DE2838479C2 - Verfahren zur Behandlung einer unterirdischen Formation, die eine mit Perforationen versehene Bohrlochauskleidung umgibt - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Behandlung einer unterirdischen Formation, die eine mit Perforationen versehene Bohrlochauskleidung umgibt, wobei man Kugeidichtungen. deren Dichte geringer ist als die Dichte der Trägerflüssigkeit, mit dieser Flüssigkeit in das Bohrloch einführt.

Ein solches Verfahren ist aus der US-PS 27 54 910 bekannt. Hierbei handelt es sich um ein Verfahren zum Aufbrechen der Formationen durch die Injektion einer Flüssigkeit unter hohem Druck. Die Flüssigkeit wird dabei unter ansteigendem Druck in das Bohrloch eingeführt, bis der Berstdruck für die Formation erreicht ist. Zum Zeitpunkt des Aufbrechens der Formation werden die Kugeldicb'jjngen der Flüssigkeit beigegeben und setzen sich bei abfallendem Druck durch das Druckdifferential der in die Formation einströmenden Flüssigkeit auf die Perforationen auf.

Demgegenüber liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, das eingangs genannte Verfahren derart auszugestalten, daß ein Abdichten der Perforationen durch die Kugeldichtungen mit einem hohen Aufsetzwirkungsgrad möglich ist. ohne daß ein Aufbrechen der Formation eintritt.

Gelöst wird diese Aufgabe gemäß der Erfindung durch die im Kennzeichen des Hauptanspruches angegebenen Merkmale. Bezüglich bevorzugter Ausführungsformen des erfindungsgemälien Verfahrens wird auf die Merkmale der Unteransprüche verwiesen.

Nach der Erfindung injiziert man die die Kugeldichtungen enthaltende Trägerflüssigkeit mit einem Durchsatz, der unterhalb desjenigen liegt, der die Formation um die Bohrlochauskleidung aufbrechen würde und mit einer Geschwindigkeit, die ausreicht, um die Kugeldichtungen entgegen der Auftriebskraft nach unten zu den abzudichtenden Perforationen zu führen.

Hierdurch läßt sich in einer optimalen Weise ein I00°/oiger Aufsetzwirkungsgrad erzielen, d.h., jede injizierte Kugeldichtung setzt sich auf eine nicht abgedichtete Perforation auf und verschließt diese.

Nach der Behandlung der Kohlenwasserstoff führenden Formation gleicht man den Druck der Flüssigkeit innerhalb der Bohrlochauskleidung aus, womit die Kugeldichtungen von den Perforationen, 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 sein, um die Kugeldichtungen abzusondern, bevor sie Einrichtungsgegenstände erreichen, die sie verstopfen oder beschädigen können.

Einzelheiten werden durch die nachfolgende Beschreibung der Erfindung anhand verschiedener Beispiele unter Bezugnahme auf die Zeichnungen deutlich. Dabei zeigt im einzelnen

Fig. I einen Vertikalschnitt durch eine Bohrung, in

welcher das erfindungsgemäße Verfahren eingesetzt wird,

Fig.2 die Darstellung eines Bohrlochkopfes zur Steuerung des Kohlenwasserstoffstromes aus dem Bohrloch einschließlich eines teilweise aufgeschnittenen Kugeifängers zur Aussonderung der Kugeldichtungen,

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

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

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

Der Einsatz des erfindungsgemäßen Verfahrens ist anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispieles in Fig.! dargestellt- Das in F i g. 1 gezeigte Bohrloch 1 ist mit einer Bohrlochauskleidung 2 versehen, iie bis zum Fuß der Bohrung läuft und mit einer Betonumhüllung außen umgeben ist, 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 der fördernden Formation 5. Um die Kohlenwasserstoffe aus der produzierenden Formation 5 zu fördern oder abziehen zu können, ist es erforderlich, eine Verbindung zwischen der produzierenden Formation 5 und dem Inneren der Bohrlochauskleidung 2 herzustellen. Dies wird über Perforationen 4 erzielt, die durch die Bohrlochauskleidung 2 und die Zementumhüllung 3 mit Hilfe eines hinlänglich bekannten Strahl- oder Schußgerätes eingebracht werden.

