DE2826342A1

DE2826342A1 - Brechen von geologischen formationen

Info

Publication number: DE2826342A1
Application number: DE19782826342
Authority: DE
Inventors: Donald Stewart Black
Original assignee: Palmer Engineering Co Ltd
Current assignee: Palmer Engineering Co Ltd
Priority date: 1977-06-20
Filing date: 1978-06-16
Publication date: 1978-12-21
Also published as: BR7803895A; NL7806609A; GB1603479A; CA1057649A; US4126181A; GB1603480A; DE2826342C2; NO782131L

Description

PATENTANWÄLTE

Dipl.-lng. A.Wasmeier

Dipi.-In

Patentanwälte Postfach 382 8400 Regensburg

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8000 München 2	Telegramm Begpatent Rgb. Telex 65709 repatd
	Tag Date
Ihr Zeichen Ihre Nachricht Your Ref. Your Letter	13ο Juni 1978 W/Ja

Anmelder:

PALMER ENGINEERING COMPANY LTD.

11632 - 149th Street, Edmonton, Alberta, Canada

Titel:
Erfinder:

Brechen von geologischen Formationen

Donald Stewart Black

615 Revillon Building, 10221-104 Street, Edmonton, Alberta, Canada

Priorität:

USA

Nro 808.276

v. 2Oo Juni 1977

8098S1/1Q23

Konten: Bayerisdie Vereinsbank (BLZ 750 20073) 5 839300 Postscheck München 89369-801

Gerichtsstand Regensburg

ORIGINAL INSPECTED

Die Erfindung bezieht sich auf die Herstellung und Verwendung eines hydraulischen Schaumes zum Brechen unterirdischer Fom ationen, und insbesondere auf ein Verfahren und eine Einrichtung zum Erhöhen des Anteiles eines Stützmittels im Schaum.

Es sind verschiedene Methoden bekannt, um die Produktion von Rofiöl und Naturgas aus Bohrlöchern anzuregen, die in Reservoirs geringer Permeabilität gebohrt werden, obgleich das hydraulische Brechen solcher Formationen mit verschiedenen Flüssigkeiten, z.B. natürlichem Rohöl, mit oder ohne Stützmittel, z.B. Sand, die darin suspendiert sind, bevorzugt wird. Der hydraulische Druck, dem derartige in geringem Maße permeable Formationen ausjgesetzt werden, ruft Zugbeanspruchungen in dem das Bohrloch umgebenden Gestein der Formation hervor, und diese Beanspruchungen ergeben ein Splittern, Trennen oder Brechen des Gesteins. Die zu Anfang ausgebildeten Bruchstellen oder Kanäle werden dann durch das Injizieren von Flüsigkeit enthaltendem Stützmittel, das in den Bruchstellen ausgebracht wird, erweitert. Wenn der Druck freigegeben wird, hält das Stützmittel, das in den Bruchstellen ausgebracht worden ist, die Bruchstellen offen, wodurch Kanäle für den Flüsigkeitsdurchfluß verbleiben. Die Konzentration des Stützmittels in der Flüssigkeit ist von Wichtijgkeit, weil es die Enddicke der Bruchstellen festlegte Dieser Stand der Technik wird beispielsweise durch folgende US-Patentschriften belegtt

3 664 422 3 842 910

3 561 533 3 245 470

3 363 691 2 859 821

3 136 361 3 138 205

Das hydraulische Brechen mit Schaum ist jedoch eine relativ neue Entwicklung. Ein Verfahren unter Verwendung einer Schaumkoraposition zum Brechen ist in US-PS 3 937 283 erläutert, ferner in einem Auf«atz von Bullen vom 22.7.1974 in "Oil-week^M und in einer Veröffentlichung von Blauer und Kohlhaas mit dem

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"1"

Titel "Formation Fracturing with Foam" SPE 5003_o Diese Veröffen|t lichungen lehren die Herstellung eines Brechschaumes durch Zumischen von Sand in fest werdendem (jelled) Wasser und Behandlung des Breies mit einem Schaumerzeuger bzw. Oberflächenbehandllungsmittel. Der Flüssigkeitsdruck wird mit einer herkömmlichen Pumpe erhöht, worauf ein Gas, z.B. Stickstoff oder Kohlenstoffdioxyd, in die Flüssigkeit injiziert wird; dabei wird an dieser Stelle ein Hochdruckschaum erzeugt. Dieser Schaum wird dann in das Bohrloch injiziert.

Die Verwendung eines Schaumes als Brechflüssigkeit hat eine Reihe von Vorteilen. Der Schaum hat einen geringen Flüssigkeits verlust und damit ist die Brechbehandlung wirksamer} da großflächige Bruchstellen mit dem gleichen Behandlungsvolumen erzeugt werden, wird die Formationsbeschädigung auf ein Minimum herabgesetzt, weil nur wenig Flüssigkeit in die Formation eindringt ο Die Reduktion der Bruchleitfähigkeit wird ebenfalls auf ein Minimum herabgesetzt. Theoretisch hat der Schaum eine hohe Sand aufnehmende und Sand suspendierende Fähigkeit, wobei eine größere Menge Sand in der Flüssigkeit suspendiert bleibt, bis die Bruchstelle auszuheilen beginnt· Weil mehr Sand in die Bruchstelle eingeführt werden kann, nähert sich theoretisch dai Verhältnis der gestützten Bruchfläche zur erzeugten Bruchfläch« dem Wert Io Zusätzlich setzt sich der Sand nicht rasch im Bohrloch während nichtgeplanter Abschaltungen während der Behandlung. Der Schaum hat eine hohe effektive Viskosität, die die Erzeugung von breiteren vertikalen Bruchstellen und horizontalen Bruchstellen mit größerer Querschnütsflache ermöglicht. Der Schaum hat einen geringen Reibungsverlust, der die hydraulische Energie reduziert, die zum Injizieren erforderlich ist, und ermöglicht die Behandlung vieler Bohrungen längs des Bohrsystems ο Da der Schaum einen geringen Flüssigkeitsgehalt besitzt, ist die für die Injektion erforderliche hydraulische Energie reduziert, was eine niedrige hydrostatische Drucksäule ergibt, die ihrerseits einen nichtabgeglichenen Zustand rasch nach Öffnung des Bohrloches ergibt, wodurch der Flüssigkeits-

