DE2528464C3 - Verfahren zur Herstellung von Beschwermittel für Bohrspülungen - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Beschwermittel für Bohrspülungen aus überwiegend Eisenoxid enthaltenden Feststoffen.

Spülflüssigkeiten haben bei Tiefbohrungen die Aufgabe, das durch die Bohrwerkzeuge gelöste Gestein auszutragen. Bei großen Teufen nimmt auch der Formationsdruck zu, und es ist daher erforderlich, zur Kompensation dieses Druckes die Spülflüssigkeit mit Stoffen hohen spezifischen Gewichtes zu beschweren. Bekannte Beschwerungsmittel sind beispielsweise Schwerspat, Quarz, Eisenoxide, Bleioxide, Zinkstaub (US-PS20 99 825).

Nach dem aus DT-OS 23 62 712 bekannten Verfahren werden nichtmagnetische eisenoxidhaltige Materialien mit einem spezifischen Gewicht von wenigstens 4,2 aus Eisenerzen durch oxidierendes Glühen bei 927 bis etwa U21°C mit anschließendem Abschrecken des Glühgutes gewonnen. Das Gut wird als Beschwerungsmittel in Bohrschlämmen verwendet. Bei Überschreiten einer Temperatur von etwa 1!21°C nehmen die Eisenoxide imi Giiühprcdukt magnetische Eigenschaften an. Sollen auch solche Materialien für die Beschwerung von Bohrflüssigkeiten verwendet werden, muß daher eine Abtrennung der magnetischen Teilchen mittels eines Magnetscheider vorgenommen werden.

Es ist ferner bekannt, Abbrände sulfidischer Erze als Beschwermittel in Bohrspülungen zu verwenden. Gemäß dem Verfahren der DT-PS 21 39 952 wird in der Wirbelschicht abgerösteter Flotationspyrit in einer ganz bestimmten, unter 75 μπι liegenden Kornfeinheit verwendet. Bohrfeldversuche mit einem derartigen Beschwermittel haben gezeigt, daß unter bestimmten örtlichen Gegebenheiten die magnetischen Eigenschaften solchen Materials die elektrischen Bohrlochvermessungen nicht beeinflußten und auch keine Belagbildung am Bohrgestänge auftrat (»Erdöl-Erdgas-Zeitschrift«, 1972, S.417 bis 421). Nach dem aus SU-PS 70 794 bekannten Verfahren werden zur Herstellung von Beschwerungsmitteln für Bohrspülungen Pyritabbrände einer Nachglühung bei 700 bis 800°C unterzogen und nach der Abkühlung der gebildete Magnetit abgetrennt. Der gemahlene Magnetit wird als Beschwermittel eingesetzt. Auch nach US-PS 22 76 075 werden magnetische Stoffe einer Feinheit unter 44 μπι als Beschwermittel verwendet, beispielsweise künstlicher Magnetit, der durch Rösten von nichtmagnetischen Eisenoxiden unter reduzierenden Bedingungen hergestellt ist. Die Vorteile der Verwendung magnetischer Beschwerstoffe werden darin gesehen, daß sie mittels Magnetscheider aus der mit Bohrklein verunreinigten Spülflüssigkeit leicht abgetrennt werden können. Nach dem Verfahren der US-PS 22 98 984 wird ein Beschwermittel auf Basis Pyritabbrand durch Glühen von Pyritabbrand in vorzugsweise oxidierender Atmosphäre in Gegenwart von z. B. Alkalimetallsalzen als Beschleu- ^o nigern bei Temperaturen von wenigstens 980° C gewonnen. Diese Behandlung dient der Beseitigung von Schwefel bis auf Restgehalte von etwa 0,2%. In dieser Vorveröffentlichung wird der Frage der magnetischen Eigenschaften des Beschwermittels eine Bedeutung nicht zugemessen, da die Glühbehandlung in neutraler, reduzierender oder oxidierender Atmosphäre vorgenommen werden kann. Man hat daher bisher eisenoxidische, ferromagnetische Beschwerungsmittel, wie Magnetit, aus Gründen der besseren Abtrennbarkeit aus verbrauchten Bohrspülungen für geeignete Beschwerstoffe gehalten. Soweit Pyritabbrände als Beschwerstoffe vorgeschlagen wurden, hat man deren im allgemeinen aufgrund der Herstellungsverfahren vorhandene Anteile an Magnetit in Kauf genommen.