Die aus der fördernden Formation 5 durch die Perforationen 4 in das Innere der Bohrlochauskleidung 2 einströmenden Kohlenwasserstoffe werden über eine Förderleitu-g 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 Fäuen auch das gesamte innere Volumen der Bohrlochauskleidung ausgenutzt, um die Kohlenwasserstoffe zur Erdoberfläche zu führen.

Wenn in der Vergangenheit Kugeldichtungen zur Ableitung während eir.es Formationsaufbrechvorganges eingesetzt werden sollten, wählte man meist Kugeldichtungen mit eir.er größeren Dichte als die Dichte der Behandlungsflüssigkeit aus. Es soll zunächst zum besseren Verständnis der Erfindung der Aufsetzmechanismus dieser herkömmlichen Kugeldichtungen untersucht werden. Die Geschwindigkeit der Kugeldichtungen mit einer größeren Dichte als diejenige der Flüssigkeit in dem Bohrloch besteht aus zwei Komponenten. Jede Kugeidichtung besitzt eine »Sink«-Geschwindigkeit, die auf der Differenz der Dichten zwischen der Kugeidichtung und der Flüssigkeit beruht und jeweils als vertikal abwärts gerichtete Geschwindigkeitskomponente vorliegt. Die zweite Komponente der Geschwindigkeit der Kugeldichte beruht auf den Zugkräften, die von der sich um die Kugeldichtung bewegenden Flüssigkeit auf die Kugeidichtung übertragen wird. Diese Geserwindigkeitskomponente liegt in

der Richtung der Flüssigkeitsströmung. Innerhalb der Förderleitung und innerhalb der Bohrlochauskleidung oberhalb der Perforationen wird die Geschwindigkeitskomponeiite, die auf der Flüssigkeitsströmung beruiit, 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 Kugeidichtung nicht auf eine Perforation zieht, bevor die Kugeidichtung an der niedrigsten Perforation vorbeisinkt, fällt die Kugeldichtung lediglich in den Bereich des Rattenloches 8 am ■ Fuße des Bohrloches ab, wo sie verbleibt.

Bei der Erfindung werden Kugeldichtungen 10 verwendet, deren Dichte geringer ist als diejenige der Behandiungsflüssigkeit. Innerhalb ries Bohrloches besitzt jede Kugeldichtung eine Geschwindigkeit, die aus zwei Komponenten besteht. Die ers\e Geschwindigkeitskomponente ist senkrecht nach oben als »Steig«- Geschwindigkeit gerichtet und beruht auf dem Auftrieb der Kugeldichtung in der Flüssigkeit. Die zweite Gescliwindigkeitskomponente 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 Bohrlochauskleidung 2 oberhalb der Perforation 4 ausreicht, urn eine Kraft auf die Kugeldichtungen zu übertragen, die größer isi 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 die bei dem erfindungsgemäßen Verfahren verwendeten Kugeldichtungen eingesetzt werden, setzen sie sich niemals in dem Bereich de" Rattenloches 8 ab. Das bedeutet, daß unterhalb der untersten Perforation, durch welches 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 Auftriebkräfte auf die Kugcldichtung in diesem Bereich. Dementsprechend ist bei dem erfindungsgemäßen Verfahren die Vertikalgeschwindigkeit einer jeden Kugeldichtung eine Funktion der vertikalen Posttim innerhalb der Bohrlochauskleidung. Unterhalb der untersten Perforation und möglicherweise höher, wenn nur wenig Flüssigkeit abwärts und durch die unteren Perforationen fließt, ist die resultierende Vertikalgeschwindigkeit einer jeden Kugeldichtung aufwärts gerichtet aufgrund des Überwiegens der Auftriebskraft übe r 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.

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 Kugeldichtungcn 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 Kugeidichtungen sich auf einige der Perforationen aufsetzen, wobei es sich hier normalerweise um die Perforationen handelt, die ein überdurchschnittlich hiohes 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 Ein Kugelfänger 30. der diese Aufgabe erfüllt, ist in Fi g. 2 dargestellt.

