DE2838479A1

DE2838479A1 - Verfahren zur behandlung einer unterirdischen formation, die eine mit perforationen versehene bohrlochauskleidung umgibt

Info

Publication number: DE2838479A1
Application number: DE19782838479
Authority: DE
Inventors: Jun Claude Everett Cooke; Steven Ray Erbstoesser; Thomas Wayne Muecke
Original assignee: Exxon Production Research Co
Current assignee: ExxonMobil Upstream Research Co
Priority date: 1977-09-06
Filing date: 1978-09-04
Publication date: 1979-03-15
Also published as: AU3886278A; NL7808508A; MY8500110A; NO151169B; AU511891B2; MX152726A; GB2003958B; DE2838479C2; GB2003958A; NO783024L; NO151169C; CA1076023A

Description

BES CH REIBUNG

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Behandlung einer unterirdischen Fortnation, die eine mit Perforationen versehene Bohrlochauskleidung umgibt. Dabei wird die Formation schrittweise behandelt, indem man zeitweilig die Perforationen innerhalb der Bohrlochauskleidung während der Behandlung verschließt.

Bei der Einbringung einer Öl— oder Gasbohrung ist es üblich, einen Rohrstrang, der als Bohrlochauskleidung bekannt ist, in die Bohrung einzusetzen und um die Außenseite der Bohrlochauskleidung eine Betonschicht aufzubringen, um die verschiedenen Formationen, die durch die Bohrung durchdrungen werden, zu isolieren. Um eine Verbindung zwischen den kohlenwasserstofführenden Formationen und den inneren der Bohrlochauskleidung zu schaffen, wird die Bohrlochauskleidung und die Betonumhüllung mit Perforationen versehen.

Zu verschiedenen Zeiten während der Lebensdauer der Bohrung kann es angezeigt sein, die Fördermenge der Kohlenwasserstoffe durch eine Flüssigkeitsbehandlung zu steigern. Bei der Formationsbehandlungen werden besonders geartete Flüssigkeiten in die Formation injiziert mit einem Druck, der unterhalb des Aufbrechdruckes für die Formation liegt» Mit anderen Worten wird die Flüssigkeit in die Formation mit einem Durchsatz eingepreßt;, daß die Poren der Formation den Flüssig= ksiüssferora aufnehmen, ohne daß die Formation aufreißt» Sin iibliehes Eaispiel einer Flüssigkeitsbehandlung ist eine Sau= irsbshandl'jng, wobei eine Säure enthaltende Flüssigkeit In die Forniation injisier'c ^T.-Jird₉ so daß die Säure in aen Bareich ä32· ForuzS-tion urr. ii: Bohrung eintritt« um die Permeabilität z.':. steigern ^ Zr. sllgarnslnen ist die Säurebehandlung be= schirSnkfc CiUf wenige Z-Ie ter -am das 3ohrloche Der Zweck der Säurebehandlung liegt darin, Ton und Feinstoffe aus der Γ ΓΓϊτ-ϊ/ϋοη, die c.ie Durchlässe und Kanäle der Formation ver= Π- :,cry^s-.n cssr vs^-5-insn. aufzulösen<> Die Fcrtutibhdl

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kann auch andere Arten von Behandlungsflüssigkeiten enthalten wie Lösungsmitteltenside.

Gegenstand der Formationsbehandlung ist es, die Behandlungsflüssigkeit in Bereiche der Formation zu injizieren, in welchen eine Behandlung erforderlich ist. Wenn jedoch die Länge des perforierten Abzugsbereiches oder die Anzahl der perforierten Abzugsbereiche ansteigt, wird das Einbringen der Behandlungsflüssigkeit in den Bereichen, in welchen es erforderlich wird, schwierig aufgrund der Unterschiede hinsichtlich der Formationscharakteristika. So wird beispielsweise die Formation mit der größten Permeabilität höchstwahrscheinlich den Hauptanteil einer vorgegebenen Behandlungsflüssigkeit aufnehmen, während der am wenigsten durchlässige Formationsbereich praktisch unbehandelt bleibt. Es sind dementsprechend Verfahren entwickelt worden, um die Behandlungsflüssigkeit von dem Weg des geringsten Widerstandes abzuleiten, so daß die Bereiche mit einer niedrigen Permeabilität ebenfalls behandelt werden.

Ein Verfahren, um die Ableitung zu erzielen, umfaßt den Einsatz von Feststoffen wie beispielsweise Steinsalz und Flocken der Benzoesäure. Die typischen, hierbei verwendeten Feststoffe besitzen eine begrenzte Löslichkeit in der Behandlungsflüssigkeit, während sie jedoch in den geförderten Flüssigkeiten löslich sind. Die Feststoffe werden der Behandlungsflüssigkeit wärend des Behandlungsvorganges beigegeben und verstopfen die Formation, während sie mit der Flüssigkeit durch die Perforationen in die Poren der Formation eingetragen werden. Wenn bestimmte Bereiche der Formation verstopft sind, wird die Behandlungsflüssigkeit abgelenkt und der Strom wird in nicht verstopfte Bereiche der Formation abgeleitet. Die Formation wird nach der Behandlung von den Verstopfungen befreit, indem die Feststoffe aufgelöst werden und indem die Bohrung entweder gespült, oder die Förderung eingeleitet wird. Das Auflösen der Feststoffe kann zuweilen eine schwierige Aufgabe sein. Der Hauptnach-

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teil bei der Verwendung von Feststoffen liegt darin, daß die geeignete Flüssigkeit, die die Feststoffe auflöst, nicht mit diesen in Kontakt gebracht werden kann, so daß die Feststoffe in den Strömungswegen für die zu fördernden Medien bleiben und diese blockieren, womit der Förderfähigkeit der Bohrung ein bleibender Schaden zugefügt werden und der Zweck der Behandlung zunichte gemacht werden kann.

Kugeldichtungen stellen ein Ableitverfahren her, bei welchem dieses Problem umgangen wird. Bei den Kugeldichtungen handelt es sich um kleine gummiüberzogene Kugeln, die ihrer Größe nach die Perforationen innerhalb der Bohrlochauskleidung abdichten können. Wenn Kugeldichtungen eingesetzt werden, werden sie zusammen mit der Behandlungsflüssigkeit in die Bohrung eingepumpt. Die Kugeln werden durch die Bohrung herab bis zu den Perforationen durch den Richtungsstrom der Flüssigkeit geführt, die durch die Perforationen in die Formation einfließt. Die Kugeln setzen sich auf die Perforationen auf und werden dort durch die Druckdifferenz über die Perforationen gehalten. Der Hauptvorteil bei der Verwendung von Kugeidichtungeη als Ableitungsmittel ist deren einfache Verwendung, deren positive Abdichtung, die Unabhängigkeit von dem Zustand der Formationen und deren inerter Aufbau. Die Kugeldichtungen werden einfach an der Oberfläche injiziert und durch die Behandlungsflassigkeit zu den abzudichtenden Perforationen hingeführt. Außer einem Kugelinjektor ist keine spezielle oder zusätzliche Behandlungsausrüstuntj erforderlich. Die Kugeldichtungen besitzen einen äußeren Überzug, der die öüsen-oder kugelförmige Perforation abzudichten vermag, sowie einen festen starren Kern, der ein Durchquetschen durch die Perforation verhindert. Dementsprechend drängen Kugeldichtungen nicht in die Formation ein und können dementsprechend auch die Stromungscharakteristika des Bohrloches nicht dauerhaft schädigen.

Obwohl Kugeldichtungen häufig und erfolgreich als Ableitungsmittel bei Brechverfahren eingesetzt worden sind, hat man sie selten als Ableitungsmittel bei Flüssigkeitsbehandlungs-

verfahren verwendet, da sie bei diesen Verfahren sich im allgemeinen als wirkungslos erwiesen haben. Ihre Wirkungslosigkeit beruht auf dem relativ geringen Durchsatz der Behandlungsflüssigkeit durch die Perforationen während der Flüssigkeitsbehandlung. Der Aufsetzwirkungsgrad der meisten im Handel verfügbaren Kugeldichtungen, die gegenwärtig eingesetzt werden, ist eine Funktion des Strömungsdurchsatzes durch die Perforationen. Es hat sich gezeigt, daß, je größer der Durchsatz der Behandlungsflüssigkeit durch die Perforationen ist, umso größer der Aufsetzwirkungsgrad der Kugeldichtungen ist. Wenn der Strömungsdurchsatz durch die Perforationen sehr niedrig ist, ist auch der Aufsetzwirkungsgrad der gegenwärtig verwendeten Kugeldichtungen extrem niedrig, da d£er niedrige Durchsatz die Kugeldichtungen nicht einwandfrei zu den Perfora·* tionen hinführt, bevor sie an den Perforationen vorbeigesunken sind. Da Kugeldichtungen sich als solchermaßen wirkungslos bei der Ableitung von Flüssigkeiten in die Formation erwiesen haben, sind sie für derartige Behandlungen selten eingesetzt worden.