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eintritt und die Formationsbeschädigung auf ein Minimum herabgesetzt werden. Aufgrund des praktisch Null betragenden Flüssig-■ keitsabflusses ist eine größere Zunahme der Länge der hydraulischen Bruchdurchdringung in die Formation möglich. Die Erfahrung hat gezeigt, daß die Kosten für die Verwendung von Schaum nicht zu tiefe Bohrlöcher geringer oder höchstens gleich groß wie bei herkömmlichen Techniken sindo

Die Verwendung von Schaum, der nach bekannten Vorschlägen herge stellt ist, hat jedoch zumindest einen wesentlichen Nachteil, nämlich, daß die maximale Stützmittelkonzentration, die erzielt werden kann, recht gering ist. Herkömmliche hydraulische Flissig keiten könnenSandkonzentrationen von ca. 1 kg Sand pro Liter Trägerflüssigkeit ergeben. Typische Zahlen für die Konzentratioι von Stützmittel während der Formation der Form nach dem vorgenannten US-Patent 3 937 283 ergeben ein schweres Gel mit einer maximalen Konzentration von 0,8 bis 1,0 kg Stützmittel pro Liter GeIo Wenn die Flüssigkeit geschäumt wird, expandiert das Gas die Flüssigkeit auf etwa das Vierfache des Gelvolumens. Das Resultat ist, daß die Sand-Schaum-Konzentration auf 0,25 kg/ltr reduziert wird. Der herkömmliche Schaumvorgang ist somit für di Industrie nicht so zweckmäßig, wie dies möglich wäre.

Die meisten, der herkömmlichen Brechmethoden verwenden Sand als Stützmittel, weil Sand beliebig zur Verfügung steht, billig ist sich leicht sortieren und klassieren läßt, chemisch stabil ist, eine geringe Interferenz mit der Bohrlochaktivität eingeht und in der Lage ist, in den Ritzen den außergewöhnlich hohen Drücken aufgrund der Überlast zu widerstehen, wenn der Flüssigkeitsdruck entfernt wird. Sand ist jedoch eine sehr stark schmirgelnde Substanz und infolgedessen müssen speziell ausgelegte Geräte verwendet werden. Es stehen grobe Pumpen und Tanks zur Verfügurg, die Breie mit Sand-Flüssigkeits-Verhältnissen von bis zu 2 Kg/]tr injizieren. Diese Konzentration von Sand reicht jedoch nicht ai s um eine Schaumbrechungsflüssigkeit zu erzielen, die die gewünschte Konzentration von Sand oder Stützmittel hat. Wegen

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der Schwierigkeit des Pumpens und sonstige Handhabung von großer Mengen und großen Durchflußgeschwindigkeiten von Sandbreien ist es nicht möglich, die anfängliche Sandkonzentration wesentlich über 2 kg/ltr. zu erhöhen. Es besteht somit ein großer Bedarf an einer Schaumbrechflüssigkeit, die eine hohe Konzentration voi Sand oder anderem Stützmittel besitzt, sowie eine Vorrichtung zum Einführen der Brechflüssigkeit bei den hohen Bohrlochsäulendrücken, die zum Brechen erforderlich sind.

Mit vorliegender Erfindung wird ein Verfahren zum Herstellen einer Brechschaumflüssigkeit mit höharen Konzentrationen des Stützmittels als bisher erzielbar waren, vorgeschlagen. Die Erfindung sieht einen Schaum mit der doppelten Stützmittelkonzentration im Vergleich zu der Konzentration, die bei herkömmlichen Vorschlägen erzielbar ist, vor<> Es ist deshalb Aufgabe vorliegender Erfindung, eine Flüssigkeitszusammensetzung des Materiales und ein Verfahren zur Verwendung dieser Kompensation zum Brechen vorzusehen, einen vorhandenen Bruch zu erweitern oder in sonstiger Weise den Durchfluß, den Abfluß und die Ausbildung von unterirdischen Formationen zu verbessern.

Um dies zu erreichen, wird mit vorliegender Erfindung ein Verfahren zur Erzeugung einer Schaumflüssigkeit mit einer hohen Stützmittelkonzentration vorgeschlagen. Die Erfindung besteht in einem Verfahren zur Herstellung eines Schaumes für die Behandlung einer unterirdischen Gesteinsformation, die von einem Bohrloch durchsetzt wird, und die Behandlung der Gesteinsformation. Nach diesem Verfahren wird ein Stützmittel mit einem schäumbaren Träger gemischt, wodurch ein Brei entsteht, und der Brei wird auf einen gewünschten Druck abhängig von der Bohrlochtiefe, der geologischen Fläche, der Art der Gesteinsformation und anderen Injektionskriterien unter Druck gesetzte Der unter Druck gesetzte Brei oder äh Teil davnn wird dann in einen Zentrifugalabscheider eingeführt, der einen Teil des Trägers aussondern kann, wodurch die Stützmittelmenge pro Breivolumen konzentriert wird. Ein Teil des Trägers wird von dem Abscheider

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pro Breivolumen entfernt, bis die gewünschte Stützmittelkonzentration in dem konzentrierten Brei erzielt wird, und der konzentrierte Brei wird aus dem Abscheider abgegebene Bei einer Verfahrensstufe vor der Ausbildung des Schaumes wird ein Oberfläch^nbehandlungsmittel dem Gemisch hinzugefügt. Beim Hinzufügen des Druckgases in den abgegebenen, konzentrierten Brei wird ein unt Druck stehender Schaum gebildet.

