-
Bohrspülmittel, Schweremittel dafür und
-
Bohrverfahren Die Erfindung betrifft ein Bohrspülmittel, das für
das Niederbringen von ölbohrungen verwendet wird, ein Schweremittel für solche Bohrspülmittel
sowie ein Verfahren zum Niederbringen von ölbohrungen.
-
Ganz allgemein betrifft die Erfindung Bohrspülmittel und insbesondere
verbesserte Methoden zur Steigerung der Dichte der -Bohrspülmittel und zur Aufrechterhaltung
dieser Dichte.
-
Bekanntlich wird bei dem Rotary-Verfahren zum Niederbringen von ö1-
und Gas-Bohrungen ein Bohrer unter Anwendung eines hohlen Bohrgestänges, das sich
bis zu der Erdoberfläche erstreckt, am Boden des Bohrloches gedreht, wobei das Gestänge
einen wesentlich geringeren Durchmesser als das Bohrloch aufweist, das durch das
Bohrwerkzeug
gebildet wird. Ein Bohrspülmittel, das üblicherweise auch als Bohrschlamm bezeichnet
wird, füllt das Bohrloch sowohl innerhalb als auch außerhalb des hohlen Bohrgestänges
aus und wird während des Bohrens kontinuierlich durch das hohle Bohrgestänge zu
dem Bohrwerkzeug gefördert, von wo es durch oeffnungen austritt und dann in dem
ringförmigen Raum nach oben steigt, der durch die Außenseite des Gestängerohrs und
die Wandungen des Bohrlochs gebildet wird, das in gewissem Ausmaße verrohrt sein
kann.
-
Die Hauptfunktion des Bohrspülmittels bzw. des Bohrschlamms besteht
darin, das Bohrklein während des Bohrens an die Oberfläche zu fördern, so daß das
Bohren kontinuierlich durchgeführt werden kann, was sich von dem intermittierenden
Bohren stark unterscheidet, das bei dem Seilbohrverfahren angewandt wird. Das Bohrspülmittel
bzw. der Bohrschlamm dient auch zur Kühlung des Bohrwerkzeugs und zur Schmierung
der Schneidkanten des Bohrwerkzeugs und verhindert weiterhin das Eintreten von Formationsfluiden,
wie öl, Gas und Salzwasser während des Bohrens in das Bohrloch. Diese zuletzt erwähnte
Funktion wird durch Aufrechterhalten eines hydrostatischen Druckunterschieds bewirkt,
so daß der Druck des Bohrschlamms in einer gegebenen Tiefe größer ist als der Druck
der an dieser Stelle auftretenden Formationsfluide. Zusätzlich sollte der Bohrschlamm
im allgemeinen nicht in poröse Formationen eindringen, da der Schlamm wegen des
in dem Bohrloch vorherrschenden höheren hydrostatischen Drucks versickern würde,
wobei ein Filterkuchen auf den Wänden des Bohrlochs zurückbliebe, der schließlich
das weitere Bohren beeinträchtigen oder unterbrechen könnte. Es sind eine Reihe
anderen Eigenschaften und Funktionen zu erfüllen, auf die nicht genauer eingegangen
werden braucht, da die Maßnahmen gut bekannt und in einer Reihe von Büchern und
Veröffentlichungen beschrieben sind, bei- -spielsweise in dem Buch von kalter F.
Rogers "Composition and Properties of Oil Well'Drilling Fluids", 3. Auflage, Houston,
1963; und das Kapitel Drilling Fluids" in Kirk-Othmer "Encyclopedia of Chemical
Technology", 2. Auflage, New York 1965, Bd. 7, Seiten 287 - 307. Auf diese Veröffentlichungen
sei hiermit ausdrücklich Bezug genommen.