In Kenntnis dieses Standes der Technik liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Behandlung einer unterirdischen Formation, die eine mit Perforationen versehene Bohrlochauskleidung umgibt, zu schaffen, bei welchem der Aufsetzwirkungsgrad der Kugeldichtungen 100 % beträgt, um somit eine wirkungsvolle Behandlung der Formation zu ermöglichen« Gemäß der Erfindung werden durch den Auftrieb aufsteigende Kugeidichtungen verwendete, deren Dichte geringer ist als die der Behaddlungsflüssigkeito Jn einer überraschenden Weise führt die Verwendung derartiger Kugeidich= tungen su einem 100%igen Aufsebzw£rkungsgrad₉ cL ho jede injizierte Kugeldichtung sefcsi sich auf eine nicht abgedichtete Perforation auf und verschließt diese_o

Gemäß uem erfindungsgemäßen Verfahren aur Ableitun-g der Behandlungsflüssigkeit während der Formationsverhandlung

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wird die Behandlungsflüssigkeit innerhalb der Bohrlochauskleidung abwärts und durch die Perforationen in die Formation, die die perforierten Bereiche der Bohrlochauskleidung umgibt, hineingeführt. Zu gegebener Zeit während der Behandlung werden Kugeldichtungen der Behandlungsflüssigkeit beigegeben und durch die Bohrlochauskleidung zu den Perforationen in der Auskleidung gepumpt. Es werden Kugeldichtungen ausgewählt, die eine geringere Dichte als diejenige der Behandlungsflüssigkeit innerhalb der Sohrlochauskleidung besitzen, die man jedoch durch den abströmenden Fluß der Flüssigkeit innerhalb des Bohrloches nach unten 2Λ den Perforationen transportieren kann. Dementsprechend muß die Injektion der Behandlungsflüssigkeit in die Bohrlochauskleidung mit einem Durchsatz erfolgen, daß die abwärtsgerichtete Geschwindigkeit der Flüssigkeit in der Bohrlochauskleidung oberhalb der Perforationen ausreicht, um auf die Kugeldichtungen eine Kraft zu übertragen, die größer ist als der aufwärtsgerichtete Auftrieb auf die Kugeldichtungen, womit die Kugeldichtungen zu den Perforationen hin transportiert werden. Die Geschwindigkeit der Behandlungsflüssigkeit muß jedoch so niedrich sein, daß eine Formationsbehandlung erfolgt, die die Formation nicht aufreißt. Nachfem die Kugeldichtungen die Perforationen erreicht haben, setzen sie sich auf die flüssigkeitaufnehmenden Perforationen auf und dichten diese ab. Die Behandlungsflüssigkeit wird dann in die verbleibenden offenen Perforationen abgeleitet.

Hach der Behandlung der Kohlenwasserstoff führenden Formation gleicht man den Druck der Flüssigkeit innerhalb der Bohrlochauskleidung aus, womit die Kugeldichtungen von den Perforationen5 welche sie abgedichtet haben, freigegeben werden» Die Kugeldichtungen sind leichter als die Behandlungsflüssigkeit und steigen dementsprechend durch die Bohrlochauskleidung nach oben. Ein Kugelfänger kann vorgesehen sein5 um die Kugeldichtungen abzusondern, bevor sie Einrichtungsgegenstände erreichen, die sie verstopfen oder beschädigen können.

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Weitere Merkmale, Vorteile und Einzelheiten werden durch die nachfolgende Beschreibung der Erfindung anhand verschiedener Beispiele unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen deutlich. Dabei zeigt im einzelnen:

Figur 1 einen Vertikalschnitt durch eine Bohrung, in welcher das erfindungsgemäße Verfahren eingesetzt wird,

Figur 2 die Darstellung eines Bohrlochkopfes zur Steuerung des Kohlenwasserstoffstromes aus dem Bohrloch einschließlich eines teilweise aufgeschnittenen Kugelfängers zur Aussonderung der Kugeldichtungen,

Figur 3 eine grafische Darstellung des Aufsetzwirkungsgrades, aufgetragen über der Strömungsgeschwindigkeit aufgrund von Experimenten,

Figur 4 eine grafische Darstellung der Strömungsgeschwindigkeit innerhalb der Bohrlochauskleidung, aufgetragen über dem normalisierten Dichteunterschied zwischen einer Kugeldichtung und der Behandlungsflüssigkeit aufgrund durchgeführter Experimente, und

Figur 5 eine grafische Darstellung des Aufsetzwirkungsgrades, aufgetragen über dem normalisierten Dichteunterschied zwischen einer Kugeldichtung und der Behandlungsflüssigkeit aufgrund durchgeführter Experimente.

Der Einsatz des erfindungsgemäßen Verfahrens ist anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispieles in Figur 1 dargestellt. Das in Figur 1 gezeigte Bohrloch 1 ist mit einer Bohrlochauskleidung 2 versehen, die bis zum Fuß der Bohrung läuft und mit einer Betonumhüllung außen umgeben ist,

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die die Bohrlochauskleidung an ihrem Platz festhält und die durchdrungenen Formationen oder Schichten isoliert. Die Betonumhüllung 3 erstreckt sich von dem Fuß der Bohrung zumindest bis zu einem Punkt oberhalb deirfördernden Formation 5. UnjÖie Kohlenwasserstoffe aus der produzierenden Formation 5 zu fördern oder abziehen zu können, ist es erforderlich, eine Verbindung zwischen der produzierenden Fortnation 5 und dem Inneren der Bohrlochauskleidung 2 herzustellen. Dies wird über Perforationen 4 erzielt, die durch die Bohrlochauskleidung 2 und die Zemantumhüllung 3 mit Hilfe eines hinlänglich bekannten Strahl- oder Schußgerätes eingebracht werden.

Die aus der fördernden Formation 5 durch die Perforationen in das Innere der Bohrlochauskleidung 2 einströmenden Kohlenwasserstoffe werden über eine Förderleitung 6 zur Oberfläche transportiert. Ein Dichtungsstück 7 ist im Bereich des unteren Endes der Förderleitung 6, und zwar oberhalb der höchsten Perforation, angeordnet, um eine Druckdichtung zwischen der Förderleitung 6 und der Bohrlochauskleidung 2 zu schaffen. Es werden nicht immer Förderleitungen eingesetzt, sondern in manchen Fällen auch das gesamte innere Volumen der Bohrlochauskleidung ausgenutzt, um die Kohlenwasserstoffe zur Erdoberfläche zu führen.

Wenn in der Vergangenheit Kugeldichtungen zur Ableitung während eines Formationsaufbrechvorganges eingesetzt werden sollten, wählte man Kugeldichtungen mit einer größeren Dichte als die Dichte der Behandlungsflüssigkeit aus. Es soll zunächst zum besseren Verständnis der Erfindung der Aufsetzmechanismus der herkömmlichen Kugeldichtungen untersucht werden. Die Geschwindigkeit der Kugeldichtungen mit einer größeren Dichte als diejenige der Flüssigkeit in dem Bohrloch besteht aus zwei Komponenten. Jede Kugeldichtung besitzt eine "Sink^M-Geschwindigkeit, die auf der Differenz der Dichten zwischen der Kugeldichtung und der Flüssigkeit beruht und jeweils als vertikal abwärts gerichtete Geschwindigskeitskomponente vorliegt. Die zweite

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Komponente der Geschwindigkeit der Kugeldichte beruht auf den Zugkräften, die von der sich um die Kugeldichtung bewegenden Flüssigkeit auf die Kugeldichtung übertragen wird. Diese Geschwindigkeitskomponente liegt in der Richtung der Flüssigkeitsströmung. Innerhalb der Förderleitung und innerhalb der Bohrlochauskleidung oberhalb der Perforationen wird die Geschwindigkeitskomponente, die auf der Flüssigkeitsströmung beruht, im wesentlichen abwärts gerichtet sein.

Unmittelbar oberhalb des perforierten Bereiches der Bohrlochauskleidung nimmt die Flüssigkeit eine horizontale Geschwindigkeitskomponente an, die radial nach außen und durch die Perforationen 4 gerichtet ist. Der Strom durch jede Perforation muß hinreichend sein, um die Kugeldichtung 10 auf die Perforation zu ziehen, bevor die Kugeldichtung an dieser Perforation vorbeisinkt. Wenn der Strom der Behandlungsflüssigkeit durch verschiedene Perforationen die Kugeldichtung nicht auf eine Perforation zieht, bevor die Kugeldichtung an der niedrigsten Perforation vorbeisinkt, fällt die Kugeldichtung lediglich in den Bereich des Rattenloches 8 am Fuße des Bohrloches ab, wo sie verbleibt.

