DE2953618C2

DE2953618C2 - Verfahren zur Bestimmung der Zusammensetzung durchbohrter Erdformationen

Info

Publication number: DE2953618C2
Application number: DE2953618T
Authority: DE
Inventors: Stanislav A. Alechin; Tatjana M. Ta&ccaron;kent Bachir; Vitold M. Bachir; Ulmas D. Mamad&ccaron;anov
Original assignee: SREDNEAZIAT NII PRIROD GAZA
Current assignee: SREDNEAZIAT NII PRIROD GAZA
Priority date: 1979-03-26
Filing date: 1979-11-28
Publication date: 1984-06-07
Also published as: WO1980002053A1; BG32500A1; ATA907279A; JPS56500382A; SU908131A1; DE2953618T1; US4347736A; AT378035B

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bestimmung der Zusammensetzung durchbohrter Erdformationen während des Bohrens der Bohrlöcher. Es ist besonders vorteilhaft, die vorliegende Erfindung bei geologischen Erkundungen bi^m Bohren von Erkundungsbohrlöchern zu verwenden. Die Erfindung kann auch erfolgreich im Erdöl- und Gasbergbau beim Bohren von Produktionsbohrungen zur Bestinwnunf der lithologischen Zusammensetzung der durchbohrten Erdformationen Anwendung finden.

Gegenwärtig bestimmt man die lithologische Zusammensetzung der auszubohrenden Gesteine überwiegend durch Aufbohren einer Gesteinsprobe mit einem Kernbohrmeißel und anschließende Analyse ihrer Textur und mineralogischen Zusammensetzung. Ähnliche Methoden sind durch einen hohen Zeit- und Arbeitsauf wand und einen wesentlichen Materialaufwand gekennzeichnet.

Es sind auch Methoden zur Bestimmung der Tektonik, Struktur und Lithologie der Erdformationen anhand von Diagrammen beim elektrischen Kernen gut bekannt. Diese Methoden zeichnen sich ebenfalls durch einen hohen Arbeitsaufwand aus, da es zur Durchführung solcher Untersuchungen während des Bohrens notwendig ist, das Bohrgerät herauszunehmen, die Apparatur an einem Kabel in das Bohrloch herunterzulassen und anschließend auf der Basis der erhaltenen Werte eine Analyse zu erstellen.

Bekannt sind ferner Methoden zur Bestimmung der lithologischen Zusammensetzung der Gesteine anhand der aufgebohrten Schlammteilchen, die mit der Bohrspülung an die Oberfläche hinausgetragen wurden. An Schlammteilchen bestimmt man die Textur und mineralogische Zusammensetzung der vorzutreibenden Gesteine durch Labormethoden. Diese bekannten Methoden zeichnen sich durch eine niedrige Informationsgenauigkeit aus, da es nicht immer bekannt ist, aus welchem ausgebohrten Profil Schlamm erhalten wurde, sowie durch einen langwierigen Untersuchungsprozeß der mineralogischen Zusammensetzung der Schlammpro-

ben.

Aus der US-PS 31 82 735 ist ferner ein Verfahren zur Stabilisierung einer Bohrlochspülung bekannt, das auch als Verfahren zur Bestimmung der Zusammensetzung durchbohrter Erdformationen durch kontinuierliches Messen während des Bohrens durchführbar ist, bei dem das Redoxpotential der in das Bohrloch einzuführenden Bohrlochspülung eingestellt wird, dieses eingestellte Redox-Potential sowie das Redox-Potential der aus dem Bohrloch austretenden Bohrlochspülung gemessen werden, und bei dem man anhand der Größe und der Richtung der Differenz zwischen den Redox-Potentialen für den jeweiligen Zeitpunkt die mineralogische Zusammensetzung der Gesteine der Bohrlochsohle bestimmen kann. Bei diesem Verfahren erfolgt die Einstellung des Redoxpotentials durch Zufügen geeigneter Chemikalien, wobei es erforderlich ist, je nach Zunahme oder Abnahme des Potentials zur Herstellung des gewünschten Werts mindestens zwei Arten von Chemikalien bereitzuhalten. Da diese Chemikalien in dt-r richtigen Menge zugesetzt werden müssen, müssen diese Mengen zuerst aus den gemessenen Potentialdifferenzen errechnet werden. Wegen der Abhängigkeit des eingestellten Ausgangspotentials von der Art und insbesondere auch der Menge der zugesetzten Chemikalien ist ein solches Verfahren nur sehr beschränkt als Bestimmungsverfahren geeignet, bei dem ein festes Basispotential von großem Vorteil ist

Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zur Bestimmung der Zusammensetzung durchbohrter Erdformationen durch kontinuierliches Messen während des Bohrens anzugeben, das durch relativ einfache und schnelle Einstellung des Redox-Potentials der in das Bohrloch einzuführenden Bohrlochspülung auf einen vorgegebenen Wert eine zuverlässige Bestimmung ermöglicht, ohne daß Chemikalien zugesetzt werden müssen.