Die F i g. 2 zeigt eine typische Ausbildung einer Bohrlochkopfeinrichtung für eine Förderbohrung. Die Bohrlochausklcidung 2 erstreckt sich ein wenig bis über das Bodenniveau und halt die Bohrlocheinfassung oder den »Vielfachanschluß« 20. Die Förderleitung 6 befindet sich innerhalb der Bohrlochauskleidung 2 und stellt eine Verbindung zu eiern 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 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 Füiucruiig aus uei Building iiieöi uuicii das T 25 und seitlich über das Seitenventil 23 ab. Das Seitenventil 23 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 Drosselstcllc 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 Transportierung zugeführt.

Bei dem Kugelfänger 30 handelt es sich im wesentlichen um ein T mit einem Ablenkeinsatz 34, der ein Ablenkgitter 35 trägt, der am stromabwärtigen Ende des T eingesetzt ist. Das Ablenkgitter 35 gestattet, einen Flüssigkeitsdurchstrom ohne Gegenstände in der Größe

[>A..r_A_...:*~.~ .«xfr.Ai ...:_*J fr.u..· Λ'·η nn^u ....·»_ Aar K11 iiaM ΐ/*Η 11 ιπαρπ Ht irr*h 7i ilaccpn Vn^iicrcu/oic«» ict t-itviatiuii KUWtIIiUt miu, mutt utu itat.ii utituii *.*.. .«uqv·«-.«.··.».*»«■·· · -— *·- - — · ——o" " ~·-— *-*·

gerichtete Strömung und die sich hieraus ergebende Kraft die Kugeldichtungen zu den unteren Perforatio- w nen 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.

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 >o 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, lösen sich alle Kugeldichtungen von den Perforationen und wandern aufwärts. Es sollte dementsprechend eine Einrichtung vorgesehen sein, um die Kugeldichtungen anszusondern, bevor sie Einrichtungsgegenstände durchlaufen, die hierdurch verstopft oder beschädigt werden können.

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 33 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 besit7*n, die größer als diejenige der Behandlungsflüssigkeit ist, und wenn die Kugeldichtungen 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 cm langes Plexiglas-(Lucite-)Rohr mit einem Durchmesser von 76,2 mm, das einen Abschnitt der Bohrlochauskieidung 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 einer. Durchmesser von 9,5 mm und einen mittigen Abstand von 50,8 mm.

Ein 90°-Knie wurde an dem oberen Ende des

Luciie-Rohres befestigt und über eine Förderleitung ;in eine Pumpe angeschlossen. Die Pumpe zog Flüssigkeit von einem Reservoir ;ib 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.

Ur.^p die Kugeldichiungen 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 l.ucite-Rohr durch das Rohr mit dem Durchmesser von 25.4 mm eingeführt.

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

Während der ersten Phase der Versuchsdurchführung wurde Wasser mit einer Dichte von 1,0g/cm^J als Flüssigkeit eingesetzt. Starre Kugeldichtungen wurden aus vier verschiedenen Materialien mit unterschiedlichen Dichten hergestellt. Die Kugeln besaßen jeweils einen Durchmesser von 19,1 mm und waren aus Polypropylen (Dichte 0,84 bis 0,86 g/cm³). Nylon, (Dichte 1,11 g/cm³), Acetal (Dichte 1,39 g/cm³) bzw. Teflon (Dichte 2,17 g/cm³) hergestellt. Diese Kügeldichtungen besaßen keinen elastomeren Überzug, wogegen in der Praxis Kugeldichiungen 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 Abdichicharakierisiika. 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 Wasser das 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.

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 Aufsetzwsrkangsgrad über dem Durchsatz für alle zu untersuchenden Kugeldichtungen aufzutragen. Die Werte dieser Regressionskurven

