DE2710549C2

DE2710549C2 - Verfahren zur Verfestigung einer unterirdischen Formation

Info

Publication number: DE2710549C2
Application number: DE2710549A
Authority: DE
Inventors: David Roland Rijswijk Davies; Franciscus Hendrikus Meijs
Original assignee: Shell Internationale Research Maatschappij BV
Current assignee: Shell Internationale Research Maatschappij BV
Priority date: 1976-03-12
Filing date: 1977-03-10
Publication date: 1986-05-07
Also published as: NL7702574A; IT1072824B; NZ183568A; NO147613C; AU2313777A; AU503369B2; US4061191A; NO770848L; OA05592A; GB1536209A; DE2710549A1; CA1058515A; NO147613B

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Verfestigung einer eine Bohrung, insbesondere eine gasfördernde Bohrung, umgebende unterirdische Formation unter Aufrechterhaltung der Durchlässigkeit mit Hilfe von

25 amorpher Kieselsäure, die durch Hydrolyse von Siliciumhalogenid mit Wasser erhalten wird.

Für die Verfestigung der Umgebung von Bohrungen in öl- oder gasführende Formationen wurden bereits Öllösungen von Siliciumhalogetiiden injiziert, so daß sich mit dem freien Wasser der Formation amorphe

j§ Kieselsäure bildete, die zu einer Abdichtung und Verfestigung der entsprechenden Bereiche führte. Ein weiteres

iö bekanntes Verfahren zur Abdichtung von Formationen besteht darin, Siliciumtetrafluoridgas in die wasserfüh-

ffe 30 rende Formation zu injizieren, so daß sich das durch Hydrolyse des Siliciumtetrafluorids bildende Kieselsäuregel

|| für die Abdichtung der Bohrung gegen Wassereinbruch eignet. Schließlich ist es aus der US-PS 28 08 886

H bekannt, zur Aodichtung von Bohrungen für die sekundäre Ölförderung feuchten Siliciumtetrahalogeniddampf

|?i zu injizieren, so daß unmittelbar in dem injizierten Dampfstrom bereits die Hydrolyse des Siliciumtetrahaloge-

I* nids stattfindet und damit direkt die Abscheidung der amorphen Kieselsäure in der Formation erfolgen kann.

Il 35 Nachteilig bei allen diesen Verf Viren ist es jedoch, daß mit der durch die Abdichtung erhaltenen Verfestigung

H der Umgebung der Bohrung selbstverständlich die Permeabilität weitgehend herabgesetzt wird. Ist jedoch eine

ψ_: Verfestigung der Umgebung von Bohrungen notwendig, weii diese Sand enthält oder während der Förderung

Ig· freizusetzen vermag, und dieser Sand in die Förderbohrung gelangen kann und darin zu Problemen führen

ij' würde, macht die mit den bekannten Verfahren verbundene Abdichtung der Formation diese für den in Rede

if: 40 stehenden Zweck ungeeignet.

Jf? Aufgabe der Erfindung ist es nun, die Umgebung einer Förderbohrung gegen Sandeintritt v/eitestgehend zu

:; verfestigen, ohne jedoch deren Durchlässigkeit und Permeabilität und damit Förderleistung zu beeinträchtigen.

Κ; Diese Aufgabe wird durch die in Anspruch 1 angegebene Maßnahme gelöst. Die Wirksamkeit des erfindungs-

Ji; gemäßen Verfahrens beruht darauf, daß die Porenwände der die Bohrung umgebenden Formationen sozusagen

?Äi 45 durch Ausfütterung mit Kieselsäure verstärkt werden, ohne jedoch die Permeabilität nennenswert herabzuset-

S- ^zen·

^!1 Bevorzugte Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Verfahrens sind in den Unteransprüchen angegeben.

%. Das erfindungsgemäße Verfahren wird an einigen Laboratoriumsversuchen und einem Großversuch be-

ψ schrieben.