Ein Abscheider zum Konzentrieren des Breies gemäß der Erfindung weist ein im wesentlichen horizontal verlaufendes Gefäß mit einem Breieinlaß an einem vorderen Ende und einer konzentrierten Breiabgabe sowie einer Trägerabgabe am hinteren Ende auf. Ein Rotor, der drehbar innerhalb des Gefäßes angeordnet ist und von einem Motor angetrieben wird, legt zwischen dem Gefäß und dem Rotor einen konzentrischen Kanal fest. Der Rotor weist einen im wesentlichen zylindrischen Stabilisator am vorderen Ende auf und erteilt dem ankommenden Brei eine Drehbewegung; ferner sind eine Vielzahl von Eintrittspropellern stromabwärts in bezug auf die StabxlLsiervorrichtung, und eine Vielzahl von Abgabelauf rädern, die im Abstand stromabwärts in bezug auf die Eintrittslaufräder angeordnet sind, vorgesehen. Ein innerer Durchgang verbindet die Eintrittslaufräder mit den Abgabelauf räder η <,

Verfahren und Einrichtung nach vorliegender Erfindung haben die gewünschten Eigenschaften zur Erzeugung eines wesentlich stärke mit Stützmittel konzentrierten Breies als dies mit herkömmliche ι Mthoden erzielbar war. Mit vorliegendem Verfahren können herkömmliche Einrichtungen einschließlich eines herkömmlichen Zyklonabscheiders verwendet werden, oder aber es kann ein Abscheider in der hier beschriebenen Weise verwendet werden.

Nachstehend wird die Erfindung in Verbindung mit der Zeichnung anhand von Ausführungsbeispielen erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine schematische Darstellung des Verfahrens zum Erzeuge^

dnes Schaumes und zum Injizieren dieses Schaumes in ein Bohrloch.

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Pig_o 2 eine schematische Darstellung einer abgeänderten Aus~ führungsform eines Verfahrens zum Erzeugen eines Schaumes und zum Injizieren dieses Schaumes in das Bohrloch,

Fig. 3 eine schematische Darstellung einer dritten Ausführungsform zur Erzeugung eines Schaumes und zum Injizieren die ses Schaumes in ein Bohrloch,

Fig. 4 eine schematische Darstellung eines Abscheiders oder Konzentratörs zur Erhöhung der Konzentration eines Stütz mittels im Brei vor der Schaumbildung des Breies»

Fig_o 5 eine Vorderansicht eines Eintrittslaufrades am Rotor des Konzentratörs nach Fig. 4,

Fig_o 6 eine Schnittansicht längs der Linie 6-6 der Fig. 5,

Fig_o 7 eine Vorderansicht eines Abgabelaufrades am Rotor des Konzentratörs nach Fig_o 4, und

Fig. 8 eine Schnittansicht längs der Linie 8-8 der Fig_o 7.

In den Figuren, in denen gleiche Bezugszeichen gleiche Elemente in allen Darstellungen bezeichnen, sind Verfahren und Einrichtungen zum Brechen von Formationen mit Schaum mit höherer Stütz mittelkonzentration dargestellt. In Fig. 1 ist ein Flußdiagramm einer speziellen Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens gezeigt« Ein Behälter 10 speichert einen schäumbaren Träger, der eine Flüssigkeit, ein Gel, eine koUoidale Suspension oder dgl. sein kann. In dem speziellen Ausführungsbeispiel besteht der Träger aus Wasser, das mit einem Guargummi bei einer Konzentration von ca. 0^5 kg pro 100 Liter Wasser (2-2,5 lbs per 100 Gallons) verdickt ist. Die Lösung aus Wasser und Guargummi bildet ein Gel, dessen Viskosität von der Schergeschwindigkeit abhängte Das Gel wird als eine Nicht-Newtonsche Flüssigjkeit mit einer plastischen Viskosität im Bereich von 10-30 CentL poise klassifiziert.

Ein geeignetes Stützmittel wird einem Mischer 12 zugeführt, die von dem Behälter 10 absaugt. Das bevorzugte Stützmittel ist Sand mit lichter Maschenweite von 0,42 bis 0,25 mm (40-60 screen). Andere Stützmittel, die ebenfalls Verwendung finden

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können, können Glas, Kunststoff und Metallpartikel enthalten. Die Form der Stützmittelpartikel kann kugelförmig, ellipsenförmig oder unregelmäßig sein. Der Ausgang des Mischers ist ein Brei, der dann einer Hochdruckinjektionspumpe 14 zugeführt wird Die Konzentration des Stützmittels oder Sandes beträgt typische weise ca. 1 kg Sand pro 1 Liter Träger. Die Pumpe 14 ist eine herkömmliche Pumpe, sie hebt den Druck des Breis auf wenigstens die erforderliche Bohrloch-Druckhöhe.

Der unter Druck stehende Brei wird dann in den Eingang eines Abscheiders oder Konzentrators 16 geführt, der das Verhältnis von Stützmittel zu Brei durch Dehydrieren des Breies erhöht» Der Konzentrator 16 sondert einen Teil des Trägers ab und gibt ihn über eine Druckreduziervorrichtung 18 in einen Setzkasten 20, der auf Atmosphärendruck steht und von dem der abgesonderte Teil in einen Speicherbehälter (nicht dargestellt) gebracht werden kann. Der übrige Teil der Eingabe in den Konzentrator 16 wird als konzentrierter Brei abgegeben. Beispielsweise kann der Brei aus der Abgabe des Konzentrators 16 etwa 1,5 bis 2 kg Stützmittel oder Sand pro Liter Flüssigkeit haben.