wurden dann verwendet, um die grafische Darstellung gemäß Fig. 3 aufzuzeichnen. Die grafische Darstellung gemäß F i g. 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 F i g. 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/cm³) bei 100% bis herab zu einem Durchsatz von etwa 0,9465 l/sec. Unter diesem Durchsatz fällt der Aufsetzwirkungsgrad auf 0% ab. Wie zu einem späteren Zeitpunkt noch diskutiert und erläutert werden wird, sich Veränderungen in dem Dichteunterschied erforderlich, um einen Aufsetzwirkungsgrad von 100% bei Durchsetzen von unter 0,9465 l/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 sind, darin, daß der Aufsetzwirkungsgrad bei den Behandlungsdurchsätzen sehr gering ist. Die Fig. 3 bestätigt diese Annahme für Kugeldichtungen mit einer Dichte, die größer ist als diejenige der Behandlungsflüssigkeit. Ein Gesamtdurchsatz von unter 1,5775 l/sec, der einem Durchsatz von etwa 0,3155 l/sec 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 statistisches Phänomen ist, liegt dementsprechend immer die Möglichkeit vor, daß zuwenige ode/ zuviele Kugeldichtungen sich aufsetzen, um die angestrebte Ableitung zu erzielen. Nichtsdestoweniger 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 Kiigeldichtungen. Wie bereits oben erwähnt wurde, liegt der Aufsetzwirkungsgrad von Kugeldichtungen mit einer Dichte von 0,84 g/cm³ bei 100% bei Durchsetzen von oberhalb 03465 l/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 Kueeldiehtmnren

eine abwärts gerichtete Kraft zu übertragen, die größer ist als der auf die Kugcldichtungcn wirkende aufwärts gerichtete Auftrieb. Wenn mit anderen Worten der abwärts gerichtete Flüssigkeitsstrom innerhalb der Bohrlochauskleidung ausreicht, um die Kugcldichtungcn nach unten zu den Perforationen zu führen, setzen sie sich stets auf. Der Sprung des Aufsetzwirkungsgrades von auischwinn·.enden Ku^xIn von 0% auf 100% bei etwa 0.9465 i.-see 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 0.9b45 l/scc 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. Andererseits setzen sich die Kugeln immer auf. wenn der abwärts gerichtete Flüssigkeitsstrom innerhalb der Bohrlochauskleidung

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. Fig.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 Dichteunterschied bedeutet, daß die Dichte der Kugeldichtungen geringer ist als die Dichte der Flüssigkeit. Υλ folgt hieraus, daß der normalisierte Dichteunterschied von 0 bedeutet, daß die Kugeldichtung und die Flüssigkeit die gleiche Dichte besitzen. Die grafische Darstellung gemäß F i g. 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 Gleichgewichtsposition 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 13 g/cm³, woraus sich die Kurve gemäß F i g. 4 ergab.

Die aufgezogene 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 F i g. 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 Fig.4 dargestellten Linie übt die Flüssigkeit innerhalb der Bohrlochauskleidung eine Kraft auf die Kugeldichtungen aus. die größei ist als die Auftriebskraft, die auf die Kugeldichtungen wirkt. Dementsprechend werden die Kugeldichtungcn durch das Bohrloch abwärts geführt. Alle Punkte auf der Linie und darunter entsprechen einem normalisierten Dichteunterschied und einer bestimmten Bohrlochgeschwindigkeit der Flüssigkeit, die zu einem Aufsetzwirkungsgrad von 0°/o führt, da die Kugcldichtungcn nicht abwärts zu den Perforationen geführt werden. Wenn jedoch der normalisierte Dichteunterschied und die Bohrlochgeschwindigkeit der Flüssigkeit einen Punkt definieren, der oberhalb der in F i g. 4 aufgezeichneten Linie entspricht, wird der Aufsetzwirkungsgrad stets 100% sein, da die Kugcldichtungcn 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 Fliissigkeitsgeschwindigkcit innerhalb;

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 /u 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

μ 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 Bohrlochauskieidung besitzen kann, um ■ die auftreibenden Kugeldichtungen durch das Bohrloch abwärts zu führen, kann es hierzu einer übermäßig langen Zeit bedürfen. Dementsprechend liegt ein hegrenzender Faktor in der Menge an Behandlungsflüssigkeit. die die Kugeldichtungen bis zu den

i" Perforationen abwärts führt. Für die Erfindung ist wesentlich, daß sich die Kugeln aufsetzen müssen, bevor die gesamte Behandlungsflüssigkeit durch d> Perforationen injiziert ist. Vorzugsweise sollten sich die Kugeldichtungen in einem frühen oder einem mittleren

■ · Stadium des Injektionsverfahrens aufsetzen. Somit kann der Auftrieb der Kugeldichtungen 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

5i> Bohrloch injiziert wird. Dieses Konzept und die hierdurch entstehenden Beschränkungen werde ι in dem Ausführungsbeispiel noch weiter erläutert.

