch die Werte der ersten Spalte. Ein Wert über "1" zeigt einen dispersen Zustand und/oder hohen Feststoffgehalt an, wogegen ein Wert unter "1" bei niedrigem Feststoffgehalt und Ausflockung erhalten wird.

Filtratalkalität, definiert als die Anzahl Milliliter 0,02 η H₂SO_zp die erforderlich ist, 1 ml Bohrspülungs-Indikator bis sum Endpunkt zu titrieren.

5«, Ca ppm = Konzentration der Calciumionen im Filtrat der Bohrspülung in Teilen pro Million.

Jr-CD

I d 4 Β 4 O - 18 -

schlämmung ein ausgeflocktes System mit^für die schieferstabilisieiaide Wirkung erforderlichen Piltratalkalität und erforderlichem Calciumgehalt. Die in Versuch 10 eingesetzte Bohrspülung ist im wesentlichen gleich der des Versuches 9, ausgenommen daß sie 2,85 kg pro η Calciumchlorid enthält. Der Haupteffekt des Calciumchlorid-Zusatzes besteht in der Erhöhung des Galciumspiegels des Filtrats, der die Schieferton stabilisierenden Eigenschaften der Bohrspülung erhöht* Bei Versuch 11 wurde eine Bohr's

spülung verwendet, die 14,25 kg pro m Attapulgitton, 14,25 kg pro m Asbest und 14»25 kg pro τΡ Calciumhydroxid enthält. 'Die Bohrspülung wurde mit frischem Wasser hergestellt. Wie aus der Tabelle zu ersehen, erzeugt der Zusatz von 14,25 kg pro nr Asbest eine deutliche Erhöhung der plastischen Viskosität, doch wird das Verhältnis von plastischer Viskosität zu Fließgrenze nicht erhöht. Versuch 12 vrurde mit einer bohrspülung ausgeführt, die 14,25 kg pro m³ Bentonit» 14,25 kg pro m³ Asbest, 14,25 kg pro m Calciumhydroxid und 2,S^ kg pro ra Calciumchlorid enthielt; sie wurde mit frischem Wasser hergestellt. Versuch 12 unterscheidet sich von Versuch 11 nur darin, dai3 ein Bentonitton anstelle von Attapulgitton eingesetzt wurde. Die chemische Zusammensetzung der Filtrate beider Bohrspülungen ist im wesentlichen die gleiche, aber die rheologischen Eigenschaften sind verschieden. Da Bentonit in der Umgebung dieser Chemikalien nicht quillt, ist bei Versuch 12 die plastische Viskosität wesentlich niedriger und das Verhältnis von plastischer Viskosität zu Fließgrenze höher. Versuch 13 unterscheidet sieh von den fünf in Tabelle II darüberstehenden dadurch, daß die Bohrspülung in einer Salzlösung, die 1,1 kg pro Liter einer weitgehend gesättigten Kochsalzlösung enthielt, hergestellt wurde« Die Bohrspülung enthielt 14,25 kg pro m"^J Attapulgitton, 14,25 kg pro m^? Asbest, 14,25 kg pro m^J Calciumhydroxid und 2,85 kg pro nr Calciumchlorid . Die resultierende Spülung hatte ein hervorragendes Verhältnis von plastischer- Viskosität zu Fließgrenze,und die chemische Zusammensetzung des Filtrates war- sehr zufriedenstellend»

Die vorstehend beschriebenen. Laborversuche bestätigen die Funktionsfähigkeit des Grundsystems, bei welchem Attapulgitton oder ein Gemisch von Attapulgitton und Asbest verwendet werden, um