Die Druckreduziervorrichtung 18 weist eine Drosselventilanordnung auf, die den Druck des Trägers von einem hohen Wert von 1400 bis 4200 kg/cm Überdruck (2000-6000 psig) auf nahe Atmosphärendruck reduzieren muß. Obgleich dieser hohe Druckabfall Probleme in bezug auf die Ventilbeanspruchung und die Geräuschsteuerung ergeben kann, stehen herkömmliche, kommerzielle Geräte zur Durchführung dieser Funktion zur Verfügung. Eine automatische, zweistufige Ventilanordnung ist in Pig. I gezeigt, sie weist ein erstes Reduzierventil 22 und ein zweites Reduzierventil 24 mit einem zwischengeschalteten, von Hand betätigten Drosselventil 26 auf_o Vorzugsweise haben die Reduzier- und Drosselventile keramische Drosselklappen« Der Abgabedruck des ersten Reduzierventiles 22 wird automatisch von Signalen gesteuert, die durch einen stromaufwärts gelegenen Differenic±aldruck-übertrager 28 und einen stromabwärts gelegenen Differen-

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-χ-

tialdruckübertrager 30 erzeugt werden. Sn elektrisches Abgabesignal wird durch den stromaufwärts liegenden Übertrager 28 erzeugt undüber ein Vorspannrelais auf ein Durchflußsteuergerät 32 mit drei Betriebsarten geschickt, das auch das elektrische Ausgangssignal aus dem Übertrager 30 direkt aufnehmen kann. Ein elektrisches Signal aus dem Durchflußsteuergerät 32 betätigt eine Ventilpositaoniervorrichtung 34, die ihrerseits mechanisch mit dem ersten Reduzierventil 32 gekoppelt ist= Zusätzlich erzeugt die Ventilpositijniervorrichtung 34 ein elektrisches Signa das in ein Hilfsrelais 36 geschickt wird, das seinerseits elektrisch mit dem ersten Reduzierventil 22 gekoppelt ist, damit ein rascheres Ansprechen des Ventiles erzielt wird. Das zweite Reduzierventil 24 erfordert eine wesentlich einfachere Steueranordnung. Ein Differentialdruck-übertrager 38 erzeugt ein elektrisches Signal, das mit einem Drucksteuergerät 40 für Dreifachbetrieb gekoppelt ist. Das Drucksteuergerät 40 erzeugt ein Ventilsteuersignal, das einer Ventilpositioniervorrichtung 42 zugeführt wird, welches seinerseits sowohl elektrisch als auch mechanisch mit dem zweiten Reduzierventil 24 zu dessen Positionierung gekoppelt ist. Verschiedene Druckanzeigevorrichtungen 44 und ein Durchflußaufzeichnungsgerät 46 werden zur Überwachung des Betriebes der Druckreduziervorrichtung 18 verwendete

Um die Oberflächenspannung des konzentrierten Breies, der aus dem Konzentrator 16 abgegeben wird, zu verringern, wird ein herkömmlicher Schaumerzeuger an einer Mischanschlußstelle 48 mit Hilfe einer herkömmlichen Hochdruckinjektionspumpe 50 injiziert. Der jeweilige Schaumerzeuger oder das oberflächenaktive Schäummittel, das verwendet wird, hängt natürlich von dem Träger und von der Art und Eigenschaft der Formation ab_o Beispiel« für herkömmliche Schaumerzeuger sind in der oben erwähnten US-PS 3 937 283 angegeben« An einer Stelle stromabwärts in bezug auf die Schaumerzeuger-Mischanschlußstelle 48 ist eine zweite Mischanschlußstelle 52 zum Einführen des den Schaum erzeugenden Gases vorgesehen. Die im Falle vorliegender Erfin-

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dung verwendbaren Gase umfassen Stickstoff, Kohlendioxyd, Luft, Kohlenwasserstoffgase und die inerten Gase, wie Argon, Helium, Krypton und Xenon. Die große Menge an Gas bei hohem Druck muß zur Erzeugung des Schaumes verwendet werden, der an der Stelle erzeugt wird, an der Gas hinzugefügt wird» Der Schaum wird dann in ein Bohrloch 54 eingeführte Die Schauminjektionsgeschwindigkeiten betragen etwa das 4-5-fache des Volumens der Flüssigkeit die in die Pumpe 14 eingeführt wird.

Bei einer abgeänderten Ausführungsform der Erfindung nach Fig. wird die Hochdruckbreiabgabe aus der Pumpe 14 in zwei Teile g teilt, und ein erster Teil wird einem herkömmlichen Zyklonabscheider 56 zugeführt. Ein Teil des Trägers wird von dem Brei im Zyklonabscheider 56 getrennt und über ein Drosselventil 58 zurück in den Behälter 10 geführt. Das Schäumgas, z.B. Stickstoff, kann in den Abscheider 56 eingeführt werden» Der zweite Teil des Breies wird um den Abscheider 56 herumgeführt und in eine Mischansfeäftstelle 60 gegeben, an der ein Schaumerzeuger hinzugefügt wird» Das Gemisch aus Schaumerzeuger und Brei wird dann an einer Mischanschlußstelle 62 kombiniert, wobei das konzentrierte Brei-Stickstoff-Gemisch von dem Abscheider 56 abgegeben wird. An der Mischanschlußstelle 62 wird zusätz-

hin

licher Stickstoff/zugefügt, damit der Schaum gewünschter Qualität erhalten wird, der dann in das Bohrloch eingeführt wird* Die Stützmittelkonzentation in dem konzentrierten Brei wird durch Steuerung der Trägerrückführgescdiwindigkeit unter Verwendung des Drosselventils 58 geregelt»

Eine dritte Ausführungsform der Erfindung ist in Fig. 3 dargestellt, in der ein Hydraulikmotor 64 verwendet wird, um den rückgeführten Träger vom Druck zu entlasten. Ein von Hand betätigtes Steuerventil 66 kann verwendet werden, um die Konzentration des Stützmittel im Brei zu steuern, der von dem Abscheider 56 abgegeben wird. Eine Möglichkeit zur Reduzierung des Energiebedarfes besteht darin, daß ein Hydraulikmotor 64 eine zweite Injektionspumpe 68 steuert, die parallel zu der

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Cn -

Hauptinjektionspumpe 14 liegt. Die in Fig. 3 dargestellte Anordnung ist sonst ähnlich der Anordnung nach Fig. 2.

Nach den Fig· 1, 2 und 3 w.rd der Schaum-erzeuger in den Hochdruckteil der Anordnung eingeführtο Wenn die Injektionspumpe und der Konzentrator jedoch ausreichend gasfrei sind, kann der Schaumerzeuger auch in die Niederdruckseite der Anordnung eingeführt werden. Der einzige Vorteil des Hinzufügens des Schaumerzeugers auf der Hochdruckseite der Anordnung stromabwärts in bezug auf den Konzentrator oder Abscheider besteht darin, daß eine Schaumbildung in der Injektionspumpe oder im Konzentrator oder Abscheider verhindert wird. Natürlich muß eine Hochdruckinjektionspumpe verwendet werden, um den Schaumerzeuger auf der Hochdruckseite zu injizieren, was die Kosten der Anordnung er-K5ht.