Bohrspülungen, die mit ferromagnetischen Eisenoxiden oder erhebliche ferromagnetische Anteile enthaltenden Eisenoxiden beschwert sind, zeigen in vielen Fällen noch nachteilige Wirkungen und Störungen, insbesondere bei der magneto-induktiven Bohrlochvermessung der Lagerstättet. Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Beschwermittel auf Basis Eisenoxid zu schaffen, das in einfacher und wirtschaftlicher Weise und praktisch unter Vermeidung von magnetischen Anteilen hergestellt werden kann und das die Stabilität von Bohrspülungen nicht durch Ausflokkung zerstört

Die Erfindung löst diese Aufgabe mit einem Verfahren zur Herstellung von Beschwermittel für Bohrspülungen durch Glühen von überwiegend Eisenoxid enthaltenden Feststoffen in oxidierender Atmosphäre bei Temperaturen über 1200⁰C und anschließendes Abkühlen. Das Verfahren der Erfindung besteht darin, daß der Feststoff in Sauerstoffüberschuß aufweisender Atmosphäre bei einer Temperatur von 12iü bis 1400⁰C behandelt wird, wobei der Sauerstoffanteil der Atmosphäre größer als der bei der jeweiligen Glühtemperatur im Gleichgewicht herrschende Sauerstoffpartialdruck des Eisenoxids gehalten wird, und

anschließend in oxidierender Atmosphäre langsam auf 780° C abgekühlt wird.

Als Ausgangsstoffe werden in dem erfindungsgemaSen Verfahren Materialien eingesetzt, d η überwiegendem Anteil Eisenoxid enthalten un ein spezifisches Gewicht von mindestens 4 aufweisen. Zu diesen Stoffen gehören beispielsweise Eisenerze wie Hämatit oder Eisenspat, ferner Abbrände sulfidischer Eisenerze, beispielsweise Abbrand von Feinkies oder Flotationskies. Des weiteren eignen sich auch Abbrände, die vorgängig einer Behandlung zur Abtrennung bestimmter Wertstoffe unterzogen wurden, beispielsweise einer chlorierenden Röstung zwecks Abtrennung von Nichteisenmetallen.

Der Sauerstoffüberschuß während des Glühproz.isses ist erforderlich, um die Bildung ferromagnetischer Anteile zu verhindern bzw. sie auf einem nicht mehr störenden Anteil zu halten. Dieser Anteil an z. B. Magnetit, der durch Messung der magnetischen Suszeptibilität leicht ermittelt werden kann, darf nicht größer als 1% sein. Der Glühprozeß wird im allgemeinen zwischen 1210 und 1400⁰C durchgeführt.

Die oxidierende Glühbehandlung in einem einen Sauerstoffüberschuß aufweisenden Gasstrom kann in beliebigen Aggregaten durchgeführt werden. Je nach Ausführungsform der Vorrichtung, beispielsweise Drehrohrofen oder Wirbelschichtofen, beträgt die Dauer der Glühbehandlung 10 bis 180 min. Besonders zweckmäßig und wirtschaftlich hat sich die Behandlung in einer zirkulierenden Wirbelschicht erwiesen.

Bei der oxidierenden Glühbehandlung bei 1210 bis 1400°C von z.B. Pyritabbrand wird nicht nur ein Material mit paramagnetischen Eigenschaften erzeugt, sondern es werden auch die in dem Abbrand zunächst immer enthaltenen wasserlöslichen Salze, insbesondere Sulfate, thermisch zersetzt. Das Produkt ist daher völlig schwefelfrei. Die kationischen Komponenten der Salze, wie z. B. Mangan, Zink oder Calcium, werden als Ferrite unlöslich gebunden. Ein Auswaschprozeß ist daher nicht mehr notwendig. Das nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellte Produkt hat ein spezifisches Gewicht von mindestens 4 bis 5,2. Des weiteren wird durch die Glühbehandlung ein Sintern der porösen Oberfläche des feinteiligen Materials bewirkt, insbesondere bei eisenoxidischen Stoffen, die Röstprozessen sufidischer Erze entstammen.

Der bei Temperaturen bis 1400⁰C im Sauerstoffüberschuß enthaltender Atmosphäre geglühte und Überwiegend Eisenoxid enthaltende Stoff wird anschließend langsam abgekühlt. Die Abkühlung erfolgt wiederum in oxidierender Atmosphäre, um gegebenenfalls eine bei hohen Temperaturen erfolgte geringfügige Magnetitbildung rückgängig zu machen. Eine derartige partielle Fe3O4-Bildung kann durch thermische Sauerstoffabspaltung erfolgt sein. Die Abkühlung auf eine Temperatur von 780⁰C wird im allgemeinen während eines Zeitraums von mehreren Stunden vorgenommen. Unterhalb einer Temperatur von 780⁰C ist das Eisenoxid paramagnetisch, und es kann daher von 780⁰C ab das Gut rasch weiter auf Umgebungstemperatur gekühlt werden.