-
Die Bohrspülmittel des oben beschriebenen Typs können als Grundflüssigkeit
entweder öl oder Wasser enthalten, wobei jede dieser Flüssigkeiten die andere Flüssigkeit
in Form einer emulgierten Phase enthalten kann. Die Bohrspülmittel besitzen im allgemeinen
eine gewisse Plastizität und zeigen auch ein thixotropes Verhalten, wodurch der
Aufwärtstransport des Bohrkleins erleichtert und das Absitzen des Bohrkleins bei
einer Unterbrechung der Bohrspülmittelzirkulation verhindert werden. Diese Eigenschaften
werden dem Bohrspülmittel bzw. dem Bohrschlamm im allgemeinen durch kolloidale Additive
verliehen, insbesondere Additive, die in den fraglichen Flüssigkeiten quellen. In
gewissen Fällen kann als gequollenes Kolloid Schiefer vorhanden sein, durch den
im Verlaufe des Bohrens gebohrt wurde oder man kann von der Oberfläche aus Tone
oder Bentonit oder andere, besonders kolloidale Tone zugeben.
-
Man kann auch als Verdickungsmittel oder Suspendiermittel Asbest verwenden.
-
Die Dichte des Bohrschlammes bzw. des Bohrspülmittels, die im allgemeinen
als das Gewicht des Bohrschlamms bzw. des Bohrspülmittels angesprochen wird, wird
erforderlichenfalls dadurch gesteigert, daß man den Bohrschlamm bzw. das Bohrspülmittel
mit feinverteilten Feststoffen versetzt, die eine hohe Eigendichte aufweisen. Das
am meisten für einen solchen Zweck eingesetzte Schweremittel ist fein vermahlener
Schwerspat (Baryt), obwohl man auch verschiedentlich Eisenoxid, Zölestin, Bleiglanz
und andere Mineralien eingesetzt hat. Aus praktischen Gründen wird Schwerspat fast
ausschließlich für diesen Zweck verwendet, da das Material eine relativ hohe Dichte
aufweist, relativ unlöslich ist, chemisch inert ist und leicht zugänglich ist. Ein
Nachteil des Schwerspats besteht in seiner Weichheit, die einem Wert auf der Mohs'schen~
Härteskala von 2,5 bis 3,5 entspricht. Das Ergebnis hiervon ist, daß das gesamte
Kreislaufsystem während des kontinuierlichen Bohrens als eine Art Strahlmühle wirkt,
so daß die in dem Bohrspülmittel enthaltenen weicheren Mineralteilchen verrieben
und nach und nach zu einer kleineren Teilchengröße vermahlen werden. Eine direkte
Folge davon ist eine graduelle Zunahme der Konsistenz des Bohrschlamms, die eine
Folge der geringeren Teilchengröße und der
Zunahme der Anzahl der
Teilchen ist.
-
In den beiden oben erwähnten Veröffentlichungen und auch in den US-Patentschriften
1 575 945, 2 298 984, 2 276 075 und 2 895 911 sind bereits Schweremittel beschrieben.
-
Die Aufgabe der Erfindung besteht nun darin, ein Verfahren zur Steigerung
der Dichte von Bohrspülmitteln und Bohrspülmittel mit höherz Dichte anzugeben, die
nicht der Teilchengrößenverminderung der die höhere Dichte ergebenden Materialteilchen
während des Bohrens unterliegen und die die sonstigen Vorteile der Verwendung von
Schwerspat als Schweremittel beibehalten.
-
Diese Aufgabe wird nun durch das erfindungsgemäße Bohrspülmittel gelöst,
das dadurch gekennzeichnet ist, daß es eine aus der öl, Wasser und Emulsionen davon
umfassenden Gruppe ausgewählte Flüssigkeit; ein Verdickungsmittel; und Ilmenit mit
einer solchen Teilchengröße, daß 85 Gew.-% des Materials durch ein Sieb mit einer
lichten Maschenweite von 0,044 mm (325 mesh) dringen, in einer Menge enthält, die
für eine wesentliche Steigerung der Dichte des Bohrspülmittels ausreicht.
-
Weitere Ausführungsformen, Gegenstände und Vorteile ergeben sich aus
der folgenden Beschreibung, in der auf die beigefugten Zeichnungen Bezug genommen
wird.
-
Die Zeichnungen zeigen in Fig. 1 die Verminderung der Teilchengröße
verschiedener Schweremittel während des mechanischen Durcharbeitens von Suspensionen
dieser Schweremittel; und in Fig. 2 gewisse rheologische Eigenschaften von Bohrspülmitteln,
die verschiedene Schweremittel enthalten, als Funktion der Zeitdauer der mechanischen
Durcharbeitung.