Nach den Fig. 4-8 ist ein bevorzugter Konzentrator nach vorliegender Erfindung mit 16 bezeichnet. Der Konzentrator 16 nimmt einen Hochdruckbrei an einem am vorderen Ende angeordneten Einlaß 70 aus einem Breispeicherbehälter 10 über eine Hochdruckinjektionspumpe 14 auf. Falls erwünscht, kann eine Mischleitung 72 über ein Ventil 74 mit der Abgabe der Pumpe 14 verbunden sein und eine kleine Breimenge zurück in den Behälter speisen, damit gewährleistet ist, daß das Stützmittel nicht aus dem Träger ausgeschieden wird. Konzentrierter Brei wird von dem Konzentrator I6an einen Breiauslaß 76 abgebeben. Ein im wesentlichen von Itützmittel|freier Träger wird aus dem Konzentrator 16 an einen Trägerauslaß 78 abgegeben.

Der Konzentrator 16 besteht aus einem im wesentlichen horizont?1 verlaufenden, zylindrischen Gefäß bzw. Kessel 80 mit vorderen und hinteren hydraulischen Abdichtkammern 82 und 84. Ein Rotor 86 ist drehbar innerhalb des Gefäßes 80 auf einer Welle 88 befestigt, die innerhalb der Abdichtkammern 82 und 84 gelagert ist. Ein ein hohes Drehmoment erzeugender Motor 90 ist mit der Welle 88 zum Antrieb des Rotors 86 mit Betriebsdrehzahlen von

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1600 bis 2000 U/min_o verbunden_o Der Rotor 86 seinerseits weist eine zylindrische Stabilisiervorrichtung am vorderen Ende, eine Vielzahl von Eintrittsiaufrädern 94 stromabwärts in bezug auf die Stabilisiervorrichtung 92, eine Vielzahl von Abgabelaufrädern 96, die stromabwärts gegen die Eintrittslaufräder 94 ver setzt sind, und einen Innenkanal 98 in Flüssigkeitsverbindung von den Eintrittslaufrädern 94 zu den Abgabelaufrädern 96 auf. Der Rotor 86 und die kreisförmigen Wände des Gefäßes 18 legen einen ringförmigen konzentrischen Kanal 100 fest, durch den der konzentrierte Brei angesammelt wird und in welchen der Breiauslaß 76 tangential anschließt.

Die Stabilisiervorrichtung 92 hat zwei grundsätzliche Funktione nämlich dem hereinkommenden Brei über Reibungskontakt ein Drehbewegung zu erteilen, und Torsionsschwingungen des Rotors und der Welle durch das von dem Rotor ausgeübte Reibmoment zu dämpfeno Die Stabilisiervorrichtung 92besitzt vorzugsweise eine Gummiabdeckung, die abriebfest ist, und eine Vielzahl von in Längsrichtung oder axial verlaufenden Nuten, um den Oberflächen bereich zu vergrößern und die Zugwirkung zu verbessern. Die durch die Stabilisiervorrichtung 92 induzierte Drehung erzeugt eine ausreichend große Zentrifugalkraft auf das Stützmittel im Brei, daß der Stützmitteltrennvorgang beginnt, bevor der Brei die Eintrittslaufräder 94 erreicht. Dies ergibt eine Grenzschicht des Trägers, die weitgehend frei von Stützmittel ist, und trägt dazu bei, die Eintrittslaufräder gegen Kontakt mit einer zu hohen Menge an schleifenden Stützmittel zu schützen«.

Die Eintrittslaufräder 94 bestehen aus einer Vielzahl von (z.B. 15) individuellen Laufrädern 102, die beispielsweise so ausgebildet sind, wie in den Fig. 5 und 6 dargestellt. Jedes Laufrad 102 besitzt eine Vielzahl von axial verlaufenden Öffnungen 104, die um den äußeren Teil des Umfanges versetzt sind«. Die Öffnungen 104 nehmen stabilisierende Stäbe (nicht dargestellt) auf, die sich durch alle individuellen Laufräder erstrecken unc damit gewährleisten, daß alle Laufräder 102 miteinander gedreht

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werden. Eine große, zentrische Öffnung 106 im Laufrad 102 gestattet die Befestigung des Laufrades auf der Welle 88. Eine Vielzahl von inneren Öffnungen 108, die kreissegmentfÖrmig ausgebildet sind und kreisförmig um die zentrische Öffnung 106 ver setzt sind, erstrecken sich vollständig durch das Laufrad 102 und ergeben einen axialen Flüssigkeitsverlauf oder Flüssigkeits kanal für den getrennten Träger« Die Größe der inneren Öffnungen 108 muß so gewählt sein, daß das gewünschte Volumen an ausfließendem Trägerstrom bei vernünftigen Flüssigkeitsgeschwin digkeiten gehandhabt werden kann. Eine Vielzahl von im Abstand versetzten Schaufeln 110, die vorzugsweise in ihrer Anzahl gleich der Anzahl der inneren Öffnungen 108 ist, verlaufen spiralförmig von dem ätfferen Umfang der inneren Öffnungen 108 in einer Richtung entgegengesetzt der Drehrichtung nach Pfeil 112 zum äußeren Umfang des Laufrades 102_o Schaufeln 110 legen eine Vielzahl von nach außen spiralförmig verlaufenden Eintrittjs kanälen 114 geringer Tiefe (z.B. 0,6 cm) fest, damit ein Teil des Eintrittsbreis aufgenommen werden kann_o Die Eintrittskanäle 114 verlaufen spiralförmig in einer Richtung entgegengesetzt der Drehrichtung des Laufrades 102, so daß der Zuführung von Stützmittel entgegengewirkt wird. Andererseits können die Zuführkanäle so klein ausgelegt werden, daß sie mit feinem oder grobem Stützmittel verstopft werden, während sie andererseits einen so kleinen Querschnitt besitzen müssen, daß sie den Brei effektiv führen. Die gesamte Querschnittsfläche aller Zuführkanäle 114 in allen Laufrädern muß also entsprechend in der Größe für den bemessenen Durchfluß ausgelegt sein. Der Durchfluß durch die Einlaßkanäle 114 ist gestrichelt dargestellt unc damit auch der Durchfluß durch den Konzentrator 116«, Schließlich gehen eine Vielzahl von Speichen 118 in radialer Richtung von der zentrischen Öffnung 106 nach außen zu Schaufeln 110 und wirken nicht nur als Stützbauteile für das Laufrad 102, sondern auch, um eine erhöhte Flüssigkeitsziehwirkung zu erhalten, und das der Flüssigkeit aufgegebene Drehmoment trägt zu der Drehfestigkeit des Flüssigkeitswirbelsystems bei.