;V;> so Die F i g. 1 bis 3 zeigen im Diagramm das Verhalten vorlosen Sandpackungen mit wechselndem Wassergehalt

{ή beim Verfestigen nach dem erfindungsgemäßen Verfahren.

K-i Im Diagramm der F i g. 1 ist die Druckfestigkeit der verfestigten Kerne gegen den ursprünglichen Wasserge-

J^ halt des Sandes aufgetragen.

]■:.; Im Diagramm der F i g. 2 ist ebenfalls die Druckfestigkeit der verfestigten Kerne gegen das Gewicht des

I 55 verfestigenden Materials, bezogen auf Sandgewicht, aufgetragen. Im Diagramm der F i g. 3 ist die verbleibende

ϊ: Durchlässigkeit des verfestigten Kerns gegen den ursprünglichen Wassergehalt des Sandes aufgetragen.

ψ Die Kurve A entspricht der »trockenen« Permeabilität unmittelbar nach der Verfestigung und die Kurve B

f ■; der »feuchten« Permeabilität nach Spülen des verfestigten Sandkerns mit Wasser und dann Gas.

Χ.-. 60 Laboratoriumsversuche

Es wurden Sandkerne mit einer vorbestimmten Wassermenge hergestellt und dann Verfestigungsversuche

■ durchgeführt. Das an den Wänden der Poren zwischen den Sandkörnern haftende Wasser wurde mit einem

Gasgemisch aus Siliciumtetrachlorid und Trägergas wie Stickstoff, Luft oder Methan in Berührung gebracht.

65 Das Gasgemisch war hergestellt worden, indem das Trägergas durch Siliciumtetrachlorid perlen konnte und sich

'['.". daher mit dessen Dampf belud.

Γ ^ Nachdem sich an den Wänden der Poren einschließlich der Berührungspunkte zwischen benachbarten Sand-

; körnern durch Hydrolyse des Siliciumtetrachlorids amorphe Kieselsäure gebildet hatte, wurde Druckfestigkeit,

Durchlässigkeit (Permeabilität) und Stabilität des verfestigten Kerns gegenüber Wasser bestimmt und die Ergebnisse in Tabelle 1 zusammengefaßt.

Bei den Versuchen zeigte sich, daß Siliciumchlorid praktisch sofort mit Wasser reagierte. Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren hängt also die Behandlungszeit von der Geschwindigkeit ab, mit der das Gasgemisch injiziert wird, und von der Menge des eingebrachten Gasgemischs sowie der Konzentration an Siliciumhalogenid. Die Zusammensetzung: der Druck und die Temperatur des Trägergases sind verantwortlich für die maximale Konzentration an Silciumchloriddampf. Ganz allgemein gesagt, läßt sich das erfindungsgemäße Verfahren durchführen mit Gasgemischen, bei denen die Konzentration an Siliciumhalogenid zwischen Sättigung und der aus wirtschaftlichen Gesichtspunkten tragbaren niedrigsten Konzentration liegt.

Das Siliciumtetrachlorid reagiert mit dem an den Wänden der Poren haftenden Wasser gemäß der Gleichung:

SiCl₄(G) + 2 ; 1₂Ο;π) -SiO₂ (amorph) + 4 HC1_(G)

Die sich bildende Salzsäure sollte neutralisiert werden, wofür z. B. Ammoniakgas dient.

Um die Einwirkung von Ammoniak auf die Verfestigung zu prüfen, wurde zuerst mit Ammoniak und dann einem Volumen trockenem Gas gespült. Es trat keine Änderung der Druckfestigkeit der Sandkerne ohne Begrenzung auf.

1. Bestimmung des Ausmaßes der Verfestigung

Die ermittelten Druckfestigkeiten von Sandkernen ohne Begrenzung sind in Tabelle 1 (F i g. ·.! zusammengestellt.