Als Abschlußtest für den Aufsetzwirkungsgrad der Kugeldichtungen mit unterschiedlicher Dichte wi rden

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 als simulierte Bohrlochauskleidung eingesetzt Der Durchsatz an Trägerflüssigkeit wurde konstant bei 03465 1/sec oder 0,0947 1/sec pro Perforation gehalten. Dieser Durchsatz wurde als typisch für

e5 eine Formationsbehandlung festgelegt Während der Untersuchungen wurden die Dichten der Behandlungsflüssigkeit verändert und es wurden Kugeldichtungen mit unterschiedlicher Dichte ausgewählt, so daß man

I 1

einen rcliitiv breiten Bereich normalisierter Dichteunterschiede zwischen -0.27UnU +0.08 Ci hielt.

Die Ergebnisse dieser Versuche sind in F i g. 5 dargestellt, die eine Kurve des Aufsetzwirkungsgrades, aufgetragen über dem normalisierten Dichteurrterschied für einen konstanten Durchsatz von 0.9465 l/sec zeigt. Wie aus den weiter oben beschriebenen Versuchen /u 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 F i g. 3 dargestellten überein. wonach die Kugeldiehtungen mit einer Dichte von 2,17 g/cn.¹' einen merklich geringeren Aufset/wirkungsgrad besaßen als die Kugeldichiungen mit einer Dichte von 1.11 g/cm^J oder 1.34 g/cm¹ bei vergleichbaren Durchsalzen.

Von größerer Bedeutung sind die in F i g. 5 dartjesii-llten UntersucHiingsergebnissc für die Kugeldiehtungen mit einem negativen Dichteunterschiec. Für einen normalisierten Dichteunterschied von weniger als 0.00, jedoch großer als etwa -0.15 erreichten die Kugeldichtungen einen Aufsetzwirkungsgrad von H)O¹Iu. Die F i g. 5 zeigt, daß ein Bereich von Dichten tier Kugeidichtungen einen Aulsetzwirkungsgrad 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 Aufsetz.wirkungsgrad von 0% führte.

Die experimentellen Ergebnisse stützen gründlich die in F i g. 3 dargestellten Ergebnisse für auftreibende Kugeidichtungen mit einer Dichte von 0.84 g/cm¹. Die Kugeldichtung, die einen normalisierten Dichteunterschied von —0.16 besaß, erziehe einen Aufsetzwirkungsgrad von 100% unterhalb der Flüssigkeitsdurchsätze von etwa 0.9654 l-'sec. Unterhalb dieses Durchsatzes war der Aufsetzwirkungsgrad 0. Dies Ergebnis stimmt mit F i g. 5 überein. die einen Aufsetzwirkungsgrad von 0% für einen Dichteunterschied von 0,16 bei einem vorgegebenen Durchsatz von 0,9465 l/sec zeigt.

Es liegt eine besondere Situation vor. wenn der normalisierte Dichteunterschied 0 ist. Wie bereits oben erwähnt, ist der normalisierte Dichteunterschied 0. wenn die Dichte der Kugeidichtungen die gleiche ist wie diejenige der Flüssigkeit. Es wurden keine Versuche durchgeführt, bei welchen die Kugeldichtungen genau die gleiche Dichte wie die Flüssigkeit besaßen, jedoch der Trend der Werte /.eigt an, daß der Aufsetzwirkungsgrad für einen normalisierten Dichteunterschied von 0 etwas geringer als 100% ist. Wie die F i g. 5 zeigt, ist der Aufsetzwirkungsgrad bei einem normalisierten Dichteunterschied, der sich 0,00 g/cm³ 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 Beharrungs-Vermögens das Niveau der niedrigsten Perforation noch unterscheidet. Kugeldichtungen mit einem Dichteunterschied von 0 können, wenn sie aufgrund ihres Beharrungsvermögens an der tiefsten Perforation vorbeigemhn werden, in dem Rattenloch schwebend verbleiben, ohne daß sie sich aufsetze!., wenn der Flüssigkeitsstrom durch die Bohrlochauskleidung abwärts und die Perforationen keine hinreichende Turbulenz unterhalb der untersten Perforation erzeug: um die Kugeldichtung in irgendeiner Weise aufwärts zu führen. Diese Situation ist, wie eindeutig in F i g. 5 dargestellt ist. nicht möglich, wenn die Kugeidichtungen 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 Ausführungsbeispi.¹ der Säurebehandlung einer Formation unter Verwertung der bei der Erfindung verwendeten Kugeldichtun .-en erläutert werden. Dabei soll angenommen werdci . daß zwei Bohrungen, von denen eine eine Bohrlochauskleidung mit einem inneren Durchmesser von 7b,2 mm und die andere mit einer Bohrlochauskleidung von 152.4 Innendurchmesser mit Säure behandelt werden sollen, lede Bohrung besitzt einen breiten Formationsbereich