263

g
409823/0263

die erwünschten rheologisehen Eigenschaften der Bohrspülung zu erhalten, und bei dem Calciumhydroxid und Calciumchlorid eingesetzt v/erden, um die chemische Zusammensetzung des Filtrats zu erhalten, die zu der gewünschten Schiefertonstabilisierung führt. Es ist auch bestätigt worden, daß die erfindungsgemäße Schieferton stabilisierende Bohrspülung niedrigen Feststoffgehaltes unter Verwendung von frischem Wasser sowie von Salzlösung unter Erhaltung gleich guter Eigenschaften hergestellt werden kann. Obwohl die Verwendung von Salzlösung keinen ersichtlichen Vorteil bringt, wurde die Anpassungsfähigkeit des erfindungsgemäßen chemischen Systems an eine Salzlösung aus verschiedenen Gründen als sehr wichtig angesehen. Salzlösungen_stehen im ölfeld meist leicht zur Verfugung und es ist übliche Praxis, Salzlösung für die ersten paar hundert Meter des Bohrens zu verwenden. Ss is't daher von wirtschaftlichem Vorteil^ Bohrspülungen aus Salzlösung als Grundflüssigkeit für die Herstellung der erfindungsgeisäßen Schieferton stabilisierenden Bohrspülungen zu verwenden.

Sine weitere Versuchsreihe wurde durchgeführt um zu bestimmen, ob der Filtrationsgrad der erfindungsgeraäßen Bohrspülung durch Zusatz von für Bohrspülungen übliche Verdickungsmittel herabgesetzt werden könnte. Die in der folgenden Tabelle III aufgeführten Ergebnisse zeigen, daß vorhydrolysierte Stärke, Carboxymethylcellulose und Chrom-Lignit geringen Einfluß auf den Piltrationsgrad haben. Hydroxyäthylcellulose ist das einzige geprüfte Material, das den Filtrationsgrad angemessen herabsetzt. Es ist gefunden worden, daß die Behandlung der Schieferton stabilisierenden Bohrspülung niedrigen Feststoffgehaltes mit einem im Handel erhältlichen Dispergiermittel und Alkali für die Regulierung der Theologischen Eigenschaften der Bohrspülung notwendig war.

Feldversuche:

Feld-Bohrspülungsprogramin, das auf den Ergebnissen, die die vorstehend beschriebenen Laborversuche ergaben, basierte, wurde für die Verwendung in der M.L.Baily Gas Unit No. 1 - Bohrung, die in dem Gomez-Feld, Pecos County, Texas, vorgenommen wurde,

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ORIGINAL JNSPECTED

Versuch Nr,

co 9

ro co

ro 10

cn

11

Tabelle II	Zusammensetzung	PV¹	YP²	PV³	P⁴ f	Ca ppm
kg Additiv/m⁵ Bohr			TF"
spülung
42,75 Na-Bentonit	14,5	21,0	0,69	0	0
0,71 Na-Carbonat
0,07 Polysaccharid
in frischem Wasser
4-2,75 Attapulgit	7,0	20,0	0,3.5	1,2	500
14,25 Calciumhydroxid
in frischem Wasser
42,75 Attapulgit	4,5	10,5	0,43	1,4	1200
14,25 Calciumhydoxid
2,85 Calciumchlorid
in frischem Wasser
14,25 Attapulgit	14,5	19,5	0,74	1,4	1176
1.4,25 Asbest
14 25 Calciumhydroxid
in frischem Wasser
14,25 Na-Bentonit	6,0	6,5	0,92	1,5	1184
14,25 Asbest
14,25 Kalk
2,85 Calciumchlorid
in frischem Wasser

ro ο

Ca.

cm

Tabelle II (Fortsetzung)

14,25? Attapulgit S,5 16,5 0,58 1,8 HSO

14,25 Asbest
14,25 Calciumhydroxid
2,85 Calciumchlorid
in einer Salzlösung, die 1,1 kglgesättigter Kochsalzlösung enthielt.

o 1-5 (siehe Eußnote der Tabelle I)

Tabelle HI

Versuch Nr,

14 15

16

17

18 19

.Grundspulling (4)

5,7

PV

CaIc ium-Ligiio sulf onat

Grundspülung (4) + 5,7 kg/m' CaIcium-Lignosulfonat + 17,1 kg/m vorhydrolysierte Stärke

Grundspülung (4) + 11,4 kg/

m Carboxymethylcellulose 12^0

Grundspülung (4) + 17,1 kg/ nP Chrom-Lignit

YP^
13,5
4,5

API W.I.-ml

>200 >200

Grundspülung (4) + 11,4 kg/ m Hydroxväthylcellulose

(MG = 4400)

Grundspülung (4) + 11,4 kg/ m Hydroxväthylcellulose (MG = 15000) +5,7 kg/nr⁵ Ferrochrom-Lignosuifonat + 5,7 kg/m-⁵ Natriumhydroxid