Bei der Herstellung der Prüfkörper wurde dem Sand Leitungswasser zugesetzt. Der Sand hatte folgende Körnung

d\o = 160 μΐη
djs = 130 μίτι
c/95 = 83 μπι und
2,5% < 50 μπι

(ά_Ν=Χμχη, d.h. yv% der Sandkörner sind gröber als Λ"μΓη). Für die Versuche wurde als Trägergas Luft verwendet.

Tabelle 1

Die Bestimmung der Druckfestijkeit erfolgte an unbegrenzten Sandkernen, d. h. sie waren nicht von Seitenwänden umschlossen.

In weiteren Versuchen wurde nachgewiesen, daß der Druckfestigkeit mit der Zeit anstieg bei Altern des Kerns bei Raumtemperatur. Wurde der Sand anstatt mit Leitungswasser mit gesättigter Salzlösung befeuchtet, so ergab sich die gleiche Festigkeit.

2. Bestimmung der Durchlässigkeit verfestigter Sandkerne

Die Durchlässigkeit wurde an begrenzten Sandkernen bestimmt; weitere Messungen erfolgten an kleinen Stücken, die aus den Sandkernen geschnitten waren. Dazu diente das Gaspermeameter nach »Ruska«. Die Ergebnisse der Durchlässigkeitsprüfung sind in der Tabelle 2(Fi g. 3) zusammengestellt.

Versuch	Wasser	Druckfestigkeit
Nr.	Gew.-°/b	N/cm²
1	1,25	6,21
2	2,5	33,12
3	3,75	57,96
4	5,0	93,84
5	7.0	108,33
6	9.1	106.26

	5	1	Wasser	Porosität	27 10	549	Durchlässigkeit	verfestigt	naß	Durchlässigkeit	naß
Tabelle 2	2	Gew.-%	o/o			des ganzen Kerns in Darcy	trocken	3.9	in Darcy (Stücke^	3,9
Vers.-	ίο 3			vor	7.6	2,3	verfestigt	3,0
Nr.	4			Verfestigen	7.3	—	trocken	2,7
	5	1,25	36.8	7,1	7.3	1.1	7.1	1,7
6	2.5	37.4	7.3	5,2	_	5.8	1.1
	3.75	39.1	7,8	3.3		5.2	0,7
	5.0	39.0	4.7	1.1		4,5
7,0	37,3	3.9			2,7
9,1	38.1	1.9		2.1

Tabelle 2 zeigt, daß die Durchlässigkeit des trockenen Prüfkörpers unmittelbar nach der Verfestigung von der gleichen Größenordnung ist wie die Durchlässigkeit des feuchten Prüfkörpers vor der Verfestigung. Daraus ist zu schließen, daß das Volumen der gebildeten amorphen Kieselsäure ungefähr dem vor der Verfestigung anwesenden Wasservolumen entspricht. Wird der verfestigte Kern mit Wasser und Gas gespült, so wird eine neuerliche Cassa'f.igung erreicht, die dazu führ·., daß die Gasdurchlässigkei! weiter verringert wjrd: das sind die oben unter »verfestigt naß« angegebenen Werte.

3. Bestimmung der Stabilität gegenüber Wasser

Versuche zeigten, daß verfestigte Sandkerne in stehendem Wasser stabil sind. In Erdgasfeldern, in denen das geförderte Gas trocken ist, ist daher die Stabilität der Verfestigung kein Problem, denn der verfestigte Teil der Formation kommt nicht mit fließendem Wasser in Berührung und behält seine Druckfestigkeit. Geringe Wassermengen beeinflussen die Festigkeit nicht, solange es sich um stehendes Wasser handelt.

Dagegen zerstört fließendes Wasser mehr oder weniger die Verfestigung. Dies zeigt ein Versuch, bei dem ein verfestigter Sandkern (10 cm Länge und 25 cm Durchmesser) in einer Gummimanschette bei Umgebungstemperatur mit Leitungswasser von 3 l/h bespült wurde. Der Sandkern zerfiel nach 7 Tagen.