Diese Aufgabe wird bei einem Verfahren gemäß Oberbegriff durch die im Kennzeichen des Pateutan-Spruchs wiedergegebenen Merkmale gelöst.

Das erfindungsgemäße Verfahren gewährt die Möglichkeit, die Genauigkeit der Bestimmung der lithologischen Zusammensetzung der durchbohrten Erdformationen auf einfache Weise zu erhöhen. Außerdem vereinfacht und beschleunigt das erfindungsgemäße Verfahren die Bestimmung der lithologischen Zusammensetzung der durchbohrten Erdformationen, da es die Durchführung der zeit- und kraftraubenden Operationen zur Kern- oder Schlammentnahme sowie der Operationen, die mit der Durchführung der elektrischen Kernarbeiten verbunden sind, oder den Chemikalienzusatz überflüssig macht.

Nachstehend wird die Erfindung durch ausführliche Beschreibung eines konkreten Ausführungsbeispiels unter Bezug auf Zeichnungen erläutert. Es zeigt

Fig. 1 Abhängigkeit des Redoxpotentials vom Verhältnis der Aktivitäten zwischen der Oxydationsform aox und der Reduktionsform a««/ eines Stoffes;
F i g. 2 Schema des Umlaufs der Bohrspülung bei dem erfindungsgemäßen Verfahren.

Bekanntlich stellt eine Bohrspülung in der allgemeinsten Art ein heterogenes flüssiges System dar mit darin vorhandenen Teilchen einer festen Phase, niedermolekularen Ionen und Polyelektrolyten. Die Zusammensetzung umfaßt Gruppen, die zur Ionisation in der Spülung fähig sind. Das Vorhandensein solcher Bestandteile in der Bohrspülung bedingt, daß diese im Hinblick auf die Qualität der Bohrlochlegung bestimmte Anforderungen

erfüllen muß. Zu den erforderlichen Eigenschaften soll in erster Linie die Fähigkeit der Spülung gerechnet werden, eine minimale physikalisch-chemische Einwirkung auf die Gesteine auszuüben, die die Bohrlochwandungen bilden und möglichst geringe· Störungen der thermodynamischen, chemischen und physikalischen Prozesse, die an der Grenze des Kontakts »Bohrloch — Flöz« vorhanden sind, hervorzurufen. Diese Hauptbedingung erfordert eine Stabilität der Spülung (d. h. der Beibehaltung all ihrer Hauptcharakteristika) bei der Einwirkung von aggressiven Salzen (Salzbeständigkeit).

Polyelektrolyte sind chemische Reagenzien, die zur Stabilisierung der Eigenschaften der Bohrspülungen verwendet werden. Sie schützen die Teilchen und Phasen des dispersen Systems (der Bohrspülung) gegen den schädlichen Einfluß des umgebenden Mediums, den es während des Bohrens verspürt Sie werden an der Oberfläche der Teilchen der festen Phase adsorbiert, indem sie' diese modifizieren, eine Solvathülle bilden und dadurch die Möglichkeit schaffen, die Eigenschaften der festen Oberfläche als die eines zweidimensionalen Makromoleküls des Polyelektrolyten zu betrachten. Die Iyophiien Bereiche der Oberfläche der Teilchen der festen Phase, an denen die Moleküle der Polyelektroiyte nicht adsorbiert sind, ähneln in ihren physikalisch-chemischen Eigenschaften stark den Polyelektrolyten. Wie echte hochpolymere Moleküle haben sie Gruppen, die zur Ionisation in der Spülung fähig sind (Silanolgruppen). Sie sind ebenfalls imstande, an ihrer Oberfläche niedermolekulare Ionen und Moleküle des Hydrationswassers festzuhalten.

Somit ist eine der wichtigsten Bedingungen der Bestimmung der Stabilität der Bohrspülungen die Einschätzung des physikalisch-chemischen Gleichgewichts der Polyelektrolyte in der Bohrspülung.