6,5
55

135 > 200

15,5 >2OO 4,0 >200

10,6

30,5

5,0

14,0

1) PV = plastische Viskosität

2) YP = Fließgrenze

3) API Vi, 1. = Wasserverlust oder- Filtrationsgrad

4) Eine Schieferton stabilisierende Feld-Bohrspülung niedrigen Feststoffgehaltes aus der Bohrung in New Mexico Stabe, DD-Bohrung.

hergestellt. Die ersten 3657 Meter (12 000 feet) des Loches wurden unter Benutzung einer leichten rlatriumchlorid-haltigen Bohrspülung, die kein weiteres Behandlungsmaterial enthielt, gebohrt« Unmittelbar bevor in die Wolfcamp-Schiefertonformation gebohrt wurde, wurde der aus Salzlösung bestehenden Bohrspülung

den
füi^oberen Teil des Bohrloches Calciumchlorid und überschüssiges Calciumhydroxid zugesetzt« Es wurden die rheologischen Eigenschaften bestimmt und für das gebohrte Loch für angemessen befunden. Deshalb wurde zu diesem Zeitpunkt der Spülung weder Ton noch Asbest zugesetzt. Typische Eigenschaften der Bohrspülung sind, in der Tabelle IV wiedergegeben; es sind die Kessungen, die an der Bohrstelle etwa im Abstand von einer Woche gemacht wurden. Es wurden nur die Marsh-Trictiö^-Viskositätsmessungen an der Bohrspülung vorgenommen und die angegebenen Zahlen sind Sekunden. _ _

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234/H05

Tabelle IY Eigenschaften der mit den Zusätzen versehenen Salzlsg.

Versuch ITr. Gewicht Trichter-Visk. A) Ga⁺⁺^²' Gl"C^?) . kg/L Sek. ppm

24 1,116 26,5 1,35 2600 108 000

25 1,152 29,2 0,75 1040 129 000

1) P „ = Filtratalkalität, die definiert ist als die Anzahl ml 0,02 η Schwefelsäure, die zur Titration von 1 ml Bohrspülungnfiltrat bei Yerv/endung von Phenolphthalein als Indikator erforderlich ist.

2) Ca⁺⁺ ppm = Calciumkonzentration im Eiltrat in ppm

3) Cl"" ppm = Chloridkonzentration im Filtrat in ppm

Die vorstehend beschriebene, aus mit den Zusätzen versehenen Salzlösung bestehende Bohrspülung wurde beibehalten, bis Schwierigkeiten bei einer Tiefe von ca. 4371*61 Meter auftraten. An diesem Punkt wurde beschlossen, die rheologischen Eigenschaften der Bohrspülung durch Zugabe von Asbest und Attapulgitton zu verbessern. Bariumsulfat oder Barit wurden ebenfalls zugegeben, um die Dichte bzw. das spezifische Gewicht der Bohrspülung auf 1,32 kg/Liter zu erhöhen. Typische Eigenschaften der Bohrspülung, die im Abstand von ca. 1 Monat bestimmt wurden, sind in Tabelle Y wiedergegeben.

Tabelle V

Eigenschaften der Feldbohrspülung niedrigen Feststoffgehaltes p-y-3

Versuch Kr. Dichte Trichter-Visk. PV¹ YP² ΥΪΓ pj Ca⁺⁺ ppm⁵

kg/L Sek. . ^J

26 1,308 40 6,5 41 0,16 0,5 1300

27 1,260 37 7 24 0,29 0,19 2000

1) PY = plastische Viskosität, errechnet durch Subtrahieren des am Fann-VG-Meter bei 300 UpM abgelesenen Wertes von dem bei 600 UpM abgelesenen Wert.

2) YP = Fließgrenze, errechnet durch Subtrahieren des am Fann-VG-Meter bei 300 UpM abgelesenen Wertes von dem Wert der plastischen Viskosität.

5) ϊΥ/ΥΡ = das Verhältnis von plastischer Viskosität zu Fließgrenze, errechnet durch Dividieren des Wertes der plastischen

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Viskosität durch den der Fließgrenze.