Gemäß der Erfindung werden Kugeldichtungen 10 verwendet, deren Dichte geringer ist als diejenige der Behandlungsflüssigkeit. Innerhalb des Bohrloches besitzt jede Kugeldichtung eine Geschwindigkeit, die aus zwei Komponenten besteht. Die erste Geschwindigkeitskomponente ist senkrecht nach oben als "Steig"-Geschwindigkeit gerichtet und beruht auf dem Auftrieb der Kugeldichtung in der Flüssigkeit. Die zweite Geschwindigkeitskomponente beruht auf den Übertragungskräften, die durch die Bewegung der Flüssigkeit um die Kugeldichtung auf diese übertragen wird. Oberhalb der Perforationen ist diese Geschwindigkeitskomponente im allgemeinen nach unten gerichtet. Es ist wesentlich, daß die nach unten gerichtete Geschwindigkeitskomponente in der Förderleitung 6 und innerhalb der Bohr-

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lochauskleidung 2 oberhalb der Perforation 4 ausreicht, um aine Kraft auf die Kugeldichtungen zu übertragen, die größer ist als die aufwärts gerichtete Auftriebskraft auf die Kugeldichtung. Dies führt dazu, daß die Kugeldichtungen nach unten in den Bereich der Bohrlochauskleidung geführt werden, der die Perforationen trägt. Die Flüssigkeitsgeschwindigkeit muß jedoch mit einem Durchsatz geführt werden, der geringer ist als derjenige, der ein Aufreißen der Formation bewirken würde.

Wenn nach dem erfindungsgemäßen Verfahren verwendete Kugeldichtungen eingesetzt werden, setzen sie sich niemals in dem Bereich des Rattenloches 8 ab. Das bedeutet, daß unterhalb der untersten Perforation, durch welche noch Behandlungsflüssigkeit fließt, aufgrund des Auftriebes sich keine Kugeldichtung aufhalten wird. Unterhalb der untersten, eine Behandlungsflüssigkeit aufnehmenden Perforation steht die Flüssigkeit in dem Bohrloch still. Da dort keine Abwärts gerichteten Kräfte auf die Kugeldichtung wirken, um diese unterhalb der untersten Behandlungsflüssigkeit aufnehmenden Perforation zu halten, dominieren die aufwärts gerichteten Auftriebskräfte auf die Kugeldichtung in diesem Bereich. Dementsprechend führt das erfindungsgemäße Verfahren dazu, daß die Vertikalgeschwindigkeit einer jeden Kugeldichtung eine Funktion der vertikalen Position innerhalb der Bohrlochauskleidung ist. Unterhalb der untersten Perforation und möglicherweise höher, wenn nur wenig Flüssigkeit abäwärts aurch die unteren Perforationen fließt, ist die resultierende Vertikalgeschwindigkeit einer jeden Kugeldichtung aufwärts gerichtet aufgrund des Überwiegens der Auftriebskraft über die abwärts gerichtete von der Flüssigkeit übertragene Kraft. Oberhalb der höchsten Perforation und möglicherweise niedriger, wenn nur wenig Flüssigkeit durch die höchsten Perforationen fließt, ist die resultierende Vertikalgeschwindigkeit einer jeden Kugeldichtung abwärts gerichtet, da die abwärts gerichteten, von der Flüssigkeit übertragenen Kräfte gegenüber der Auftriebskraft überwiegen.

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Die Kugeldichtungen mit einer Dichte, die geringer ist als diejenige der Behandlungsflüssigkeit, verbleiben innerhalb des perforierten Bereiches der Bohrlochauskleidung, durch welchen die Flüssigkeit strömt, oder bewegen sich hierauf zu, bis sich die Kugeldichtungen auf eine der Perforationen aufsetzen. Während sie sich innerhalb dieses Bereiches der Bohrlochauskleidung aufhalten, übt die Bewegung der Flüssigkeit in Richtung auf und durch die Perforationen eine Kraft aus auf die Kugeldichtungen, um diese in Richtung auf die Perforationen zu führen, wo sie sich dann aufsetzen und durch die Druckdifferenz gehalten werden. Wenn die Kugeldichtungen die perforierte Zone erreichen, führen die von dem Flüssigkeitsstrom durch die Perforationen übertragenen Kräfte dazu, daß einige der Kugeldichtungen sich auf einige der Perforationen aufsetzen, wobei es sich hier normalerweise um die Perforationen handelt, die ein überdurchschnittlich hohes Volumen an Flüssigkeit aufnehmen. Damit werden einzelne Perforationen abgedichtet, bis ein so großer Teil des perforierten Bereiches hinreichend abgedichtet ist, um den Durchsatz durch diesen Bereich zu vermindern. Die Verminderung des Durchsatzes führt zu einer Verringerung der abwärts gerichteten Kräfte, die auf die schwebenden Kugeldichtungen übertragen werden, bis zu einem Wert, der geringer ist als der aufwärts gerichtete Auftrieb. Wenn dieser Wert erreicht ist, steigen die in dem teilweise abgedichteten Bereich schwebenden Kugeldichtungen an, bis die Strömungskräfte der Flüssigkeit, die in die Perforationen einfließt, die Kugeldichtungen auf die Perforationen aufsetzt. Wenn während der Behandlung infolge dieser eine untere Perforation geöffnet wird, führt die nach unten gerichtete Strömung und die sich hieraus ergebende Kraft die Kugeldichtungen zu den unteren Perforationen hin. Auf diese Weise kann eine schwebende Kugeldichtung tatsächlich abwärts, aufwärts und zurück zu dem perforierten Bereich geführt werden, bis eine offene Flüssigkeit aufnehmende Perforation gefunden ist.

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Im Ergebnis führt das erfindungsgemäße Verfahren dazu, daß alle Kugeldichtungen, die in das Bohrloch injiziert und zu der perforierten Zone der Bohrlochauskleidung hin transportiert werden, sich auf die Flüssigkeit führenden Perforationen aufsetzen und diese abdichten mit einem unveränderlichen Wirkungsgrad von 100 %. Das bedeutet, daß jede Kugeldichtung sich auf eine Perforation aufsetzt und diese abdichtet, solange eine Perforation existiert, durch welche Flüssigkeit strömt, sofern der Flüssigkeitsstrom durch die Bohrlochauskleidung abwärts oberhalb der obersten Perforation ausreicht, um eine hinreichende abwärts gerichtete Kraft auf die jeweilige Kugeldichtung auszuüben, die größer ist als die Auftriebskraft, die auf die Kugeldichtung wirkt.

Nach Beendigung der Behandlung mit Kugeldichtungen, die eine geringere Dichte als die Behandlungsflüssigkeit besitzen,wie die Erfindung lehrt, lasten sich alle Kugeldichtungen von den Perforationen und wandern aufwärts. Es sollte dementsprechend eine Einrichtung vorgesehen sein,um die Kugeldichtungeη auszusondern, bevor sie Einrichtungsgegenstände durchlaufen, die hierdurch verstopft oder beschädigt werden können. Ein Kugelfänger 30, der diese Aufgabe erfüllt, ist in Figur 2 dargestellt.

Die Figur 2 zeigt eine typische Ausbildung einer Bohrlochkopfeinrichtung für eine Förderbohrung. Die Bohrlochauskleidung 2 erstreckt sich ein wenig bis über das Bodenniveau und hält die Bohrlocheinfassung oder den "Vielfachanschluß" 20. Die Förderleitung 6 befindet sich innerhalb der Bohrlochauskleidung 2 und stellt eine Verbindung zu dem unteren Ende des Hauptventils 21 her. Das Hauptventil 21 steuert den Öl- und Gasstrom aus der Bohrung. Oberhalb des Hauptventils 21 ist ein T 25 vorgesehen, das eine Verbindung mit dem Bohrloch entweder über das Kopfventil 22, oder das Seitenventil 23 herstellt. Am oberen Ende des Kopfventils kann eine unterschiedliche Einrichtung angeordnet sein, wobei eine Verbindung zu dieser Einrichtung von

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dem Bohrloch hergestellt wird, indem man das Kopfventil 22 und das Kopfventil 21 öffnet. Normalerweise wird das Kopfventil 22 in einer geschlossenen Stellung gehalten. Die Förderung aus der Bohrung fließt durch das T 25 und seitlich über das Seitenventil 23 ab. Das Seitenventil leitet den Flüssigkeitsstrom von dem Bohrlochkopf zu der Sammelleitung 26.

Ein Kugelfänger 30, der im Schnitt dargestellt ist, befindet sich stromabwärts von dem Seitenventil und stromaufwärts von einer Drosselstelle 24. Die geförderte Flüssigkeit durchströmt den Kugelfänger 30, wobei die Kugeldichtungen hierin eingeschlossen werden. Nachdem die geförderte Flüssigkeit die Drosselstelle durchlaufen hat, wird sie in der Sammelleitung 26 einer Trenneinrichtung und anschließend entweder Vorratsbehältern oder einer Transportleitung zugeführt.