-
Ganz allgemein wird erfindungsgemäß ein Bohrspülmittel der definierten
Art mit zerkleinertem Ilmenit versetzt, der eine solche Teilchengröße aufweist,
daß mindestens 85 Gew.-% des Materials durch ein Sieb mit einer lichten Maschenweite
von 0,044 mm (325 mesh) dringen, wobei der Ilmenit in einer solchen Menge zugegeben
wird, daß sich eine wesentliche Steigerung der Dichte des Bohrspülmittels bzw. des
Bohrschlamms ergibt und wobei insbesondere eine Steigerung der Dichte des Bohrspülmittels
von einem als zu niedrig angesehenen Wert auf einen Wert erreicht wird, der für
die vorherrschenden Bohrbedingungen als angemessen anzusehen ist.
-
Ilmenit ist ein häufig vorkommendes Mineral, bei dem es sich chemisch
um Eisen(II)-titanat handelt. Das Material ist beispielsweise in Band 5 des Buches
"Rock-Forming Minerals" von W. A. Deer et al., London, 1962, Seiten 28 - 33 und
in dem Kapitel titanium" auf den Seiten 851 - 880 des Buches "Industrial Minerals
and Rocks", 3. Auflage, New York, 1960, beschrieben. Typische Analysen zeigen einen
Gehalt von etwa 45 % Titandioxid und etwa 33 bis 37 % Eisen, obwohl sich erhebliche
Variationen ergeben und häufig Begleitelemente, wie Magnesium, Mangan, Calcium und
Vanadium in Mengen von im allgemeinen weniger als 1 % enthalten sind. Der für die
erfindungsgemäßen Zwecke geeignete Ilmenit sollte eine Dichte von mindestens 4,3
g/ccm aufweisen. Einige Ilmenit-Lager besitzen eine so hohe Qualität, daß das Material
ohne Aufbereitung verwendet werden kann, während andere Produkte unter Anwendung
üblicher metallurgischer Verfahrensweisen aufgearbeitet werden müssen, damit die
oben erwähnte minimale Dichte erreicht wird. In allen Fällen wird der erfindungsgemäß
zu verwendende Ilmenit auf eine solche Teilchengröße vermahlen, daß mindestens 85
Gew.-% des Materials durch ein Sieb mit einer lichten Maschenweite von 0,044 mm
(325 mesh) dringen, wobei man in gewissen Fällen das Material noch feiner vermahlt,
daß 90 oder 92 % des Materials eine Teilchengröße von weniger als 0,044 mm (325
mesh) aufweisen. Dies kann ohne weiteres mit Hilfe von üblichen Mahiverfahren erreicht
werden.
-
Wie bereits erwähnt besitzen die Bohrspülmittel üblicherweise Nichtnewton'sche
Viskositätseigenschaften. Dies bedeutet, daß sie sich von echten Flüssigkeiten,
wie reinem öl oder reinem Wasser, dadurch unterscheiden, daß sie ein plastisches
Verhalten zeigen, d. h., daß es für solche Fluide eine endliche (wenn auch sehr
geringe) Schubspannung gibt, unterhalb der keine Scherung erfolgt. Hierauf beruht
die Tatsache, daß das Bohrspülmittel feinvermahlene Teilchen mit einer größeren
Dichte als sie das Bohrspülmittel selbst aufweist zu enthalten vermag, ohne daß
ein Absitzen der Teilchen erfolgt.
-
Diese Eigenschaft wird dem Bohrspülmittel bzw. dem Bohrschlamm dadurch
verliehen, daß man Substanzen zusetzt, die der Bequemlichkeit halber als Verdickungsmittel
bezeichnet werden können. Im Fall von üblichen Bohrschlämmen auf der Grundlage von
Wasser kann das Verdickungsmittel, wie bereits erwähnt, aus den durchbohrten tonhaltigen
Formationen stammen, wie Schiefer oder tonhaltigen Sanden, so daß das Material durch
das Bohren in den Bohrschlamm eingeführt wird. Alternativ hierzu oder zusätzlich
kann man das Bohrspülmittel bzw. den Bohrschlamm mit Tonen versetzen, einschließlich
der hochkolloidalen Tone, wie Montmorillonit und Attapulgit. Als Verdicker kann
man auch eine große Vielzahl von anderen, in Wasser dispergierbaren Kolloiden verwenden,
wie Stärke, Cellulosederivate, Natriumpolyacrylat, natürliche Gummen, wie Karayagummi,
Bakteriengummen, wie die von gewissen Xanthomonas-Spezies gebildeten, und dgl.