<'' in dem Förderabschnitt, wobei die Perforationen selektiv abgedichtet werden sollen unter Einsatz des Kugelabdichtungsverfahrens gemäß der Erfindung, um sicherzustellen, daß alle Perforationen an ücr Säurebehandlung teilhaben. Die Charakieristika der Bohrungen

>'· sind identisch wie folgt:

Formation: .Sandstein
Behandlungssäure: ! I 355 Liter einer

HCL- HFSchkimi'isäure
^:" Bohrlochliefe (H): 1 324 Meter

Formationspermeabilität (k)=50 Millidarci Länge des perforierten Bereiches (h): 11.4 m Frakturgradient (FG) = 0.1338 afm Bohrlochfußdruck (P_b)= FG χ H -"> =(0.1338 ai/m >; 1524 m = 203.9 at)

Reservoirdruck (P,-)= 68 at
Säuredichte (pi)= 1.03OgZCm¹ Säureviskosität am Bohrlochfuß (μ) = 0.78 Zentipoise

>'^! Drainageradius der Bohrung (r_c)= 201 m

durchschnittlicher Bohrlochradius (r») = 0,057 m

Für den praktischen Einsatz einer Formationssäure- behandlung ist ein Schlüsselfaktor, daß der Injektions druck 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, nämüch

_ 4.917 x IQ-⁶ArA (P_b -P_r) μ In (/·,//·».;

wobei Qotx der maximale Injektionsdurchsatz ist.

Setzt man nun die bekannten Informationen in die oben angegebene Gleichung von Darcy ein, so kann

leicht bestimmt werden, daß Q_00x=ISt 3,8.5 Barrel pro Minute oder 611,75 I/min.

Aufgrund dieses maximalen Injektionsdurchsatzes kann die maximale durchschnittliche Strömungsgeschwindigkeit (V_m~J durch die Bohrlochauskleidung berechnet werden. Indem man Qm_3x durch die Querschnittsfläche der Bohrlochauskleidung teilt. Für das Bohrloch mit einem Durchmesser von 76,2 mm ergibt sich eine Geschwindigkeit von 22405 m/sec und für das 152,4 mm Rohr ergibt sich für V_n^, 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 Kugeluiehlungen sidh zu langsam durch die Förderleitung abwärts bewegen, können sie sich nicht während der Zeit auf den Perforationen aufsetzen, in welcher die Behänd lungsflüssigkeit 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 11 346 Liter der Behandlungssäure, die gemäß diesem Beispiel erforderlich ist (11354 m³), beträgt die Länge des Flüssigkeitsintervalles 2494 m für das 76,2-mm-Bohrloch und 935 m für das I52,4-mm-Bohrloch. Die Zeit, die erforderlich ist, um die gesamte Behandlungsflüssigkeit in die Formation zu injizieren, kann leicht berechnet werden, indem man die Summe der Flüssigkeitsintervalllänge und der Tiefe des Bohrloches durch die Behandlungsflüssigkeit durch die Bohrlochauskleidung teilt:

L + H

Dabei bedeutet

L =· die Länge des Flüssigkeitsintervalles, / = die Zeit für die Injektion der Flüssigkeit, H = die Bohrlochtiefe (1524 m), V - die durchschnittliche Geschwindigkeit der Flüssigkeit in der Bohrlochauskleidung.

Die Minimalzeit f_m;„ für die Flüssigkeit ist natürlich die Zeit, die erforderlich ist, wenn die Flüssigkeit mit ihrer maximalen Geschwindigkeit V_m„ injiziert wird. Bei der Durchführung der erforderlichen Berechnungen ergibt sich für das 76,2-mm-Rohr i_m/_n= 1793 see (etwa 30 Minuten) und für das 152,4-mm-Rohr f_m,„ = 4392sec (etwa 73 Minuten).