Bei dem Kugelfänger 30 handelt es sich im wesentlichen um ein T mit einem Ablenkeinsatz 34, der ein Ablenkgitter trägt, der am stromabwärtigen Ende des T eingesetzt ist. Das Ablenkgitter 35 gestattet,einen Flüssigkeitsdurchstrom ohne Gegenstände in der Größe der Kugeldichtungen durchzulassen. Vorzugsweise ist das Ablenkgitter 35 in einem schrägen Winkel innerhalb des Kugelfängers 30 angeordnet, so daß eine Kugeldichtung, die an das Ablenkgitter 35 anstößt, in den Fuß 32 des T abgelenkt wird. Eine Kappe ist am unteren Ende des Fußes 32 aufgesetzt, die leicht abgenommen werden kann, wenn das Seitenventil geschlossen und ein Druckausgleich erreicht ist, um das Herausnehmen der eingefangenen Kugeldichtungen zu ermöglichen.

Versuchsbeispiele

Es wurden Versuchsbeispiele durchgeführt, um den Aufsetzwirkungsgrad von Kugeldichtungen zu'bestimmen, wenn die Kugeldichtungen eine Dichte besitzen, die größer als diejenige der Behandlungsflüssigkeit ist, und wenn die Kugeldich-

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tungen eine Dichte besitzen, die geringer als die Dichte der Behandlungsflüssigkeit ist. Die Laborversuche wurden ausgelegt, um das Aufsetzen der Kugeldichtungen auf den Perforationen in einer Bohrlochauskleidung zu simulieren. Die Experimentiereinrichtung umfaßte ein 244 cmm langes Lucite-Rohr mit einem Durchmesser von 76,2 mm, das einen Abschnitt der Bohrlochauskleidung repräsentierte. Das Lucite-Rohr wurde vertikal in dem Labor angeordnet, wobei das untere Ende dicht verschlossen wurde. Zwischen 91 cm und 122 cm von dem Boden wurden 5 vertikal ausgerichtete Löcher durch die Wand des Rohres gebohrt, die die Perforationen darstellten. Die Löcher besaßen einen Durchmesser von 9,5 mm und einen mittigen Abstand von 50,8 mm.

Ein 90°-Knie wurde an dem oberen Ende des Lucite-Rohres befestigt und über eine Förderleitung an eine Pumpe angeschlossen. Die Pumpe zog Flüssigkeit von einem Reservoir ab und pumpte diese bei unterschiedlichem gesteuertem Durchsatz durch die Förderleitung in das obere Ende des Rohres hinein. Die Flüssigkeit, strömte durch das Lucite-Rohr abwärts, durch die Perforationen und wurde durch eine weitere Förderleitung in das Reservoir zurückgeführt.

Um die Kugeldichtungen zu injizieren, wurde eine entsprechende Öffnung in das Knie eingebracht und ein Rohr von 25,4 mm Durchmesser wurde in der Öffnung verschweißt. Das Ende des 25,4-mm-Durchmesser-Rohres wurde koaxial zu dem Lucite-Rohr am oberen Ende des Rohres ausgerichtet. Die Kugeldichtungen wurden in das Lucite-Rohr durch das Rohr mit dem Durchmesser von 25_s4 mm eingeführt.

Der Flüssigkeitsdurchsatz in das obere Snde des Lucite-Rohres wurde gemessen. Es wurde angenommen., daß der Durchsatz durch jede der Perforationen gleich war, so daß man «ie Annahme traf, daß jede Perforation 1/5 des gemessenen Durchsatzes, der in das obere. Ende des Lucite-Rohres eingeführt wurde, aufnahm.

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Während der ersten Phase der Versuchsdurchführung wurde

Wasser mit einer Dichte von 1,0 g/cm als Flüssigkeit eingesetzt. Starre Kugeldichtungen wurden aus vier verschiedenen Materialien mit unterschiedlichen Dichten hergestellt. Die Kugeln besaßer/jeweils einen Durchmesser von 19,1 mm und waren aus Polyprophylen (Dichte 0,84 bis 0,86 g/cm ), Nylon, (Dichte 1,11 g/cm³), Acetal (Dichte 1,39 g/cm³) bzw. Teflon (Dichte 2,17 g/cm ) hergestellt. Diese Kugeldichtungen besaßen keinen elastomeren Überzug, wogegen in der Praxis Kugeldichtungen normalerweise eingesetzt werden, die einen elastomeren Überzug besitzen, so daß eine bessere Dichtung erreicht wird. Der Zweck dieser Experimente war jedoch,die Aufsetzcharakteristika zu bestimmen und nicht die Abdichtcharakteristxka, so daß ein elastomerer überzug nicht erforderlich war.

Bei dem Versuch wurde allgemein ein spezifischer Flüssigkeitsdurchsatz durch die Perforationen aufgestellt, die Kugeldichtungen wurden durch das 25,4-mm-Durchmesser-Rohr in das obere Ende des 244 cm langen Rohres injiziert und es wurde beobachtet, ob sich die Kugeldichtungen auf die Perforationen aufsetzten oder nicht. Das Versuchsprogramm wurde durchgeführt mit Kugeldichtungen aller 4 Materialien, die in das Rohr injiziert wurden, während Wasserdas Rohr mit verschiedenen Durchsätzen durchströmte.

Bei einer einzigen Versuchsreihe wurden 10 Kugeln des gleichen Materials jeweils eine nach der anderen oben in das 244-cm-Lucite-Rohr injiziert. Es wurde beobachtet, ob sich die Kugeldichtung auf eine der Perforationen aufsetzte. Wenn sich eine Kugel auf eine Perforation aufsetzte, wurde diese vor der Freigabe der nächsten Kugel entfernt, so daß jeweils 5 offene Perforationen für · jede Kugel zum Aufsetzen frei waren. Während einer einzigen Versuchsreihe verblieben die Flüssigkeit und deren Durchsatz unverändert»

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Nachdem alle 10 Kugeln eingeführt waren, wurde die Anzahl der geschlossenen Perforationen als Aufsetzwirkungsgrad unter diesen Bedingungen bestimmt und als Prozentzahl ausgedrückt.

Es wurden Versuche durchgeführt, um in einer Regressionskurve den Aufsetzwirkungsgrad über dem Durchsatz für alle zu untersuchenden Kugeldichtungen aufzutragen. Die Werte dieser Regressionskurven wurden dann verwendet, um die grafische Darstellung gemäß Figur 3 aufzuzeichnen. Die grafische Darstellung gemäß Figur 3 zeigt den Aufsetzwirkungsgrad für die untersuchten Kugeldichtungen über dem Durchsatz. Da in dem Lucite-Rohr 5 Perforationen vorgesehen waren, läßt sich der Durchsatz durch jede Perforation leicht bestimmen, indem man den Gesamtdurchsatz durch 5 teilt. Die Figur 3 zeigt, daß der Aufsatzwirkungsgrad der Kugeldichtungen mit einer Dichte, die größer ist als diejenige der Behandlungsflüssigkeit stark abnimmt, mit abnehmendem Durchsatz. Zum Vergleich verbleibt der Aufsetzwirkungsgrad der auftreibenden Kugeldichtungen (0,84 g/cm ) bei 100 % bis herab zu einem Durchsatz von etwa 0,9465 1/sec. Unter diesem Durchsatz fällt der Aufsetzwirkungsgrad auf 0 % ab. Wie zu einem späteren Zeitpunkt noch diskutiert und erläutert werden wird, sind Veränderungen in dem Dichteunterschied erforderlich, um einen Aufsetzwirkungsgrad von 100 % bei Durchsetzen von unter 0,9465 1/sec. für diese spezielle Situation zu erhalten.

Wie bereits weiter oben ausgeführt wurde, liegt der Grund dafür, daß Kugeldichtungen herkömmlich nicht für Formationsbehandlungen eingesetzt worden ist, darin, daß der Aufsetzwirkungsgrad bei den Behandlungsdurchsätzen sehr gering ist. Die Figur 3 bestätigt diese Annahme für Kugeldichtungen mit einer Dichte, die größer ist als diejenige der Behandlungsflüssigkeit. Ein Gesamtdurchsatz von unter 1,5775 1/sec, der einem Durchsatz von etwa 0,3155 1/sec.

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pro Perforation entspricht, simuliert einen relativ hohen Durchsatz, bei welchem Formationsbehandlungen durchgeführt werden können, ohne daß die Formation aufbricht. Bei diesem Durchsatz liegt der Aufsetzwirkungsgrad für Kugeln, die dichter als die Flüssigkeit sind, bei oder in der Nähe von 0 %. Wenn die Dichte der Kugeldichtungen größer ist als die Dichte der Flüssigkeit, ist der Aufsetzwirkungsgrad der Kugeldichtungen in erster Linie eine Funktion des Durchsatzes durch die Perforation. Je größer der Durchsatz durch die Perforation ist, umso größer ist der Aufsetzwirkungsgrad. Der Aufsetzwirkungsgrad von Kugeldichtungen mit einer Dichte, die größer ist als diejenige der Flüssigkeit, ist jedoch grundsätzlich ein statistisches Phänomen. Eine Veränderung der Zahl, des Abstandes und der Ausrichtung der Perforationen beeinflußt mit hoher Wahrscheinlichkeit den genauen Aufsetzwirkungsgrad, der in einer vorgegebenen Situation erwartet werden kann. Da das Aufsetzen der Kugeldichtungen mit einer Dichte, die größer ist als die Dichte der Flüssigkeit, ein statistisdes Phänomen ist, liegt dementsprechend immer die Möglichkeit vor, daß zuwenige oder zuviele Kugeldichtungen sich aufsetzen, um die angestrebte Ableitung zu erzielen. Nichtdestoweniger ist der Aufsetzwirkungsgrad bei Behandlungsdurchsätzen von Kugeldichtungen, die schwerer sind als die Flüssigkeit, sehr schlecht.