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Die Abgabelaufräder 96 weisen eine Vielzahl von individuellen Lauf rädern 120 auf, wie in den Fig. 7 und 8 gezeic£. Das Laufrad 120 besteht aus den gleichen Elementen wie das Eintrittslaufrad 102, obgleich Unterschiede in der Zahl und der Form bestehen, und die Bezugszeichen sind die gleichen wie im Falle de Eintrittslaufrades 120, jedoch mit einem " * " versehen. Das Abgabelaufrad 120 dreht sich in Pfeilrichtung 122 und hat einen Flüssigkeitsstrom nach außen, wie durch Pfeil 124 angedeutet. Das Abgabelaufrad 120 unterscheidet sich von dem Eintrittslaufrad 102 auch insoferne, als es einen größeren Durchmesser besit st, so daß die erforderliche Abgabesäule erzielt wird. Beispiele für die Durchmesser von Eintritts- und Abgabelaufrädern 102 sind 11,25 cm und 12,5 cmj jedes der Laufräder besitzt eine Dicke von 1,25 cm und Flüssigkeitsdurchgänge oder Kanäle von 0,6 cm Tiefeo Die Laufräderflächen können aus Epoxydharz bestehen und die einander zugewandten Flächen benachbarter Laufräder auf das richtige Maß geschliffen werden» Beispielsweise beträgt die Anzahl von Abgabelaufrädern 120 14 oder 15.

Es kann auch erwünscht sein, am »tromaufwärts gelegenen Ende des Eintrittslaufrades 94 einen kleinen Propeller anzuordnen, um einen axialen Druck zu erzielen«, Zusätzlich kann eine ringförmige Begrenzungsvorrichtung 126 aus Gummi unmittelbar stromabwärts in bezug auf den Breiauslaß 76 angeordnet sein, derart, daß eine Mündung gebildet wird und der axiale Fluß auf einen kleinen Ringraum um den Rotor 86 begrenzt wird. Durch Begrenzung der axialen Flußfläche über den Breiauslaß 76 hinaus soll der Flüssigkeitsstrom aus den Abgabelaufrädern 96 genügend groß sein, um das axiale Moment des Stützmittels zu unterdrücken und damit die Stützmittelmenge, die mit dem Träger abgegeben wird, zu begrenzen. Eine Vielzahl von Ablenkrippen 128, die zwischen den Eintrittslaufrädern 94 und den Abgabelaufrädern 9i angeordnet sind, ist perforiert und erteilt dem konzentrierten Brei an der Abgabe eine zusätzliche Drehbewegung} ferner wird dadurch das axiale Moment des Stützmittels unterdrückte Eine axiale Schaufel 130, die schwenkbar mit der Welle befestigt ist

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die sich durch die Wand des Gefäßes 8 erstreckt, ist in dem Ringraum unmittelbar stromabwärts in bezug auf die Breiabgabe oder den Auslaß 76 angeordnet und dient zur Steuerung des Volumens des Trägers, der an der Begrenzungsvorrichtung 126 von den Abgabelaufrädern 96 vorbeiströmt.

Der Konzentrator 16 beitzt auch eine ventilgesteuerte Rückführleitung 132, die tangential in das Gefäß 80 gegenüber den Abgabelaufrädern 96 am einen Ende und stromaufwärts in bezug auf di« Stabilisiervorrichtung 92 am anderen Ende eintritt. Die Rückführleitung 132 stellt eine Vorrichtung dar, um den axialen Kanal 100 mit einem vergrößerten Durchflußvolumen zu spülen, um ein Verstopfen durch Feststoffe zu verhindern.

Der Konzentrator 16 kann mit einstellbaren Füßen am motorseitig4n Ende versehen sein, so daß er am vorderen Ende geneigt werden kanne Beispielsweise Daten für den Konzenttator sind: Arbeitsdruck 3500 kg/cm² (5000 psig), maximale Breieingangsgeschwindig keit von 800 ltr/min mit einer Eingangskonzentration von 1 kg/lij.tr· Eine Abgabekonzentration des Stützmittels in dem konzentrierten Brei wird größer als 1,5 kg/ltr sein.

Im Betrieb wird dem Konzentrator 16 Brei in den Einlaß 70 zugeführt, der vorzugsweise tangential angeschlossen ist. Der Druck innerhalb des Konzentrators 16 wird durch Steuerung der Eingang; \- uad Ausgangsflüssigkeiten aufrechterhaltene Ein Teil des Eingang sbreis wird so induziert, daß er in radialer Richtung nach innen fließt und in das Eintrittslaufrad 94 über Aufnahmekanäle 114 eintritto Die Flüssigkeit innerhalb des Rotors wird so induziert, daß sie in axialer Richtung längs und durch innere Mündungen 108 gegen die Abgabelaufräder 96 strömt. Die Flüssigkeit strömt aus den Abgabelaufrädern 96 durch Abgabekanäle 114« in einen hinteren Teil des Ringkanales 100„ Wenn die Flüssigkeit durch die inneren Mündungen bzw. Öffnungen 108 fließt, wird ein Stützmittel, das sich noch darin befindet, in radialer Richtung nach außen zurück in den axialen Kanal oder Bing 100 ge-