-
Wenn das Grundfluid des Bohrschlamms bzw. des Bohrspülmittels ein
öl ist, verwendet man als Verdickungsmittel ein Material, das eine ähnliche Wirkung
in einer oleophilen Umgebung ergibt. Typische Produkte für diesen Zweck sind Asphalt,
insbesondere luftgeblasener Asphalt; Gilsonit; Seifen der Fettsäuren, einschließlich
der Tallöl-Fettsäuren; oleophiler Bentonit und oleophiler Attapulgit, wie sie in
den US-Patentschrift 2 531 427 und 2 531 812 beschrieben sind; Humussäurederivate,
wie sie in den US-Patentschriften 3 671 427 und 3 775 447 beschrieben sind; Magnesiumoxid
und Magnesiumcarbonat; natürliche und synthetische Kautschuke und Polyisobutylen;
Asbest und ähnliche Substanzen. Die Technologie der Anwendung solcher Verdickungsmittel
in Bohrspülmitteln ist gut entwickelt und gut bekannt und muß daher nicht weiter
erläutert werden. Die verschiedenen
Verdickungsmittel besitzen
ein stark unterschiedliches Verdikkungsverhalten, d. h. sie unterscheiden sich in
der Menge, die einer gegebenen Menge einer Bohrflüssigkeit zugesetzt werden muß,
damit die geeignete Konsistenz erreicht wird. Man sollte jedoch eine solche Menge
des Verdickungsmittels verwenden, daß der Ilmenit suspendiert bleibt, obwohl übermäßig
große Mengen vermieden werden sollten, da sich dann Schwierigkeiten beim Pumpen
und beim Absieben des Bohrschlammes und beim über Tage erfolgenden Absitzen des
Sandes und dgl. einstellen können.
-
Die Menge, in der der Ilmenit zugesetzt wird, hängt ihrerseits von
der angestrebten Dichte des Bohrschlamms bzw. des Bohrspülmittels ab, die ihrerseits
eine Folge der besonderen Bohrbedingungen ist. Die Schwerspatmenge, die zur Erzielung
einer gegebenen Zunahme der Dichte eines Bohrspülmittels gegebent Anfangsdichte
notwendig ist, ist gut bekannt, und es sind Tabellen erhältlich, aus denen diese
Beziehungen abgelesen werden können. Der Dichtebereich des Ilmenits, wie er erfindungsgemäß
verwendet wird, ist im wesentlichen gleich dem des in der üblichen ölfeldpraxis
angewandten Schwerspats, so daß die gleichen Tabellen angewandt werden können.
-
Aus den obigen Ausführungen ist ersichtlich, daß das erfindungsgemäße
Verfahren grob gesprochen darin besteht, daß man während des Bohrens durch Formationen,
die unter Druck stehende Fluide enthalten können, bei dem ein Bohrspülmittel, das
aus öl, Wasser und Emulsionen aus öl und Wasser bestehen kann und ein Verdickungsmittel
enthält, in dem Bohrloch zirkuliert wird, die Dichte des Bohrspülmittels auf einem
Wert hält, der dazu ausreicht, daß die unter hohem Druck stehenden Fluide in die
betreffenden Formationen zurückgedrückt werden, indem man dem zirkulierenden Bohrspülmittel
Ilmenit der angegebenen Teilchengröße und in einer Menge zusetzt, die dazu ausreicht,
daß sich eine wesentliche Zunahme der Dichte des Bohrspülmittels auf den ausgewählten
Wert ergibt, und wobei man diese Zugabe während des Bohrvorgangs von Zeit zu Zeit
wiederholt, um die Dichte innerhalb des ausgewählten Bereiches zu halten.
-
Das folgende Beispiel dient der weiteren Erläuterung der Erfindung.