Im Gegensatz zur Wirksamkeit der Kugeldichtungen mit einer Dichte, die größer ist als die Dichte der Flüssigkeit, liegt die Wirksamkeit der auftreibenden Kugeldichtungen.

Wie bereits oben erwähnt wurde, liegt der Aufsetzwirkungs-

3 grad von Kugeldichtungen mit einer Dichte von 0,84 g/cm bei 100 % bei Durchsetzen von oberhalb 0,9465 1/sec. Der Aufsetzwirkungsgrad einer Kugel mit einer Dichte, die geringer ist als die Dichte der Flüssigkeit, liegt immer bei 100 %, vorausgesetzt, daß die abwärts gerichtete Flüssigkeitsströmung in der Bohrlochauskleidung oberhalb der Perforationen ausreicht, um auf die Kugeldichtungen eine abwärts gerichtete Kraft zu übertragen, die größer ist als der auf die Kugeldichtungen wirkende aufwärts gerichtete

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Auftrieb. Wenn mit anderen Worten der abwärts gerichtete Flüssigkeitsstrom innerhalb der Bohrlochauskleidung ausreicht, um die Kugeldichtungen nach unten zu den Perforationen zu führen, setzen sie sich stets auf. Der Sprung des Aufsetzwirkungsgrades von auf-schwimmenden Kugeln von 0 % auf 100 % bei etwa 0,9465 1/sec. stellt den niedrigsten Durchsatz dar, bei welchem die aufschwimmenden Kugeln durch das Bohrloch abwärts geführt werden können. In diesem speziellen Beispiel ist unterhalb eines Durchsatzes von etwa 0,9654 1/sec. der aufwärts gerichtete Auftrieb der Kugeln größer als die von dem abwärts gerichteten Strom der Behandlungsflüssigkeit übertragene Kraft, so daß ein abwärtiger Transport der Kugeldichtungen zu den Perforationen nicht möglich ist. Abdererseits setzen sich die Kugeln immer auf, wenn der abwärts gerichtete Flüssigkeitsstrom innerhalb der Bohrlochauskleidung die Kugeldichtungen auf das Niveau der Perforationen führt. Ein voraussagbares nicht statistisches Ableitungsverfahren wird dementsprechend erzielt, da die Zahl der durch die Kugeldichtungen zugesetzten Perforationen gleich ist der jeweils geringeren Zahl der injizierten Kugeldichtungen in die Bohrlochauskleidung bzw. der Zahl der Flüssigkeit aufnehmenden Perforationen.

Die Beziehung zwischen dem Dichteunterschied und der Flüssigkeitsgeschwindigkeit, die erforderlich ist, um die Kugeldichtungen durch die Bohrlochauskleidungen abwärts zu führen, wurde untersucht. Figur 4 zeigt eine grafische Darstellung des normalisierten Dichteunterschiedes zwischen den Kugeldichtungen und der Flüssigkeit, aufgetragen über der Geschwindigkeit der innerhalb der Bohrlochauskleidung abströmenden Flüssigkeit. Der normalisierte Dichteunterschied ist die Differenz der Dichte zwischen den Kugeldichtungen und der Flüssigkeit dividiert durch die Dichte der Flüssigkeit. Ein positiver normalisierter Dichteunterschied bedeutet, daß die Dichte der Kugeldichtungen größer ist als die Dichte der Flüssigkeit und ein negativer normalisierter

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Dichteunterschied bedeutet, daß die Dichte der Kugeldichtungen geringer ist als die Dichte der Flüssigkeit. Es folgt hieraus, daß der normalisierte Dichteunterschied von 0 bedeutet, daß die Kugeldichtung und die Flüssigkeit die gleiche Dichte besitzen. Die grafische Darstellung gemäß Figur 4 beruht auf einer Anzahl von Untersuchungen, bei welchen eine Kugeldichtung innerhalb eines vertikalen Lucite-Rohrstückes eingesetzt und Flüssigkeit durch das Rohr abwärts geführt wurde. Die Geschwindigkeit der Flüssigkeit wurde eingestellt, bis die Kugeldichtung in einer festen Position im mittleren Bereich des Rohres einnahm. In dieser §leichgewichtsposition waren die von der Flüssigkeit auf die Kugeldichtung übertragenen Kräfte gleich der Auftriebskraft der Kugeldichtung. Kugeldichtungen verschiedener Dichten wurden zusammen mit zwei Flüssigkeiten untersucht, nämlich Wasser und Calziumchloridsole mit einer Dichte von 1,3 g/cm , woraus sich die Kurve gemäß Figur 4 ergab.

Die ausgezogene Linie gibt den Gleichgewichtszustand an, bei welchem die Kugeldichtung stationär innerhalb der Bohrlochauskleidung verbleibt und sich weder nach oben noch nach unten bewegt. Unterhalb der in Figur 4 dargestellten Linie würde die Geschwindigkeit der Flüssigkeit innerhalb der Bohrlochauskleidung unzureichend sein, um die Auftriebskraft zu überwinden und die Kugeldichtungen steigen innerhalb der Bohrlochauskleidung an. Oberhalb der in Figur 4 dargestellten Linie übt die Flüssigkeit innerhalb der Bohrlochauskleidung eine Kraft auf die Kugeldichtungen aus, die größer ist als die Auftriebskraft, die auf die Kugeldichtungen wirkt. Dementsprechend werden die Kugeldichtungen durch das Bohrloch abwärts geführt.

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Alle Punkte auf der Linie und darunter entsprechen einem normalisierten Dichteunterschied und einer bestimmten Bohrlochgeschwindigkeit der Flüssigkeit, die zu einem Aufsetzwirkungsgrad von 0 % führt, da die Kugeldichtungen nicht abwärts zu den Perforationen geführt werden. Wenn jedoch der normalisierte Dichteunterschied und die Bohrlochgeschwindigkeit der Flüssigkeit einen Punkt definieren, der oberhalb der in Figur 4 aufgezeichneten Linie entspricht, wird der Aufsetzwirkungsgrad stets 100 % sein, da die Kugeldichtungen bis zu den Perforationen transportiert werden, auf welche sie sich aufsetzen. Der Auftrieb hält sie in einer Position bei oder oberhalb der untersten Perforation und die abströmende Flüssigkeitsgeschwindigkeit innerhalb der Bohrlochauskleidung oberhalb der obersten Perforation hält die Kugeldichtung bei oder unterhalb des Niveaus der obersten Perforation.

Es bedarf lediglich eines geringen Flüssigkeitsstromes durch eine Perforation, um eine Kugeldichtung zu der Perforation hinzuführen und sie hierauf abzusetzen, wenn die Zeitdauer, während welcher die durch die Perforation strömende Flüssigkeit auf die Kugeldichtung wirken muß, lediglich durch die Dauer der Injektionszeit begrenzt ist. Dies ist jedoch eine wichtige Begrenzung, damit die Kugeldichtung keine unendliche oder eine sehr lange zeit in Anspruch nehmen kann, um die Perforationen zu erreichen. Obwohl die Behandlungsflüssigkeit eine hinreichende Geschwindigkeit innerhalb der Bohrlochauskleidung besitzen kann, um die auftreibenden Kugeldichtungen durch das Bohrloch abwärts zu führen, kann es hierzu einer übermäßig langen Zeit bedürfen. Dementsprechend liegt ein begrenzender Faktor in der Menge an Behandlungsflüssigkeit, die die Kugeldichtungen bis zu den Perforationen abwärts führt. Für die Erfindung ist wesentlich, daß sich die Kugeln aufsetzen müssen, bevor die gesamte Behandlungsflüssigkeit durch die Perforationen injiziert ist. Vorzugsweise sollten sich die Kugeldichtungen in einem frühen oder einem mittleren Stadium des Injektionsverfahrens aufsetzen. Somit kann der Auftrieb der Kugeldich-

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_ OO

C- ^J

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tungen diese nicht mit einer Geschwindigkeit nach oben führen, die sie mehr als die Länge des gesamten Zeitintervalles ziehen läßt, während dessen die Behandlungsflüssigkeit in das Bohrloch injiziert wird. Dieses Konzept und die hier- " durch entstehenden Beschränkungen werden in dem Ausführungsbeispiel noch weiter erläutert.