Die Abmessungen von Polyelektrolytmolekülen und auch deren andere Eigenschaften können sich in einem weitaus breiteren Bereich ändern als bei gewöhnlichen Makromolekülen. Man unterteilt Polyelektrolyte in Poiysäuren, Polybasen und Polyamphotere (Kopolymere, die sich sowohl aus Basengruppen als auch aus Säurengruppen zusammensetzen).

Unter den chemischen Reagenzien, die zur Behandlung der Bohrspülungen verwendet werden, gibt es Vertreter sämtlicher genannter Gruppen. Die Mehrheit der Polyelektrolyte enthält schwache Säure- bzw. Alkaligruppen (z. B. Carboxylgruppen — Carboxymethylzellulose oder Aminogruppen — Hypan). Deshalb können sie nur in Gegenwart einer starken Base (für Polysäuren) oder einer starken Säure (für Polybasen) ionisiert werden. Die Polyelektrolytkette trägt dann geladene Gruppen, im umgebenden Medium aber sind niedermolekulare ionen mit umgekehrten Vorzeichen — Gegenionen — anwesend.

Die Eigenschaften der Polyelektrolytmoleküle in der Spülung bestimmt man über die elektrostatische Wechselwirkung der geladenen Gruppen der Kette miteinander und mit niedermolekularen Ionen der Spülung, die im ganzen in der Regel elektroneutral ist.

Die experimentellen Daten (insbesondere aus Versuchen zur Überführung von markiertem Na sowie Messungen der Aktivitätskoeffizienten niedermolekularer Ionen) haben gezeigt, daß ein Molekül einer Polysäure bzw. einer Polybase in seiner Nähe gewöhnlich durch elektrostatische Anziehungskräfte eine wesentliche Zahl solvatisierter (hydratisierter) Gegenionen festhält, welche oft höher ist als die Hälfte der geladenen Gruppen der Kette.

Die elektrostatische Abstoßung gleichnamig geladener Gruppen in den Polysäuren und Polybasen führt zu einer rapiden Änderung der Konformationseigenschaften der Makromoleküle, vor allem zur Vergrößerung ihrer Größen in der Spülung, was sich in der Regel überaus günstig in den Kennziffern der Qualität der Bohrspülungen widerspiegelt

Die Durchschnittsgrößen der Polyelektrolytmoleküle können sich mit der Erhöhung des Ionisationsgrades auf das Fünffache und mehr vergrößern. Die Erhöhung der Konzentration der niedermolekularen Ionen in der Spülung (der Ionenstärke der Spülung) verringert die Wechselwirkung der geladenen Gruppen und nähert die Größen und anderen Eigenschaften der Polyelektrolytmoleküle den entsprechenden Eigenschaften der gewöhnlichen Makromoleküle an. Infolgedessen sinkt die Aktivität der Polyelektrolytmoleküle rapide.

Den vorstehenden Ausführungen ist zu entnehmen, daß eine Änderung der Konzentration der niedermolekularen Ionen in der Spülung (anorganischer Salze, Säuren, Basen) in gleicher Weise auf die polymeren Elektrolyte (und auch die Iyophilen Bereiche -der Teilchen der festen Phase) einwirkt, wobei der Wkkungsmechanismus auf eine Änderung der Intensität und des Charakters der Wechselwirkungen der geladenen Gruppen der Makromoleküle mit dem umgebenden Medium hinausläuft. Diese Änderung ist mit dem Oxydations-Reduktions-Gleichgewicht der Polyelektrolytmoleküle in der Spülung eng verbunden, da die Möglichkeit des Elektronenaustauschs zwischen dem Makromolekül und den es umgebenden Ionen, Atomen und Molekülen bestimmt, welche das Dispersionsmedium der Bohrspülung bilden. Deshalb übt das Verhältnis zwischen der Oxydationsund der Reduktionsform des Stoffes in der Bohrspülung einen entscheidenden Einfluß auf die Stabilität der Polyelektrolytmoleküle aus, und folglich auch der gesamten Bohrspülung, z, B. ihre Salzbeständigkeit.

Tatsächlich laufen sämtliche Reaktionen der Aktivitätsänderung der organischen Verbindungen in den Bohrspülungen auf eine Änderung des Oxydatiorsgrades (-zustands) der Polyelektrolytmakromoleküle hinaus, z. B. beim thermooxydativen Abbau von Carboxymeüiylzellulose.