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führt. Brei mit einer Konzentration, erhöht um das Abziehen des Trägers, fließt in axialer Richtung längs des axialen Kanales 100 zum Breiauslaß 76. Ablenkrippen 128 erhöhen die Winkelgeschwindigkeit des konzentrierten Breis in Ar Nähe des Breiauslasses 76, und Partikel des Stützmittels, die auf die Ablenkrippen treffen, verlieren ihr axiales Moment. Die flexible Begrenzungsvorrichtung 26dient ferner als Führung, um das Stütz mittel gegen den Breiauslaß 76 abzulenken. Ein Teil des Flusses aus den Abgabel auf räder η 96 wird als Träger-abäuß entfernt, und der restliche Fluß aus den Abgabelaufräderη 96 strömt zum Breiauslaß 76 zurück, wo er mit dem konzentrierten Brei abgegeben wirdo

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Claims

Patentansprüche

1. Verfahren zur Behandlung einer unterirdischen Erdformation, die von einem Bohrloch durchsetzt wird, mit einem Schaum, dadurch gekennzeichnet,

daß ein Stützmittel mit einem schäumbaren Träger gemischt und ein Brei hergestellt wird,

daß der Brei unter einen vorbestimmten Druck gesetzt wird, daß der unter Druck gesetzte Brei in einen Zentrifugalabscheider eingeführt wird, der einen Teil des Trägers aussondern kann, wodurch die Stützmittelmenge pro Breivolumen konzentriert wird,

daß ein Teil des Trägers von dem Abscheider pro Breivolumen entfernt wird, bis die gewünschte Stützmittelkonzentration in dem konzentrierten Brei erzielt wird, daß der konzentrierte Brei aus dem Abscheider abgegeben wird daß ein Schaumerzeuger dem Brei oder dem Träger in einer Ver fahrensstufe vor der Herstellung des Schaumes hinzugefügt wird,

daß Druckgas dem abgegebenem Schaumerzeuger hinzugefügt wird das Brei enthält, wodurch ein unter Druck stehender Schaum entsteht, und

daß der unter Druck stehende Schaum in das Bohrloch injiziert wird.

2ο Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Schaumerzeuger dem unter Druck stehenden Brei hinzugefügt wird.

3ο Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Schaumerzeuger dem nicht unter Druck stehenden Brei hinzugefügt wird.

4ο Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Träger Wasser plus Guargummi aufweist.

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5ο Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Stützmittel Sand ist=.

6. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein Teil des unter Druck stehenden Breies abgezogen wird, bevor der Brei konzentriert wird, daß der abgezogene Brei mitdem Schaumerzeuger gemischt wird, und daß das Gemisch mit dem konzentrierten Brei kombiniert wird.

7ο Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß Schaumgas dem konzentrierten Brei hinzugefügt wird, bevor er mit dem abgezogenen Brei kombiniert wird.

8ο Verfahren zur Herstellung eines Schaumes für die Behandlung einer unterirdischen Erdformation, die von einem Bohrloch durchsetzt wird, dadurch gekennzeichnet, daß ein Stützmittel mit einem schäumbaren, eine Flüssigkeit aufweisenden Träger vermischt und dadurch ein Brei gebildet

wird,

daß der Brei unter einen so hohen Druck gesetzt wird, daß er zum Einführen in das Bohrloch ausreicht, daß der unter Druck stehende Brei in einen mechanischen Zentrifugalabscheider eingeführt wird, der die Stützmittelmenge im Träger durch Entfernen eines Teiles der Flüssigkeit konzentrieren kann, daß der konzentrierte Brei aus dem Abscheider abgegeben und ein Teil der im wesentlichen stützmittelfreien Flüssigkeit aus dem Abscheider entfernt wird, damit die gewünschte Stützmittelkonzentration im Brei erzielt wird,

daß ein Schaumerzeuger dem Gemisch in einer Verfahrensstufe vor Ausbildung des Schaumes hinzugefügt wird, und daß ein Druckgas dem konzentrierten Brei hinzugefügt wird, um den unter Druck stehenden Schaum auszubilden.

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Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Brei in einem im wesentlichen horizontal verlaufenden Abscheider konzentriert wird, der einen Innenrotor besitzt, welcher Eintrittslaufräder, Abgabelaufräder und einen die Eintritts- und die Abgabelaufräder miteinander verbindenden inneren Durchlaß aufweist, und welcher einen konzentrischen Kanal zwischen den äußeren Abscheiderwänden und dem Rotor darstellt, wobei die Konzentration dadurch erzielt wird, daß dem Brei eine Drehbewegung erteilt wird, wenn der Brei in de Abscheider eingeführt wird,

daß ein Teil des sich drehenden Breies radial nach innen in den inneren Durchlaß mit den Eintrittslaufrädern, und der übrige Teil des Breies in axialer Richtung durch den konzentrischen Kanal an eine Abgabestelle übertragen wird, daß im wesentlichen das gesamte Stützmittel aus dem Teil des Breies in den Kanal entfernt wird, wodurch der axial übertragene Brei konzentriert und ein im wesentlichen stützmittep.-freier Träger erzeugt wird,

daß der konzentrierte Brei ausdem Abscheider mit einer Geschwindigkeit abgegeben wird, bei der der Druck innerhalb des Abscheiders gesteuert wird, und

daß der Träger aus dem Abscheider mit einer Geschwindigkeit abgegeben wird, bei der die Stützmittelkonzentration des konzentrierten Breies gesteuert wirdo

10. Abscheider zum Konzentrieren eines Breies aus einem Stützmittel und einem Träger, gekennzeichnet durch ein im wesentlichen horizontal verlaufendes Gefäß (88) mit einem Breieinlaß am vorderen Ende und einem Auslaß für den konzentrierten Brei sowie einer Trägerabgabe am hinteren Enc einen Rotor (86), der drehbar innerhalb des Gefäßes (80) angeordnet ist und einen konzentrischen Kanal (100) zwischer dem Gefäß (80) und dem Rotor (86) ausbildet, wobei der Rotor eine im wesentlichen zylindrische Stabilisiervorrichtunc (92) am vorderen Ende besitzt, um dem ankommenden Brei eine Drehbewegung zu erteilen, eine Vielzahl von Eintrittslauf-

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rädern (94) stromabwärts in bezug auf die Stabilisiervorrichtung (92), eine Vielzahl von Abgabelaufrädern (120), die stromabwärts in bezug auf die Eintrittsiaufräder (94) versetzt sind, und einen inneren Durchlaß (98) durch die Eint rittsiaufräder (94) die Eintrittsiaufräder (120) und den dazwischen angeordneten Teil des Rotors (86), und ahen. Motor (90) zum Antrieb des Rotors (86).