Als Abschlußtest für den Aufsetzwirkungsgrad der Kugeldichtungen mit unterschiedlicher Dichte wurden eine Reihe von Versuchen durchgeführt, um die Aufsetzwirkungsgrade für verschiedene normalisierte Dichteunterschiede bei einem konstanten Durchsatz zu vergleichen. Bei diesem Test wurde ein Abschnitt eines Lucite-Rohres mit einem Durchmesser von 76,2 mm und vertikal ausgerichteten Perforationen mit einem Durchmesser von 9,53 mm §ls simulierte Bohrlochauskleidung eingesetzt. Der Durchsatz an Trägerflüssigkeit wurde konstant bei 0,9465 1/sec. oder 0,0947 1/sec. pro Perforation gehalten. Dieser Durchsatz wurde als typisch für eine Formationsbehandlung festgelegt. Während der Untersuchungen wurden die Dichten der Behandlungsflüssigkeit verändert und es wurden Kugeldichtungen mit unterschiedlicher Dichte ausgewählt, so daß man einen relativ breiten Bereich normalisierter Dichteunterschiede zwischen -0,27 und +0,08 erhielt.

Die Ergebnisse dieser Versuche sind in Figur 5 dargestellt, die eine Kurve des Aufsetzwirkungsgrades, aufgetragen über dem normalisierten Dichteunterschied für einen konstanten Durchsatz von 0,9465 1/sec. zeigt. Wie aus den weiter oben beschriebenen Versuchen zu erwarten war, war der Aufsetzwirkungsgrad von Kugeldichtungen mit einem positiven Dichteunterschied .geringer als 100 %. Außerdem zeigen diese Kugeldichtungen einen stark abnehmenden Aufsetzwirkungsgrad mit wachsendem Dichteunterschied. Diese Ergebnisse stimmen mit den in Figur 3 dargestellten überein, wonach die Kugeldichtungen mit einer Dichte von 2,17 g/cm einen merklich ge-! ringeren Aufsetzwirkungsgrad besaßen als die Kugeldichtungen

3 3

mit einer Dichte von 1,11 g/cm oder 1,39 g/cm bei vergleichbaren Durchsätzen.

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Von größerer Bedeutung sind die in Figur 5 dargestellten Untersuchungsergebnisse für die Kugeldichtungen mit einem negativen Dichteunterschied. Für einen normalisierten Dichteunterschied von weniger als 0,00, jedoch größer als etwa -0,15 erreichten die Kugeldichtungen einen Aufsetzwirkungsgrad von 100 %. Die Figur 5 zeigt, daß ein Bereich von Dichten der Kugeldichtungen einen Aufsetzwirkungsgrad von 100 % erreicht. Der Bereich ist jedoch endlich und umfaßt nicht alle auftreibenden Kugeldichtungen. Unterhalb eines Dichteunterschiedes von etwa -0,15 war der Auftrieb der Kugeldichtungen so stark, daß sie nicht nach unten zu den Perforationen mittels der Behandlungsflüssigkeit bei einer vorgegebenen Strömungsgeschwindigkeit von 0,9465 transportiert werden konnten, was damit zu einem Aufsetzwirkungsgrad von 0 % führte.

Die experimentellen Ergebnisse stützen gründlich die in Figur 3 dargestellten Ergebnisse für auftreibende Kugeldichtungen mit einer Dichte von 0,84 g/cm . Die Kugeldichtung, die einen normalisierten Dichteunterschied von -0,16 besaß, erzielt-e einen Aufsetzwirkungsgrad von 100 % unterhalb der Flüssigkeitsdurchsätze von etwa 0_s9654 1/sec. Unterhalb dieses Durchsatzes war der Aufsetzwirkungsgrad Dies Ergebnis stimmt mit Figur 5 überein, die einen Aufsetzwirkungsgrad von 0 % für einen Dichteunterschied von 0,16 bei einem vorgegebenen Durchsatz von O₅9465 1/sec. zeigt.

is liegt eine besondere Situation vor, wenn der normalisierte Sichteunterschied 0 isto 'die bereifes oben erwähnt₉ ist der normalisierte Dichteunterschied Q₅ wenn die Dichte dsr Kugeldichtungen die gleiche ist wie diejenige der Flüssigkeit., Es wurden keine '/ersuche durchge£ührt_s bei weleJvsn die Kugel dich tan ge η genau die gleiche Dichte wie die Flüssigkeit besaßen_s jedoch der Trend der Werte seigi an„ caS der Aufsetswirkungsgraä für einen normalisierten Bich- >,3Vsnterschied vor. G etwas geringer als 100 % is to Wie die 7.VS-ir 5 seigi, ist ier Aufsetzwirkungsgrad bei einem nor-

δ; η θ s ι ι / η Q ^ ^j

¹J U S O S ι / U ^ ü. O

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malisierten Dichteunterschied, der sich 0,00 g/cm von der positiven Richtung nähert, etwa 90 %. Wenn die Dichte in den negativen Bereich eintritt, erreicht der Aufsetzwirkungsgrad sofort 100 %. Diese Daten zeigen ganz deutlich, daß nur ein negativer Auftrieb und nicht ein neutraler Auftrieb für die Kugeldichtungen einen 100%igen Aufsetzwirkungsgrad gewährleisten kann. Bei einem neutralen Auftrieb ist es möglich, daß die Kugeldichtung durch die Flüssigkeit auf das Niveau der tiefsten Perforation geführt werden kann, ohne daß es sich aufsetzt, wobei sie dann aufgrund ihres Beharrungsvermögens das Niveau der niedrigsten Perforation noch unterschiedet. Kugeldichtungen mit einem Dichteunterschied von 0 können, wenn sie aufgrund ihres Beharrungsvermögens an der tiefsten Perforation vorbeigeführt werden, in dem Rattenloch schwebend verbleiben, ohne daß sie sich aufsetzen, wenn der Flüssigkeitsstrom durch die Bohrlochauskleidung abwärts und die Perforationen keine hinreichende Turbulenz unterhalb der untersten Perforation erzeugt, um die Kugeldichtung in irgendeiner Weise aufwärts zu führen. Diese Situation ist, wie eindeutig in Figur 5 dargestellt ist, nfcht möglich, wenn die Kugeldichtungen auch nur ein klein wenig leichter sind als die Flüssigkeit, da der Auftrieb der Kugeldichtungen diese zumindest bis zum Niveau der untersten offenen und Flüssigkeit aufnehmenden Perforation führt, worauf sie sich auf diese Perforation aufsetzt.

Ausfuhrungsbeispiel

Zur Erläuterung des erfindungsgemäßen Verfahrens soll nachfolgend ein Ausführungsbeispiel der Säurebehandlung einer Formation unter Verwendung der erfindungsgemäßen Kugeldichtungen erläutert werden. Dabei soll angenommen werden, daß zwei Bohrungen, von denen eine eine Bohrlochauskleidung mit einem inneren Durchmesser von 76,2 mm und die andere mit einer Bohrlochauskleidung von 152,4 Innendurchmesser mit Säure behandelt werden sollen. Jede Bohrung besitzt einen breiten Formationsbereich.in dem Förderabschnitt, wobei

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die Perforationen selektiv abgedichtet werden sollen unter Einsatz des Kugelabdichtungsverfahrens gemäß der Erfindung, um sicherzustellen, daß alle Perforationen an der Säurebehandlung teilhaben. Die Charakteristika der Bohrungen sind identisch wie folgt:

Formation: Sandstein

Behandlungssäure: 11 355 Liter einer HCL-HF Schlammsäure

Bohrlochtiefe (H): 1 524 Meter
Formationspermeabilität (k) * 50 Millidarci Länge des perforierten Bereiches (h): 11,4 m Frakturgradient (FG) » 0,1338 at/m Bohrlochfußdruck (P_b) « FG χ Η

« (0,1338 at/m χ 1524 m « 203,9 at) Reservoirdruck (P ) * 68 at
Säuredichte (p_f) » 1,030 g/cm³

Säureviskosität am Bohrlochfuß (μ) = 0,78 Zentipoise Drainageradius der Bohrung (r ) » 201 m durchschnittlicher Bohrlochradius (r ) » 0,057 m

Für den praktischen Einsatz einer Formationssäurebehandlung ist ein Schlüsselfaktor, daß der Injektionsdruck und dementsprechend der Injektionsdurchsatz begrenzt sein muß, um ein Reißen der Formation zu verhindern. Der maximale Injektionsdurchsatz, der möglich ist, ohne daß die Formation aufreißt, entspricht der radialen Stromgleichung von Darcy, nämlich

4.917 χ 10"⁶ k h (P_b - P_r)

^Qmax

wobei Q der maximale Injektionsdurchsatz ist. max

Setzt man nun die bekannten Informationen in die oben angegebene Gleichung von Darcy ein, so kann leicht bestimmt werden, daß Q « ist 3,85 Barrel pro Minute oder 611,75 l/min, max

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Aufgrund diesem maximalen Injektionsdurchsatz kann die maximale durchschnittliche Strömungsgeschwindigkeit (V)) durch die Bohrlochauskleidüng berechnet werden, indem man Q durch die Querschnittsfläche der Bohrlochauskleidung teilt. Für das Bohrloch mit einem Durchmesser von 76,2 mm ergibt sich eine Geschwindigkeit von 2,2405 m/sec. und für das 152,4 mm Rohr ergibt sich für V 0,5599 m/sec. Demgemäß ist die abwärts gerichtete Geschwindigkeit der Behandlungsflüssigkeit, die erforderlich ist, um die Kugeldichtungen zu den Perforationen zu führen, durch die maximale Bohrlochgeschwindigkeit begrenzt, die eingesetzt werden kann, ohne ein Aufbrechen der Formation zu bewirken.