-
Beispiel 1 Man bereitet ein Bohrspülmittel auf Wassergrundlage und
erhöht dessen Dichte mit zwei verschiedenen Qualitäten von Ilmenit und zu Vergleichs
zwecken mit einem handelsüblichen Schwerspat-Schweremittel. Das Bohrspülmittel auf
Wassergrundlage besteht aus Wasser, das pro m3 mit 42,8 kg (15 pounds per barrel)
eines handelsüblichen Wyoming-Bentonits als Verdickungsmittel versetzt worden ist.
-
Getrennte Proben dieses Bohrspülmittels werden durch Zugabe der berechneten
Menge verschiedener Schweremittel auf eine Dichte von 1,92 g/ccm (16 pounds per
US gallon) gebracht. Die Bohrspülmittel werden dann während vieler Stunden in einem
Laboratoriums-Hochgeschwindigkeitsmischer gerührt, wobei die Eigenschaften des Bohrspülmittels
zu Beginn der Untersuchung und nach Ablauf bestimmter Intervalle untersucht werden
und aliquote Proben der Bohrspülmittel einer Siebanalyse unterzogen werden, um den
Gewichtsprozentsatz des Schweremittels festzustellen, das durch ein Sieb mit einer
Maschenweite von 0,044 mm (325 mesh) dringt.
-
Die als Probe A bezeichnete erste Ilmenitprobe ist norwegischen Ursprungs
und besitzt eine Dichte von 4,53 g/ccm, während die zweite Probe aus Kanada stammt
(Probe B) und eine Dichte von 4,44 g/ccm besitzt. Der handelsübliche Schwerspat
stammt aus den Vereinigten Staaten von Amerika (Probe C) und besitzt eine Dichte
von 4,24 g/ccm. Die Siebanalyse der Schweremittel zeigt, daß 92,2 %, 91,8 % bzw.
91,76 % der Proben A, B bzw. C durch das Sieb mit der lichten Maschenweite von 0,044
mm (325 mesh) dringen.
-
Die beiden mit Ilmenit bereiteten Bohrspülmittel (die Proben A bzw.
B) werden mit saurem Natriumpyrophosphat in Mengen von 0,24 bzw. 1,0 kg/t (0,5 bzw.
2,0 pounds per ton), bezogen auf das Gewicht des Ilmenits, behandelt, um die anfänglichen
Bohrspülmitteleigenschaften derart einzustellen, daß sie vergleichbar sind mit denjenigen
des Schwerspat als Schweremittel enthaltenden Bohrspülmittels.
-
Die Mengen des Schweremittels, die dazu erforderlich sind, das Bentonit-Wasser-Bohrspülmittel
auf eine Dichte von 1,92 g/ccm (16 pounds per gallon) zu bringen, betragen für die
Proben A, B bzw. C 1153, 1158 bzw. 1178 kg/m3 (404, 406 bzw. 413 pounds per barrel).
Die Siebanalyse als Funktion der Rührzeit in dem Hochgeschwindigkeitsmischer ist
in der Fig. 1 wiedergegeben, aus der zu erkennen ist, daß sich die Siebanalyse selbst
nach 14-stUndigem kontinuierlichem Rühren bei jenen Bohrflüssigkeiten nicht ändert,
die mit Ilmenit als Schweremittel versetzt worden sind.
-
Andererseits zeigt die Kurve des mit Schwerspat versetzten Materials,
die in der Fig. 1 als Kurve C bezeichnet ist, eine progressive Zerkleinerung des
Schwerspats. Dies spiegelt sich in den Eigenschaften des Bohrspülmittels wieder,
die in der Fig. 2 angegeben sind, und zwar in der Kurve A für das mit dem Schwerspat
versetzte Bohrspülmittel und der Kurve B für das mit dem norwegischen Ilmenit versetzte
Bohrspülmittel. Wie aus der Fig. 2A zu erkennen ist, zeigt die in Centipoise angegebene
Stormer-Viskosität nach 14-stündigem Rühren einen starken Anstieg, während das mit
dem norwegischen Ilmenit beschwerte Material eine sehr geringe Zunahme zeigt. Die
Fig. 2B und 2C zeigen die anfängliche Gelfestigkeit in Stormer-Gramm bzw. die Gelfestigkeit
nach 10-minütigem Stehen. Auch hier zeigt das mit dem Schwerspat behandelte Bohrspülmittel
eine wesentliche Zunahme beider Werte im Vergleich zu einer sehr geringen Zunahme,
die sich bei dem mit dem norwegischen Ilmenit behandelten Bohrspülmittel einstellt.