4) ρ = Filtratalkalität, definiert als die Anzahl ml 0,02 η

Schwefelsäure, die erforderlich ist, um 1 ml Bohrspülungsfiltrat bei Verwendung von Phenolphthalein als Indikator zu titrieren.

5) Ca⁺⁺ppm = Konzentration der Calciumionen im Filtrat in ppm.

Die vorstehend beschriebene Bohrspülung wurde bei den \ireiteren Versuchen beibehalten, die bis zu einer Tiefe von etwa 5592 Meter durchgeführt wurden. Während dieser Versuche traten keine ungewöhnlichen Bohrschwierigkeiten auf. Bei allen in den Tabellen V und VI aufgeführten Bohrspülungsversuchen wurde der Filtrationsgrad periodisch bestimmt und festgestellt, daß er, gemessen nach API als Wasserverlust, über 200 ml lag. Dieser Wert ist nicht mit in die Tabellen aufgenommen worden, denn es ist tatsächlich schwierig, den Filtrationsgrad genau zu bestimmen, wenn der Wert diese Höhe hat. Bei einem Versuchten Filtrationsgrad zu kontrollieren, wurde der Feld-Bohrspülung kein Material zugefügt und es traten keine Schwierigkeiten auf, was vermutlich darauf zurückzuführen ist, daß eine Bohrspülung mit solch abnorm hohem Filtrationsgrad verwendet wurde. Eine Bohrspülung mit solch hohem Filtrationsgrad sollte in geographischen Gebieten, von denen man weiß, daß sie eine sehr durchlässige Formation haben, nicht benutzt werden; aber der vorstehend beschriebenen Schieferton stabilisierenden Bohrspülung niedrigen Feststoff gehaltes kann, wenn erforderlich ist, zur Herabsetzung ihres Filtrationsgrades Hydroxyäthylcellulose zugesetzt werden.

Das Feld, bei welchem die vorstehend beschriebene Bohrung unter Benutzung der erfindungsgemäßen Schieferton stabilisierenden Bohrspülung niedrigen Feststoffgehaltes niedergebracht wurde, war ein Gebiet, in dem zur Zeit der Durchführung des Testes viel gebohrt wurde. Vier weitere Bohrungen wurden in unmittelbarer Nähe gebohrt, drei unter Benutzung einer mit einem Polysaccharid-Polymer verbesserten bentonithaltigen Bohrspülung auf Basis von frischem Wasser und eine unter Verwendung einer Öl- oder Wasser-in-öl-Emulsionsspülung. Die Kosten der Bohrspülungen und .die Eindringgeschwindigkeit oder die Materialien, die zur Boh-

die
rung durch/Violfcamp-Schiefertonstrske verwendet wurden, standen

£09823/0263

zur Verfügung und sind in Tabelle VI aufgeführt. Daraus ist zu ersehen, daß die mit dem Polysaccharid verbesserte Bentonitspülung, die "bei drei Bohrungen in unmittelbarer Nachbarschaft benutzt wurde, durchschnittlich 5,84 Dollar pro foot gebohrter Schiefertonsektion kostete und die Wasser-in-Öl-Bmulsion 8,50 Dollar. Die erfindungsgemäße Bohrspülung kostete dagegen 5,53

X OO"C

Dollar pro/erbohrter Schierfertonsektion, was wesentlich günstiger ist. Die Eirrlringgesehwindigkeit der mit dem Polysaccharid verbesserten Bentonitspülung betrug 1,70 Meter pro Stunde und die der Emulsionsspülung 1,455 Meter pro Stunde. Die erfindungsgemäße Bohrspülung hatte dagegen eine durchschnittliche Eindringgeschwindigkeit von 2jO51 Meter pro Stunde. Auch bei diesem Vergleich, mit den vier Bohrspülungen, die im selben Gebiet und durch die gleiche Wolfcamp-Schiefertonsektion vorgenommen wurden, schneidet die erfindungsgemäße Bohrspülung außerordentlich günstig ab.