Oxydations-Reduktions-Reaktionen nennt man solche, bei denen eine gegenseitige Oxydation bew. Reduktion verschiedener Stoffe erfolgt. Die Oxydation des Stoffes ist mit der Entfernung von Elektronen aus den ihn bildenden Teilchen und die Reduktion mit einer Elektronenanlagerung an diese Teilchen verbunden. Wird in eine Flüssigkeit eine Metallelektrode aus einem inerten Metall eingeführt, entsteht an der Berührungsgrenze der Elektrode mit der Lösung ein Oxydations(Ox)-Reduktions(Re)-Potential (weiter im Text als Redoxpotential genannt).

Die Größe des Redoxpotentials des Systems dient als Maß für die Intensität der Oxydations-Reduktions-Prozesse, die in diesem System vor sich gehen, und hängt vom Verhältnis der Konzentration zwischen der Oxydations- und der Reduktionsform der Ionen in diesem System ab, die dieses System bilden bzw. in dieses eingeführt sind.

Im Zusammenhang damit kann man zur Bestimmung der Stabilität der Bohrspülungen die Messung des Redox-Potentials des Systems benutzen, das di-s Verhältnis zwischen den Oxydations- und Reduktionskomponenten in der Spülung kennzeichnet.

Das Redoxpotential φ der Spülung mit der Aktivität des Oxydationsmittels aox und des Reduktionsmittels

SRcd bestimmt man nach der Nernstschen Gleichung:

Ψ = ¹Po

RT ~ZF

In

ag,

R T Z

F In

Normalpotential einer inerten Elektrode (aus Platin, Gold), mV; universelle Gaskonstante; Temperatur, ⁰K;

Zahl der an der Reaktion beteiligten Elektronen;
Farady-Zahl;
natürlicher Logarithmus.

Diese Formel ermöglicht die Konstruktion einer Abhängigkeit (Kurve A) des Redoxpotentials φ vom Verhältnis der Aktivitäten zwischen der Oxydations- aox und der Reduktionsform a«^ des Stoffes, die eine in F i g. 1 gezeigten Verlauf hat.

Unter stationären, d. h. sich mit der Zeit sehr langsam ändernden Bedingungen des Energieaustausches mit einem neutralen umgebenden Medium nimmt das Redoxpotential einer Bohrspülung gewöhnlich einen Gleichgewichtswert an, der dem Verhältnis zwischen aoJ-a«rt/ = 0,5 entspricht. Die wichtigste Kennziffer der chemischen Aktivität des Systems, der pH-Wert, liegt unter diesen Bedingungen ebenfalls im neutralen Bereich beim Wert 7.

Eine beliebige Abweichung dieser z-.vei Charakterislika von der Gleichgewichtslage bedeutet, daß das System energetisch unbeständig ist und in ihm das Auftreten von Oxydations-Reduktions-Reaktionen sowohl beim Kontakt mit dem umgebenden Medium (dem Gestein der Bohrlochwandungen), als auch zwischen den Teilchen und Phasen des Systems selbst möglich ist.

Das die Bohrlochwandungen bildende Gestein enthält — abhängig von seiner lithologischen Zusammensetzung — eine große Menge verschiedener Mineralien, die beim Kontakt mit dem Elektrolyten (in diesem Fall mit der Bohrspülung) das Redoxpotential der Spülung in einem ziemlich breiten Bereich ändern.

Nachstehend sind in der Tabelle 1 als Illustration Oxydations-Reduktions-Nonnalpotentiale So angeführt, die den eventuellen elektrochemischen Reaktionen verschiedener Ionen mit Flüssigkeit (Wasser, Bohrspülung) entsprechen, die sich im Kristallgitter der gesteinsbildenden Mineralien befinden.