Das geglühte und abgekühlte eisenoxidische Gut wird einer Mahlung unterzogen und für die Verwendung des Güies als Beschwermittc! in Bohrspülungen auf eine Kornfeinheit unter 75 μπι klassiert, wobei der Kornanteil unter 10 μπι nicht mehr als 50% betragen soll. Derartige Kornzusammensetzungen für als Beschwermittel zu verwendenden Pyritabbrand sind an sich bekannt. Zweckmäßig weisen Beschwerniittel der genannten Art eine Kornzusammensetzung auf von

50 bis 55%
10 bis 15%
10 bis 15%
20 bis 30%

30 bis /5 μπι

20 bis 30 μηι

10 bis 20 μπι

' bis 10 μΐη

Das erfindungsgemäße Verfahren weist Vorteile auf. Die unerwünschten ferromagnetischen Eigenschaften von eisenoxidischen Stoffen, insbesondere Pyritabbrand, werden beseitigt Durch den Glühprozeß wird ferner die Oberfläche des geglühten Produktes verringert, bei z. B. Pyritabbrand von ca. 1,5 bis 2,5 m²/g auf ca. 0,6 m²/g (gemessen nach BET) verringert. Diese Erniedrigung und physikalische Veränderung der Oberfläche wirkt sich hinsichtlich der Theologischen Eigenschaften des Fertigproduktes in Bohrspülungen hervorragend aus. Die scheinbare Viskosität ist bedeutend niedriger als beim Einsatz handelsüblicher Schwerspate und bekannter Pyritabbrände, ebenso sind die Gelstärke und Wasserverlust, zwei weitere wichtige spültechnische Größen, niedriger als bei mit Schwerspat oder üblichem Pyritabbrand beschwerten Bohrspülungen. Die Eigenschaften ändern sich auch nach Temperaturbelastung der Spülung, die Bestandteile der spültechnischen Prüfung ist, im Gegensatz zu mit Schwerspat beschwerten Spülungen, nur unwesentlich.

Das erfindungsgemäße Verfahren wird in den folgenden Beispielen näher erläutert

In den folgenden Beispielen wurde als Ausgangsmaterial Abbrand von in der Wirbelschicht abgeröstetem Flotationspyrit mit 0,7% Gesamtschwefel und 9% G angart, verwendet.

Beispiel 1

In einem direkt beheizten Drehrohrofen wurden 120 kg/h Abbrand bei 1250⁰C in oxidierender Atmosphäre (A = 1,08 bis 1,1) calciniert Die Verweilzeit im Ofen betrug 30 min, in der Glühzone 15 min. Der Ofenaustrag wurde in Luft innerhalb von etwa 20 min auf unter 800⁰C gekühlt, im Backenbrecher vorzerkleinert und in einer Kugelmühle mit Sichterkreislauf (Durchsatz 230 kg/h) auf Korngrößen unter 7^Γ)μπι gemahlen.

Beispiel 2

In der Anlage mit zirkulierender Wirbelschicht wurden 50 kg/h Abbrand bei Temperaturen von 1220° C in oxidierender Atmosphäre calciniert. Im Abgas wurden 5 bis 6 Vol.-% Sauerstoff gemessen.

Der Ofenaustrag wurde in Luft langsam auf 78O°C gekühlt und dann rasch weiter auf Umgebungstemperatur abgekühlt. Das gekühlte Produkt wurde auf folgende Kornzusammensetzung klassiert

30 bis 75 μίτι

20 bis 30 μΐη

10 bis 20 μηι

bis 10 μίτι

50 bis 55%
10 bis 15%
10 bis 15%
20 bis 30%

In der nachfolgenden Aufstellung sind die anwendungstechnischen Eigenschaften der Produkte der Beispiele 1 und 2 und zum Vergleich ein übliches Beschwermittel aus Schwerspat angeführt. Sämtliche Produkte hatten eine Kornzusammensetzung entsprechend der in Beispiel 2 angegebenen.

Produkt aus Beispiel ! Produkt aus Beispiel 2 Vergleichsprodukt

Schwerspat

Wasserlösliche Salze Wasserlösliches Ca Grammsuszeptibilität

Viskosität <n Tonspülgn. (wässerige Bentonitsuspensionen Wasserverlust Nach Temperaturbelastung 130°C/24 h Viskosität Wasserverlust

0,05% 0,05% <0,l%

ppm 93 ppm 110 ppm

· IQ-⁶CmVg 750 · IQ-⁶CmVg «0

35 cP 55 cP

4 — 5 ml/30 min 7 ml/30 min

39 cP 60 cP

9 ml/30 min 12 ml/30 min

Claims (6)

Patentansprüche:

1. Verfahren zur Herstellung von Beschwermittel für Bohrspülungen durch Glühen von überwiegend Eisenoxid enthaltenden Feststoffen in oxidierender Atmosphäre bei Temperaturen über 1200⁰C und anschließendes Abkühlen, dadurch gekennzeichnet, daß der Feststoff in Sauerstoffüberschuß aufweisender Atmosphäre bei einer Temperatur von 1210 bis 1400°C behandelt wird, wobei deren Sauerstoffanteil größer als der bei der jeweiligen Glühtemperatur im Gleichgewicht herrschende Sauerstoffpartialdruck des Eisenoxids gehalten wird, und anschließend in oxidierender Atmosphäre langsam auf 78O⁰C abgekühlt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Glühbehandlung während 10 bis 180 min vorgenommen wird.

3. Verfahren nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Glühbehandlung in einer zirkulierenden Wirbelschicht vorgenommen wird.

4. Verfahren nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Glühbehandlung in einem Drehrohrofen vorgenommen wird.

5. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Feststoff abgerösteter Pyrit ist.

6. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß das abgekühlte Glühprodukt aufgemahlen wird.