Steht das verfestigte Material mit fließendem Wasser in Berührung, müssen besondere Maßnahmen zur Stabilisierung getroffen werden. Diese bestehen unter anderem darin, daß man das verfestigende Material hydrophobiert. Dazu eignen sich Aryl- und Alkylsiliciumhalogenide. wie Dimethyldichlorsilan. Sie werden nach der eigentlichen Verfestigung in flüssiger oder gasförmiger Form injiziert oder man setzt deren Dampf dem Gasgemisch iv: das erfindungsgemäße Verfahren zu. Einen ähnlichen Effekt erreicht man, wenn man einen Teil des fossilen Wassers durch einen Alkohol ersetzt oder nach der erfindungsgemäßen Verfestigung Alkohol (Ethanol oder Methanol) flüssig oder gasförmig injiziert.

Es kann sich unter Umständen zeigen, daß das geförderte Erdgas an Ort und Stelle nicht soweit getrocknet werden kann, daß eine Verstopfung uer Leitungen oder Perforationen während der Vcricstigungsbehandlung vermieden werden könnte. Es kann sich auch herausstellen, daß andere Bestandteile des Erdgases mit dem oder den verwendeten Siliciumhalogenid(en) unverträglich sind. In solchen Fällen kann man ein anderes trockenes Gas verwenden, z. B. ein verflüssigtes Erdgas, das aus einem anderen Vorkommen stammt, oder auch flüssigen Stickstoff. Stickstoff ist chemisch inert und daher in allen Fällen verträglich.

Falls die zu behandelnden Teile der Formation an den Wänden der Poren Wasser in einer Menge enthalten, die als nicht ausreichend anzusehen ist, um nach Verfestigung die gewünschte Druckfestigkeit zu erhalten, kann der Fehlbetrag an Wasser durch Einführen einer gewissen Menge als Feuchtgas ausgeglichen werden. Das notwendige zusätzliche Wasser kann auch dadurch in die zu behandelnde Formation eingeführt werden, daß man in die Poren zunächst etwas Wasser und dann soviel Gas einpreßt, daß dieses Wasser über die Porenwände verteilt wird. Man kann auf diese Weise die Durchlässigkeit der betreffenden Formation so einstellen, daß man nach Hydrolyse der Siliciumhalogenide durch das an den Wänden der Poren haftende Wasser eine wirtschaftlich befriedigende Forderung von Kohlenwasserstoffgas erreicht.

Weist die Formarion einen außerordentlich hohen Wassergehalt auf, der bei der Verfestigung zu einer unerwünschten Beeinträchtigung der Permeabilität führen würde, so kann man den Wassergehalt verringern durch Injektion von trockenem, vorzgusweise erwärmtem Gas.

Falls die Poren der zu behandelnden Formation Gaskondensat in unerwünschter Menge enthalten, kann dieses nach Einpressen von trockenem Gas entfernt werden. Falls notwendig, kann dann die benötigte Menge an Wasser in den Poren durch Zufuhr von Wasser auf eine der oben beschriebenen Arten erreicht werden.

Das erfindungsgemäße Verfahren läßt sich auch mit Erfolg bei Formationen anwenden, bei denen die Poren mindestens teilweise mit Öl gefüllt sind. Man verdrängt in diesem Fall das Öl aus den Poren durch Einpressen eines Gases. Gegebenenfalls kann man — wenn mit starken Kapillarkräften gerechnet werden muß — vor der Gaszuführung etwas Flüssigkeit einführen, die das Öl aus den Poren zu verdrängen vermag. Als Flüssigkeit kann man einen Alkohol, wie Methanol, verwenden, jedenfalls vorzugsweise eine Flüssigkeit mit niedrigem Dampfdruck.

es B e i s ρ i e 1 1

Erdgas vom Förderort wird einer zusätzlichen Trockenstufe zugeführt und auf einen für die Wiedereinführung in die zu behandelnde Bohrung ausreichenden Druck verdichtet Das höchstens noch 0,05 Gew.-°/o Wasser

enthaltende Gas wird so lange in die zu behandelnde Bohrung eingeleitet, bis das gesamte Wasser von der Innenseite der Verrohrung entfernt ist, vorzugsweise so lange, bis der Wassergehalt des Sandes um die Bohrung auf einen Wert gesenkt ist, der dutch vorangegangene Laboratoriumsversuche ermittelt worden ist.