	Art der Bohr	Tabelle VI	und Eindringgeschwi
	spülung	Bohrspülung
Durchschnittliche Kosten der	Polymer-Bento-		Penetrationsge-
digkeit	nit	Kosten	schwindigk., m/h
Versuch ITr.	Polymer-Bento-	Dollar/foot	1,64
	nit	5,12
28	Polymer-Bentο-		1,70
	nit	6,08
29	Wasser-in-Öl-		1,76
	Emulsion	6,55
50	nach der Erfin		1,45
	dung	8,50
31		2,05
	5,53
52

Vorstehend konnte sowohl an Labor- als auch Feld-Versuchen gezeigt werden, daß die Verwendung einer Schieferton stabilisierenden Bohrspülung niedrigen Eeststoffgehaltes, die eine Konzentration an löslichem Calcium von mindestens 200 ppm, vorzugsweise^ 000 ppm, eine Filtratalkalität von über 0,2, vorzugsweise über 0,5 ml, mit 0,02 η Schwefelsäure und Phenolphthalein als Indikator titriert, und überschüssiges oder ungelöstes CaI-ciunihydroxid aufweist, ein Verhältnis von plastischer Viskosität zu Fließgrenze von unter 1 und einen Piltrationsgrad, nach API als Wasserverlust bestimmt, voji über 100 ml hat,mit Erfolg

40 9 8 2 3/ 02 63 ORIGINAL INSPECTED

2 3 Λ 9 4 O 5

zum Niederbringen einer Bohrung in eine unterirdische Formation mit einer Schiefertonstrecke, zum Beispie]. Wolfcamp-Pennsylvania·

Schieferton, verwendet werden kann; es treten nur minimale Schwierigkeiten auf, die Kosten der Bohrspülung pro foot durchbohrter Schiefertonstrecke sind niedrig und die Eindringgeschwindigkeit bzw. Penetration durch die Schiefertonstrecke ist hoch.

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Claims

a) eine wässrige Phase, die eine gesättigte Calciumhydroxidlösung mit soviel eines darin gelösten Calciumsalzes, welches in Wasser besser löslich ist als Calciumhydroxid, enthält oder daraus besteht, daß die wässrige Phase eine Calciumionenkonzentration von mindestens 200 ppm aufweist und eine Alkalität hat, die einem Verbrauch von mindestens 0,5 ml 0,02 η Schwefelsäure pro ml wässriger Phase, mit Phenolphthalein als Indikator titriert, entspricht, und

b) eine disperse Peststoffphase, die so viel Attapulgit, Asbest oder ein Gemisch davon als viskositätserhöhendes Material enthält, daß die Bohrspülung eine plastische Viskosität von etwa 5-20 cps und eine Fließgrenze von etwa 5-4-0 hat, und das Verhältnis von Fließgrenze zu plastischer Viskosität zwischen etwa 0,25 und etwa 1,0 liegt.
2. Bohrspülung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß das viskositätserhöhende Material in einer Menge von etwa 2,85 - 28,5 kg/nr Bohrspülung vorliegt.
3. Bohrspülung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch g e kennzeichn et, daß die wässrige Phase Natriumchlorid gelöst enthält.
4-. Bohrspülung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch geke nnzeichnet, daß die wässrige Phase mit Natriumchlorid gesättigt ist.
5. Bohrspülung nach einem der vorhergehenden Ansprüche,. dadurch gekennzeichnet, daß die disperse Feststoffphase auch überschüssiges ungelöstes

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a*

Calciumhydroxid enthält.
6. Bohrspülung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Calciumhydroxidkonzehtration 2,85 - 28,5 kg/m? Bohrspülung beträgt.
7. Bohrspülung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Calciumsalz_v, dessen Löslichkeit in Wasser größer als Calciumhydroxid ist, Calcium-chlorid, -nitrat, -sulfat, -acetat oder -formiat ist.
8. Bohrspülung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Calciuinsalz in einer Menge von etwa 0,70 "bis etwa 2,85 kg/m3 Bohrspülung vorliegt.
9· Bohrspülung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß sie eine A.P.I.-Filtrationsrate von über 100 ml hat.
10. Bohrspülung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß sie

Hydroxyäthylcellulose in einer Menge von 2,85 - 11,4-0 kg/m3 Bohrspülung enthält.
11. Verwendung der wässrigen Bohrspülung nach einem der vorhergehenden Ansprüche beim Niederbringen einer Bohrung durch eine Formation aus Schieferton.

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