-
Es ist zu erkennen, daß die erfindungsgemäße Verwendung von Ilmenit
in Bohrspülmitteln zu einer wesentlichen Zunahme der Dichte des Bohrspülmittels
führt. Es versteht sich, daß hierdurch die erfindungsgemäße Zugabe von Ilmenit zu
Bohrspülmittel nicht ausgeschlossen ist, die ein anderes Schweremittel enthalten,
wie beispielsweise Schwerspat, Hämatit, Zölestin, Bleiglanz und dgl.
-
Natürlich werden die speziellen Vorteile, die sich durch die erfindungsgemäße
Verwendung von Ilmenit ergeben, in solchen Bohrspülmitteln dominieren, vorausgesetzt,
daß der Ilmenit einen überwiegenden Anteil (in Gewichtsprozent) der gesamten vorhandenen
Schweremittel
ausmacht. Erfindungsgemäß ist es bevorzugt, daß Ilmenit das Hauptschweremittel und
vorzugsweise das einzige Schweremittel darstellt. Dies ist natürlich in der Praxis
nicht in allen Fällen möglich. Beispielsweise kann ein bereits mit Schwerspat beladenes
Bohrspülmittel bei einer besonderen Bohrung mit relativ zufriedenstellenden Ergebnissen
eingesetzt werden, wobei sich jedoch eine Änderung der Bohrbedingungen einstellen
kann, so daß die mit der Verwendung von Ilmenit erzielten Vorteile erwünscht sein
können. In solchen Situationen ist es kaum wirtschaftlich vertretbar, das Bohrspülmittel
vollständig zu ersetzen.
-
Demzufolge betrifft die Erfindung auch neue Schweremittel, die 1 bis
99 Gew.- Ilmenit und 99 bis 1 Gew.-% eines anderen Schweremittels, wie Schwerspat,
enthalten, wobei beide Schweremittel eine solche Teilchengröße aufweisen, daß mindestens
85 Gew.-% des Materials durch ein Sieb mit einer Maschenweite von 0,044 mm (325
mesh) dringen.
-
Es ist festzuhalten, daß viele Ilmenitlager Calciumsulfat in Form
von Gips oder Anhydrit enthalten. Wenn diese Mineralien in dem fertigen, vermahlenen
Ilmenit enthalten sind, üben sie eine nachteilige Wirkung auf die Eigenschaften
des Bohrspülmittels, zu dem sie zugegeben werden, in jenen Fällen aus, in denen
das Bohrspülmittel ein übliches wäßriges Bohrspülmittel ist, das nicht gegen die
Ausflockungswirkung von Calciumionen stabilisiert ist, die natürlich durch das Calciumsulfat
in das Bohrspülmittel eingeführt werden.
-
In solchen Fällen ist es ohne weiteres möglich, das Calciumsulfatmineral
durch Auslaugen auszuwaschen, obwohl man es auch bequemerweise durch die Zugabe
einer entsprechenden Menge Bariumcarbonat zu dem Ilmenit vollständig inaktivieren
kann. Hierdurch erfolgt eine doppelte Umsetzung, die zur Folge hat, daß Bariumcarbonat
und Calciumsulfat unter Bildung von Bariumsulfat und Calciumcarbonat reagieren,
die beide relativ unlöslich sind. Diese Maßnahmen sind genauer aus der US-PS 2 393
165, der GB-PS 605 173 und
der NL-PS 62 356 bekannt.
-
Es versteht sich jedoch, daß in dem Fall, daß der Ilmenit zu einem
Bohrspülmittel auf der Grundlage eines Öls oder zu irgendeinem anderen wäßrigen
Bohrspülmittel, das gegen Calciumionen stabilisiert worden ist und in der Tat im
allgemeinen wesentliche Konzentrationen der Calciumionen enthält, es nicht erforderlich
ist, das in dem besonderen Ilmenit oder dem eingesetzten Ilmenit vorhandene Calciumsulfat
zu entfernen oder in anderer Weise zu inaktivieren.