Wie bereits erwähnt, liegt ein weiterer wesentlicher Faktor darin, die Formationsbehandlung so auszugestalten, daß die Behandlungsflüssigkeit in der Lage ist, die Kugeldichtungen in einer endlichen Zeit durch das Bohrloch abwärts zu führen. Wenn die Kugeldichtungen sich zu langsam durch die Förderleitung abwärts bewegen, können sie sich nicht während der Zeit auf den Perforationen aufsetzen, in welcher die Behandlungsflüssigkeit injiziert wird. Die Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens bedingt daher, daß der relative Abstand, durch welchen die Kugeldichtungen infolge des Auftriebes durch die Behandlungsflüssigkeit steigt, nicht größer ist als die Gesamtlänge des injizierten Behandlungsflüssigkeitsintervalles in der Förderleitung. Die Gesamtlänge des Intervalles der Behandlungsflüssigkeit ist gleich dem Gesamtvolumen der Behandlungsflüssigkeit dividiert durch den Querschnitt der Bohrlochauskleidung. Für die 11 3S6 Liter der Behandlungssäure, die gemäß diesem Beispiel erforderlich Ist (11,354 m ), beträgt die Länge des Flüssigkeiisintervalles 2494 m für das 76,2-mm-Bohrloch und 935 m für das 152₉4-mm-Bohrloch. Die Zeit_s die erforderlich ist, um die gesamte Behandlungsflüssigkeit in die Formation zu injizieren, kann leicht berechnet werden, indem man die Summe der Flüssigkeitsintervallänge und der Tiefe des Bohrloches

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durch die Behandlungsflüssigkeit durch die Bohrlochauskleidung teilt:

Dabei bedeutet

L * die Länge des Flüssigkeitsintervalles, t ■ die Zeit für die Injektion der Flüssigkeit, H - die Bohrlochtiefe (1524 m),

V » die durchschnittliche Geschwindigkeit der Flüssigkeit in der Bohrlochauskleidung.

Die Minimalzeit t . für die Flüssigkeit ist natürlich die

min

Zeit, die erforderlich ist, wenn die Flüssigkeit mit ihrer maximalen Geschwindigkeit V injiziert wird. Bei der Durchführung der erforderlichen Berechnungen ergibt sich für das 76,2-mm-Rohr t . « 1793 see. (etwa 30 Minuten)

und für das 152,4-mm-Rohr t , « 4392 see. (etwa 73 Minuten), ⁷ min

Basierend auf den oben berechneten Injektionszeiten ist die maximale Aufwärtsgeschwindigkeit der Kugeldichtungen die Zeit, die für die Kugeldichtungen erforderlich ist, sich über die Länge des Behandlungsflussigkeitsintervalles nach oben zu bewegen, oder

U « -r , wobei U die maximale Geschwindig-

max t . max

^mi keit der Kugeldichtungen ist.

Nach der entsprechenden Berechnung ergibt sich für U _=v 1,3911 m/sec. für das 76,2-mm-Rohr und 0,2127 m/sec. für das 152,4-mm-Rohr.

Für den taktischen Einsatz des Verfahrens muß jedoch die tatsächliche Aufwärtsgeschwindigkeit der Kugeldichtungen wesentlich geringer sein als U , da man nie ein System so auslegen würde, daß sich die Kugeldichtungen erst auf die Perforationen aufsetzen, nachdem nahezu die gesamte Behandlungsflüssigkeit injiziert worden ist.

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Zweitens wird die Geschwindigkeit der injizierten Behandlungsflüssigkeit etwas geringer als V sein, um im Hinmax

blick auf das Aufbrechen der Formation einen hinreichenden Sicherheitsfaktor zu haben. Wenn man dementsprechend die Erfindung in die Praxis umsetzt, ist die tatsächliche Aufwärtsgeschwindigkeit der Kugeldichtungen innerhalb der Behandlungsflüssigkeit vorzugsweise nicht größer als etwa ^{1/3 von 1}W

Wenn man zur Erläuterung U * 0,25 U einsetzt, sollte die bevorzugte Aufwärtsgeschwindigkeit der Kugeldichtungen nach dem vorliegenden Beispiel nicht größer als 0,3477 m/sec. für die 76,2-mm-Bohrlochauskleidung und nicht größer als 0,0533 m/sec. für die 152,4-mm-Bohrlochauskleidung sein. Wenn man die Größe der zu verwendenden Kugeldichtungen auswählt und die Charakteristika der Behandlungsflüssigkeit kennt (Dichte, Viskosität) ebenso wie die Aufwärtsgeschwindigkeit der Kugeldichtungen (U),kann die Reynolds-Zahl für die Kugeldichtungeη berechnet werden. Die Reynolds-Zahl kann dann verwendet werden, um den Zug-Koeffizienten oder den Reibungsfaktor für die sphärischen Kugeldichtungen bestimmen, der für dieses Beispiel in beiden Fällen etwa 0,44 beträgt, (s. hierzu beispielsweise Perry's Chemical Engineers Hand-book, Fifth Edition, p. 5-62)

Nimmt man ein Newton*sahes Flüssigkeitsverhalten an, so kann die erwünschte Dichte der Kugeldichtungen berechnet werden unter Verwendung der Endgeschwindigkeitsgleichung für eine Kugel. Löst man diese Gleichung nach dem Dichteunterschied auf, so ergibt sich folgendes:

3U² _Pf C_Q

Ap - p_f - p_ß «

g b

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Dabei bedeutet

3 P_-P « Dichte der Behandlungsflüssigkeit, » 1,07 g/cm ,

3 P_B « Dichte der Kugeldichtungen in g/cm , D_ß « 25,4 mm,

g « Gravitationskonstante » 9,81 m/sec. , Cj, » Widerstandsbeiwert für Kugeldichtungen =» 0,44.

Berechnet man 4p unter Verwendung der in Beispiel 1 angegebenen Werte, ergibt sich für Ap 0,171 g/cm , für die 76,2-mm-Bohrlochauskleidung und 0,004 g/cm für die 152,4-mm-Bohrlochauskleidung. Für die Flüssigkeitsdichte von

1,070 g/cm ergeben sich die minimalen Dichten für die Kugeln mit 0,898 und 1,066 g/cm für die 76,2-mm- bzw. 152,4-mm-Rohre. Somit führt,wie in diesem Beispiel erläutert, die Verdoppelung des Rohrdurchmessers von 76,2 mm auf 152,4 mm eine mehr als 40fache Verringerung des berechneten Dichteunterschiedes. Bei der Auslegung der Kugeldichtungen gemäß der Erfindung ist dementsprechend eine sorgfältige Berechnung der Dichte der Kugeldichtungen aufgrund der Eigenschaften des Bohrloches und der Behandlungsflüssigkeit erforderlich. Geringe Unterschiede der Dichte der Kugeldichtungen können einen großen Unterschied hinsichtlich der Wirksamkeit bedeuten. Beispielsweise ist im Fall des 152,4-mm-Rohres die berechnete untere Dichte-

3
grenze 1,066 g/cm und die obere Grenze die Dichte der

3 Behandlungsflüssigkeit, nämlich 1,070 g/cm . Somit ist die Auswahl einer geeigneten aufschwimmenden Kugeldichtung in dieser Situation auf den relativ engen Bereich

3 3

zwischen 1,066 g/cm und 1,070 g/cm beschränkt, d. h.

3 auf eine Differenz von nur 0,004 g/cm .

Ausführunqsbeispiele

1. Eine Südtexas-Sohleverdrängungsbotirung, die in drei Sandsteinintervalle bei etwa 1097 m eingebracht war, wurde mittels des er'findungs-gemaßen Verfahrens behandelt. Die Vorbehandlungsanalyse bestand aus einem In-

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jektionstest,der anzeigte, daß die Bohrung möglicherweise beschädigt war,und einer Temperaturmessung, die anzeigte, daß im wesentlichen die gesamte Flüssigkeit in der obersten der drei Intervalle eintrat.

Die Beschädigung der die Bohrung umgebenden Formation wurde durch eine Säurebehandlung geheilt unter Verwendung von Salzsäure (15 % HCL) und Schlammsäure (12 % HCL) und 3 % HF), wobei Kugeldichtungen eingesetzt wurden, um die Flüssigkeit von dem oberen Bereich in die unteren beiden Zonen abzuleiten. Die Kugeldichtungen

3 wurden in einem Dichtebereich von 1,050 bis 1,060 g/cm ausgewählt. Die Kugeldichtungen mit der erwähnten Dichte wurden so gewählt, daß sie sich leicht durch die Behandlungsflüssigkeiten mit einem Injektionsdurchsatz von

3
0,2386 bis 0,3579 m /min. zu den Perforationen hin transportieren ließen.