11. Einrichtung zum Behandeln einer unterirdischen, von einem Bohrloch durchsetzten Erdformation, mit Schaum, gekennzeichnet durch

eine Vorrichtung (12) zum Mischen eines Stützmittels mit einem schäumbaren Träger, so daß ein Brei entsteht, eine Vorrichtung (14), die mit der Mischvorrichtung (12) verbunden ist, um den Brei unter einen gewünschten Druck zu setzen,

einen Zentrifugalabscheider (16), der mit der Abgabe der Druckvorrichtung (14) verbunden ist, wobei der Abscheider (16) in der Lage ist, einen Teil des Trägers abzutrennen und dami die Menge an Stützmittel pro Breivolumen zu konzentrieren, eine Menge an Träger pro Breivolumen abzugeben, bis die gewünschte Stützmittelkonzentration im konzentrierten Brei erzielt worden ist, und den konzentrierten Brei abzugeben, eine Vorrichtung (50) zum Hinzufügen eines Schaumerzeugers zum Gemisch in einer Verfahrensstufe vor der Ausbildung des Schaumes,

eine Vorrichtung (52) zum Hinzufügen eines Druckgases zu den abgegebenen, konzentrierten Brei, wodurch ein unter Druck stehender Schaum gebildet wird, und

eine Vorrichtung zum Injizieren des druckaufgeladenen Schaumes in das Bohrloch (54).

12o Einrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die den Schaumerzeuger hinzufügende Vorrichtung (50) mit der Abgabe der Druckvorrichtung (14) verbunden ist·

13ο Einrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die den Schaumerzeuger hkizufügende Vorrichtung (50) stromaufwärts in bezug auf die Druckvorrichtung (14) angeordnet isto

14o Einrichtung nach Anspruch 11, dadurch agekennzeichnet, daß de Träger Wasser plus Guargummi aufweist,,

15ο Einrichtung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß da Stützmittel Sand ist.

16o Einrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß ei ie Vorrichtung zum Abziehen eines Teils des unter Druck stehenden Breies vor einem Konzentrieren des Breies vorgesehen ist daß eine Vorrichtung (60) den abgezogenen Brei mit Schaumerzeuger mischt, und daß eine Vorrichtung (62) die Mischung mit dem konzentrierten Brei kombiniert.

17. Einrichtung nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß die das Gas hinzufügende Vorrichtung (52) zwischen den Abscheider (16) und die Kombiniervorrichtung (62) geschaltet ist, derart, daß dasSchaumgas dem konzentrierten Brei hinzugefügt wird, bevor er mit dem abgezogenen Brei kombiniert wird.

18. Einrichtung zum Erzeugen eines Schaumes für die Behandlung einer unterirdischen Erdformation, die von einem Bohrloch durchsetzt ist, gekennzeichnet durch •ine Vorrichtung (12) zum Mischen eines Stützmittels mit einem schäumbaren Träger, der eine Flüssigkeit aufweist, wodurch ein Brei ausgebildet wird,

eine Vorrichtung (14), die mit der Mischvorrichtung (12) verbunden ist, um den Brei unter einen Druck zu setzen, der groß genug ist, damit der Brei in das Bohrloch eingeführt werden kann,

einen mechanischen Zentrifugalabscheider (16), der die Stüt: mittelmenge im Träger dadurch konzentrieren kann, daß ein Teil der Flüssigkeit entfernt wird, wobei der Einlaß in den

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Abscheider mit der Abgabe der Druckvorrichtung verbunden ist und wobei der Abscheider einen Teil der im wesentlichen stützmittelfreien Flüssigkeit entfernt, damit die gewünschte Stützmittelkonzentration im Brei und die Abgabe des konzentrierten Breies erzielt wird,

eine Vorrichtung (50) zum Hinzufügen eines Schaumerzeugers zum Gemisch in einer Stufe vor der Ausbildung des Schaumes, und eine Vorrichtung (52) zum Hinzufügen eines druckaufgeladenen Gases zu dem konzentrierten Brei zur Ausbildung des unter Druck stehenden Schaumes·

19. Einrichtung nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, daß de Abscheider (16) ein im wesentlichen horizontal angeordnetes Gefäß (80), einen Innenrotor (86), der Eintrittsiaufräder (94), Abgabelaufräder (96) und einen Eintritts- und Abgabelaufräder verbindenden inneren Durchlaß (98) aufweist, und der einen konzentrischen Kanal zwischen den äußeren Abscheiderwänden und dem Rotor festlegt, wobei die Konzentration dadurch erzielt wird, daß dem Brei eine Drehbewegung erteilt wird, wenn der Brei in den Abscheider eingeführt wird, daß ein Teil des sich drehenden Breies in radialer Richtung nach innen in den inneren Durchlaß (98) mit den Eintrittslaufrädern (94) übertragen wird,

daß der übrige Teil des Breies in axialer Richtung durch den konzentrischen Kanal an eine Abgabestelle übertragen wird, daß im wesaitlichen das gesamte Stützmittel aus dem Teil des BasLes in den Kanal entfernt wird, wodurch der axial übertragene Brei konzentriert und ein im wesentlichen stützmittelfreier Träger erzeugt wird,

daß der konzentrierte Brei von dem Abscheider (16) mit eher Geschwindigkeit abgegeben wird, die ausreicht, um den Druck innerhalb des Abscheiders zu steuern, und daß der Träger aus dem Abscheidermit einer Geschwindigkeit abgegeben wird, die so groß ist, daß die Stützmittelkonzentration des konzentrierten Breies gesteuert wird»

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