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 Behandlungsflüssigkeitsintervalles nach oben zu bewegen, oder

wobei Umax die maximale Geschwindigkeit der

Kugeldichtungen ist.

Nach der entsprechenden Berechnung ergibt sich für Unax 13911 m/sec für das 76,2-mm-Rohr und 0,2127 m/sec für das 152,4-mm-Rohr.

Für den taktischen Einsatz des Veiiahrens muß

ίο jedoch die tatsächliche Aufwärtsgeschwindigkeit der Kugeldichtungen wesentlich geringer sein als Unax, 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.

Zweitens wird die Geschwindigkeit der injizierten Behandlungsflüssigkeit etwas geringer als V_m, sein, um im Hinblick auf das Aufbrechen der Formation einen hinreichenden Sicherheitsfaktor zu haben. Wenn man dementsprechend die Erfindung in die Praxis umsetzt, ist die tälsächliche Aufwärisgesehwinuigkeii der Kugeldichtungen innerhalb der Behandlungsflüssigkeit vorzugsweise nicht größer als etwa 1/3 von Una,.

Wenn man zur Erläuterung U= 025 U_n^_x einsetzt.

sollte die bevorzugte Aufwärtsgeschwindigkeit der Kugeldichtungen nach dem vorliegenden Beispiel nicht größer als 03477 m/sec für die 76^-mm-Bohrlochauskleidung und nicht größer als 0,0533 m/sec für die 152,4-mm-Bohrlochauskleidung sein. Wenn man die

JO Größe der zu verwendenden Kugeldichtungen auswählt und die Charakteristika der Behandlungsflüssigkeit kennt (Dichte, Viskosität) ebenso wie die Aufwärtsgesenwindigkeit der Kugeldichtungen (U), kann die Reynolds-Zahl für die Kugeldichtungen berechnet

■J5 werden. Die Reynolds-Zahl kann dann verwendet werden, um den Zug-Koeffizienten oder den Reibungsfaktor für die sphärischen Kugeldichtungen zu bestimmen, der für dieses Beispiel in beiden Fällen etwa 0.44 beträgt (s. hierzu beispielsweise Perry's Chemical

•w Engineers Hand-book, Fifth Edition, p. 5-62).

Nimmt man ein Newtonsches 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:

_A - 3 U¹PrC₀

' ^{P/ PB} 4,Z)₄ ■

Dabei bedeutet

pe Db g

Dichte der Behandlungsflüssigkeit -1,07 g/ cm⁵,

Dichte der Kugeldichtungen in g/cm³, 25,4 mm,

Gravitationskonstante - 9,81 m/sec², Widerstandsbeiwert für Kugeldichtungen — 0,44.

Berechnet man Δρ unter Verwendung der in Beispiel I angegebenen Werte,ergibt sich fürΔρΟ,\7\ g/cm³,für die 76,2-mm-Bohrlochauskleidung und 0,004 g/cm³ für die 152,4-mm-Bohrlochauskleidung. Für die Flüssigb5 keitsdichte von 1,070 g/cm³ ergeben sich die minimalen Dichten für die Kugeln mit 0,898 und 1,066 g/cm³ 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 Dichtegrenze 1,066 g/cm³ und die obere Grenze die Dichte der Behandlungsflüssigkeit, nämlich 1,070 g/cm³. Somit ist die Auswahl einer geeigneten aufschwimmenden Kugeldichtung in dieser Situation auf den relativ engen Bereich zwischen 1,066g/cm³ und 1,070g/cm³ beschränkt, d.h. auf eine Differenz von nur 0,004 g/cm³.

Ausführungsbeispiele

20

I. Eine Südtexas-Sole-Versatzbohrung, die in drei Sandsteinintervalle bei etwa 1097 m eingebracht war, wurde mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens behandelt. Die Vorbehandlungsanalyse be- stand aus einem Injektionstest, 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 jo

Die Beschädigung der die Bohrung umgebenden Formation wurde durch eine Säurebehandlung geheilt unter Verwendung von Salzsäure (15% HCI) 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 wurden in einem Dichtebereich von 1,050 bis 1,060 g/cm³ ausgewählt. Die Kugeldichtungen mit der erwähnten Dichte wurden so gewählt, daß sie sich leicht durch die Behandlungsflüssigkeiten mit einem Injektionsdurchsatz von 0,2386 bis 03579 m³/min zu den Perforationen hin transportieren ließen.