Die Behandlung war so ausgelegt, daß 94 der 112 in den drei Intervallen vorhandenen Perforationen abgedichtet werden sollten. Der Behandlungsdurchsatz betrug etwa 0,2982 m /min. und der Druck am Fuß des Bohrloches lag bei etwa 142,8 at, womit der Druck weit unterhalb dem Aufirech^druck dieser Formation lag. Es wurde ein Druckanstieg von bis zu 13,6 at beobachtet, wenn die Kugeldichtungen Perforationen abdichteten und die Säure in noch nicht init Säure behandelte Bereiche einleiteten. Bei Beendigung der Säurebehandlung hatte sich die Injektionsfähigkeit auf 0,5368 m /min. bei 64,6 at Oberflächendruck gesteigert im Gegensatz zu ursprünglich 0,1193 m /min. bei 68 at. Eine nach der Behandlung durchgeführte Temperaturmessung zeigte an, daß alle drei Zonen behandelt worden waren.

2. Bei einem zweiten Test war es erforderlich, die Säurebehandlung der Formation in zwei Förderintervallen in einer Kohleformation durchzuführen, die bei einer Tiefe

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von 4 785 m lag. Die beiden Förderintervalle wurden oben und unten von vorher aufgebrochenen Intervallen flankiert. Unter Einsatz des erfindungsgemäßen Verfahrens konnten mit Hilfe der aufschwimmenden Kugeldichtungen erfolgreich die beiden Zwischenintervalle mit Säure behandelt werden.

Bei dieser Behandlung wurden Kugeldichtungen in einem

3 Dichtebereich von 1,10 bis 1,11 g/cm zusammen mit

ο 28%iger HCL mit einer Dichte von 1,14 g/cm eingesetzt, so daß die Kugeldichtungen in der Behandlungsflüssigkeit aufschwimmen wurden. Die Säure und die Kugeldichtungen wurden so abgestuft, daß 330 Kugeldichtungen für die ersten 13,12 cm der 28%igen HCL zur Verfügung standen, um vorzugsweise die aufgebrochenen Bereiche abzudichten. Zusätzliche 17,90 m³ 28%iger HCL wurden injiziert zusammen mit Kugeldichtungen, um die verbleibenden 82 Perforationen in den zwei. Zonen zu behandeln, die einer Säurebehandlung bedurften. Die Behandlung

3 wurde mit einem Durchsatz von 0,9544 bis 1,5509 m /min.

bei einem Druck am Fuße des Bohrloches von 544 at durchgeführt, wobei diese Bedingungen für die Säurebehandlung in dieser tiefen Kohleformation geeignet waren. Während der Behandlung stieg der Druck am Fuß des Bohrloches kontinuierlich an entsprechend der Abdichtung der Perforationen durch die Kugeldichtungen und die Ableitung der Salzsäure in andere unbehandelte Bereiche.

Im Anschluß an die Behandlung wurde eine Stömungsmessung im unteren Bereich des Bohrloches durchgeführt, um definitiv festzustellen, ob alle Bereiche stimuliert worden waren und laufend förderten. Die Ergebnisse dieser Messung zeigten klar, daß alle Intervalle zur Förderung beitrugen, womit der Beweis erbracht war, daß die Behandlung von den beiden aufgebrochenen Intervallen abgelenkt war, was zu einer er-

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folgreichen Formationsstimulierung der verbleibenden beiden Intervalle führte. Die Gesamtergebnisse zeigten

3 einen Eroduktivitätsanstieg von 334 m pro Tag bei

3
26,5 at auf 549 m pro Tag bei 68 at Förderleitungsdruck.

Obwohl das erfindungsgemäße Verfahren in erster Linie dem Zusammenhang mit einer Säurebehandlung der Formation beschrieben worden ist, soll hier noch einmal herausgestellt werden, daß auch andere Arten von Bohrlochbehandlungen gemäß den Prinzipien der Erfindung durchgeführt werden können. So kann beispielsweise jedes andere Bohrlochbehandlungsverfahren durchgeführt werden, bei welchem die Trägerflüssigkeit die Kugeldichtungen zu den Perforationen der Bohrlochauskleidung hinführt. Beispiele hierfür sind Lösungsmittelstimulierungsbehandlungen, Tensidstimulierungsbehandlungen, Inhibitorinjektionsbehandlungen, Öl-, Wasseroder Emulsionsinjektionen und andere Arten von Zementeinspritzverfahren. Hieraus wird deutlich, daß die in der Beschreibung angegebenen Beispiele lediglich der Erläuterung dienen.

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Claims

PATENTANWÄLTE DR. KARL TH. HEGEL · DIPL.-ING. KLAUS DICKEL GROSSE BERGSTRASSE 223 2000 HAMBURG 50 JULIUS-KREIS-STRASSE 33 8000 MÜNCHEN POSTFACH 500662 TELEFON (040) 396295 TELEFON (089) 885210 Γ π 283847? Telegramm-Adresse: Deollnerpatent München Ihr Zeichen: Unser Zeichen: H 2881 8000 München, den 18. Augs. 1978 Exxon Production Research Company P. O. Box 2189 Houston, Tex*as 77001 V. St. A. Verfahren zur Behandlung einer unterirdischen Formation, die eine mit Perforationen versehene Bohrlochauskleidung umgibt PATENTANSPRÜCHE

1. Verfahren zur Behandlung einer unterirdischen Formation, die eine mit Perforationen versehene Bohrlochauskleidung umgibt, dadurch gekennzeichnet, daß man in die Bohrlochauskleidung eine Trägerflüssigkeit injiziert, die Kugeldichtungen enthält, deren Dichte geringer ist als dieje-

Postscheckkonto: Hamburg 291220-205 · Bank: Dresdner Bank AG. Hamburg, Kto.-Nr. 3813897

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nige der Trägerflüssigkeit, wobei die Flüssigkeit mit einem Durchsatz injiziert wird, der unterhalb desjenigen liegt, der die Formation um die Bohrlochauskleidung aufbrechen würde, und einer Geschwindigkeit, die ausreicht, um die Kugeldichtungen entgegen der Auftriebskraft nach unten zu den abzudichtenden Perforationen zu führen.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß man als Trägerflüssigkeit eine Behandlungsflüssigkeit injiziert, die durch die nicht abgedichteten Perforationen in die Formation einfließt.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Behandlungsflüssigkeit eine Säure enthält.

4. "Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß man die Kugeldichtungen den Perforationen mit einer Geschwindigkeit zuführt, die ein Aufsetzen auf den Perforationen innerhalb der Zeit ermöglicht, die erforderlich ist, um die Trä-gerflüssigkeit zu injizieren.

5. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß man den abwärts gerichteten Transport der Kugeldichtungen solange aufrechterhält, bis sie sich auf der vorgegebenen Anzahl abzudichtender Perforationen aufgesetzt haben.

6. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Aufsetzwirkungsgrad der Kugeldichtungen auf die abzudichtenden Perforationen 100 % beträgt.

7. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnetj daß man zunächst die Trägerflüssigkeit mit einem Durchsatz in die Bohrlochauskleidung injiziert, der geringer ist als derjenige, der die Formation auf-

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brechen würde, und anschließend der Trägerflüssigkeit Kugeldichtungen beigibt, deren Dichte geringer ist als diejenige der Trägerflüssigkeit, wobei man die Auftriebskraft durch die abwärtsgerichtete Geschwindigkeit der. Tragerflussigkeit überwindet und die Kugeldichtungen den Perforationen zuführt.

8. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die relative Aufwärtsgeschwindigkeit der Kugeldichtungen nicht größer ist als etwa 1/3 der Abwärtsgeschwindigkeit der Trägerflüssigkeit.

9. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß man nach dem Aufsetzen der Kugeldichtungen auf die Perforationen die Injektion der Säure enthaltenden Flüssigkeit fortsetzt, die über die nicht abgedichteten Perforationen in die Formation zu deren Behandlung abgeleitet wird.

10. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß man nach dem Einbringen der Kugeldichtungen die Mengeninjektion der Trägerflüssigkeit fortsetzt bis einige der Kugeldichtungen sich auf Perforationen in einem' perforierten Bereich aufgesetzt haben, worauf der Mengenstrom der Tragerflussigkeit verringert und die auf die Kugeldichtungen wirkende abwärtsgerichtete Kraft soweit verringert wird, daß die Auftriebskraft der Kugeldichtungen überwiegt, wodurch diese bis auf ein Niveau angehoben werden, in welchem die von der Flüssigkeit übertragenen Kräfte hinreichend groß sind, um die Kugeldichtungen auf nicht abgedichtete Perforationen aufzusetzen.