Es wird so viel flüssiges Siliciumtetrachlorid dem trockenen Erdgas zugesetzt, daß bei den in der Bohrung herrschenden Bedingungen ein Gasgemisch erhalten wird, das bei der durch die Kompressionswürme hensehenden Temperatur keine Stättigung an SiCU-Dampf ereicht ist. SiCU wird so lange injiziert, bis alles Wasser bis zu einer bsstimmten Tiefe der Formation reagiert und gewissermaßen einen »Zement« gebildet hat. Die benotete SiCU-Menge läßt sich leicht errechnen aus dem zu verfestigenden Fonnationsbereich, Eindringtiefe des Gasgemischs (normalerweise 0,6 bis 1 m), der Porosität und Wassersättigung der Formation und der der Verfestigungsreaktion zugrunde liegenden Stöchiometrie.

Nach beendeter SiCU-lnjektior. wird noch weiter trockenes Erdgas eingepreßt, bis der gesamte SiCU-Dampf aus den ober- und unterirdischen Einrichtungen verdrängt ist und gegebenenfalls die sauren Gase in ausreichender Tiefe in der Formation verdrängt sind, so daß angenommen werden kann, daß ausreichend basisches Gestein mit dem Hauptanteil an während der bei der Verfestigungsreaktion gebildeten Salzsäure reagieren kann. Anschließend kann noch nachbehandelt werden, z. B. mit Salzsäure zur Neutralisierung, oder um den verfestig- is ten Bereich wasserbeständiger zu ciachen.

Nun kann die Förderung wieder aufgenommen werden.

cispit ι t-

Siliciumhalogenid (Siliciumchiorid und/oder Siliciumfluorid) wird in flüssiger Phase auf das Niveau der zu behandelnden Formation gebracht und z. B. durch ein »Makkaroni«-Rohr oder eine Rohrschlange weitergeleitet. Ist das vorgesehene Niveau in der Bohrung erreicht, wird das flüssige Siliciumhalogenid z. B. durch Versprühen aus einer Düse in das Trägergas eingebracht, bevor dieses in die Poren der zu behandelnden Formation gelangt. Das Siliciumhalogenid verdampft, so daß auch in diesem Fall wieder das Gasgemisch in die Poren eindringt.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Verfahren zur Verfestigung einer eine Bohrung umgebenden unterirdischen Formation unter Aufrechterhaltung deren Durchlässigkeit mit amorpher Kieselsäure durch Hydrolyse von Siliciumhalogenid mit

5 Wasser, dadurch gekennzeichnet, daß man zur Hydrolyse mit dem Wasser, das an den Wänden der

im wesentlichen mit Gas gefüllten Porenräumen haftet, ein trockenes Trägergas für Siliciumrhlorid und/oder Siliciumfluorid verwendet.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß man als Trägergas das aus der Formation gewonnene Gas, verdampftes Flüssiggas oder Stickstoff verwendet.

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3. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß man ein Gas mit höchstens

0,05 Gew.-% Wasser verwendet.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß man vor dem Einpressen des siliciumhalogenidhaltigen Gases die Wände der Porenräume anfeuchtet.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß man Siliciumhalogenid und 15 inertes Gas getrennt in die Bohrung bis auf ein Niveau einführt im Bereiche der zu verfestigenden Formation und Siliciumhaiogeniddampf und Trägergas erst dort mischt.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß man anschließend Ammoniakgas und dann trockenes inertes Gas einführt.