Die Behandlung war so ausgelegt, daß 94 der I! 2 in 4 > den drei Intervallen vorhandenen Perforationen abgedichtet werden sollten. Der Behandlungsdurchsatz betrug etwa 0382 nvVmin, und der Druck am Fuß des Bohrloches lag bei etwa 142,8 at. womit der Druck weit unterhalb dem Aufbrechdruck 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 mit Säure behandelte Bereiche einleiteten. Bei Beendigung der Säurebehandlung hatte sich die Injektionsfähigkeit auf 0,5368 mVmin bei 64,6 at Oberflächendruck gesteigert im Gegensatz zu ursprünglich 0,1193m³/min bei 68 at. Eine nach der Behandlung durchgeführte Temperaturmessung zeigte an, daß alle drei Zonen f>o 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 von 4785 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 Dichtebereich von 1,10 bis 1,11 g/cm³ zusammen mit 28%iger HCL mit einer Dichte von 1,14 g/cm³ eingesetzt, so daß die Kugeidichtungen in der Behandlungsflüssigkeit aufschwimmen würden. Die Säure und die Kugeldichtungen wurden so abgestuft, daß 330 Kugeldichtungen für die ersten 13,12 cm der 28%igen HCL zur Verfugung standen, um vorzugsweise die aufgebrochenen Bereiche abzudichten. Zusätzliche 1730 m³ 28%iger HCL wurden injiziert zusammen mit Kugeidichtungen, um die verbleibenden 82 Perforationen in den zwei Zonen zu behandeln, die einer Säurebehandlung bedurften. Die Behandlung wurde mit einem Durchsatz von 03544 bis 1,5509 mVmin 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 Strömungsmessung 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 erfolgreichen Formationsstimulierung der verbleibenden beiden Intervalle führte. Die Gesamtergebnisse zeigten einen Produktivitätsanstieg von 334 m³ pro Tag bei 26^ at auf 549 m³bei 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-, Wasser- oder Emulsionsinjektionen und Zementeinspritzverfahren.

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

Claims (10)

Patentansprüche:

1. Verfahren zur Behandlung einer unterirdischen Formation, die eine mit Perforationen versehene Bohrlochauskleidung umgibt, wobei man Kugetdichtungen, deren Dichte geringer ist als die Dichte der Trägerflüssigkeit, mit dieser Flüssigkeit in das Bohrloch einführt, dadurch gekennzeichnet, daß man die die Kugeldichtungen enthaltende Trägerflüssigkeit mit einem Durchsatz injiziert, 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 de.i 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 Trägerfiüssigkeit zu injizieren.

5. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gei.ennzei /inet, daß man den abwärts gerichteten Tranf port der Kugeldichtungen solange aufrechterhält, bis sie sie! auf der vorgegebenen Anzahl abzudichtender Perforationen aufgesetzt haben.

6. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß man es so lange durchführt, bis der Aufsetzwirkungsgrad der Kugeldichtungen auf die abzudichtenden Perforationen 100% beträgt.

7. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß man zunächst die Trägerflüssigkeit mit einem Durchsatz in die Bohrlochauskleidung injiziert, der geringer ist als derjenige, der die Formation aufbrechen würde, man anschließend der Trägerflüssigkeit die Kugeldichtungen beigibt und sie 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 Ansprüche 3 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß man nach dem Aufsetzen der Kugeldichtungen auf die Perforationen die Injektion der die Säure enthaltenden Flüssigkeit fortsetzt, die über die nicht abgedichteten f Perforationen in die Formation zu deren Behandlungabgeleitet wird.

10. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß man nach dem Einbringen der Kugeldichtungen die Mengenin- t jektion der Trägerflüssigkeit fortsetzt, bis einige der Kugeldichtungen sich auf Perforationen in einem perforierten Bereich aufgesetzt haben, worauf der Mengenstrom der Trägerflüssigkeit verringert und die auf die Kugeldichtungen wirkende abwärtsgerichtete Kraft so weit 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 aufzuset-