Tabelle 1

Reaktionen εν, V

Sn^{4 +}
Cu^{2 +}
Fe³⁺
Mn^J+

I- 2 e- + er

t- e~ + e-

-0,41 +0,153 + 0,167 + 0,771 + 1,51

Wie aus der Tabelle zu sehen ist, unterscheiden sich verschiedene Mineralien hinsichtlich der Norma'-Redoxpotentiale beträchtlich. Wenn im Prozeß des Bohrens die im Gleichgewichtszustand befindliche Bohrspülung in Kontakt mit dem Gestein der Bohrlochsohle tritt und der Wert des Normal-Redoxpotentials sämtlicher Gesteine, die die Erdformationen des Vorkommens bilden, bekannt ist, so kann über die Änderung der Größe und Richtung des Redoxpotentials der Spülung, die aus dem Bohrloch nach dem Kontakt mit dem Gestein ausgetreten ist, die lithologische Zusammensetzung der angebohrten Erdformationen bestimmt werden.
Zur Bestimmung der lithologischen Zusammensetzung der auszubohrenden Gesteine bereitet man gemäß der vorliegenden Erfindung eine Ausgangsbohrspülung vor und setzt diese einer einpoligen elektrischen Behandlung unter gleichzeitiger Messung der Größe ihres ίο Redopotentials in einer Elektrolysenzelle 1 aus.

Durch Änderung der Spannung und des Stroms an Elektroden 2 und 3 erhöht man die Größe des Redoxpotentials auf einen Wert, der dem Oxydations-Reduktions-Gleichgewicht entspricht (für Bohrspülungen liegt dieser Wert in einem Bereich von — 1,6 bis + 1,8 V).

Bei der Vorbereitung der Bohrspülungen wird in der Spülung in Abhängigkeit vom Typ der anzuwendenden Tone sowie vom Typ und Verhältnis der in die Spülung eingeführten chemischen Reagenzien gewöhnlich entweder das Oxydations- oder das Reduktionspotential überwiegen. Zu ihrer Stabilisierung muß man die Spülung entweder in der Zone der negativen Elektrode 2 (in diesem Fall werden chemische Reaktionen in der Spülung einen Reduktionscharakter tragen), oder in der Zone der positiven Elektrode 3 behandeln (dann tragen chemische Reaktionen einen Oxydationscharakter). Die Speisung der Elektroden erfolgt von einer Gleichstromquelle 4.

Nach e'ner solchen Behandlung der Spülung hält man die GröÖe des Redoxpotentials konstant bei einem Wert, der durch technologische Verhältnisse vorgegeben wurde. Die stabilisierte Spülung wird in ein Bohrloch 5 mit einer Pumpe 6 gepumpt Die Kontrolle der Stabilisierung des Redoxpotentials der verbrauchten Spülung erfolgt durch einen Geber 7 für die Kontrolle der Größe des Redoxpotentials, z. B. durch eine Krjukow-Kalomelelektrode, die mit einem Sekundärgerät 8 verbunden ist.

Beim Ausbohren eines Gesteins 9 laufen an der Kontaktstelle der Bohrspülung mit dem Gestein infolge der Ionenaustauschprozesse der Bohrspülung mit den dieses Gestein bildenden Mineralien Oxydations-ReduktionsReaktionen ab.

Die aus dem Bohrloch 5 austretende Bohrspülung gelangt in einen Behälter 10, in dem durch einen Geber 11 und ein Registriergerät 12 ununterbrochen das Redoxpotential der Bohrspülung nach ihrem Kontakt mit dem auszubohrenden Gestein gemessen wird. Danach vergleicht man die Größe des Redoxpotentials der aus dem Bohrloch austretenden Spülung mit der vorgegebenen Größe des Redoxpotentials der in das Bohrloch eingeführten Bohrspülung.

Wenn man die Normal-Redoxpotentiale der Mineralien, die die Absatzgesteine bilden, kennt und diese mit der Ablenkungsgröße des Redoxpotentials der aus dem Bohrloch austretenden Bohrspülung vergleicht, läßt sich die mineralogische und lithologische Zusammensetzung der Gesteine, die zu diesem Zeitpunkt ausgebohrt werden, leicht bestimmen.

Die Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens ermöglicht eine wesentliche Verkürzung der Zeit zur Bestimmung der lithologischen Zusammensetzung der Erdformationen mit einer ausreichenden Genauigkeit, sowie eine Reduzierung des Material-, Energie- und Arbeitsaufwandes.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

do οίο

Patentanspruch:

Verfahren zur Bestimmung der Zusammensetzung durchbohrter Erdformationen durch kontinuierliches Messen während des Bohrens, bei dem das Redox-Potential der in das Bohrloch einzuführenden Bohrlochspülung eingestellt wird, dieses eingestellte Redox-Potential sowie das Redox-Potential der aus dem Bohrloch austretenden Bohrlochspülung gemessen und miteinander verglichen werden, sowie anhand der Größe und der Richtung der Differenz zwischen den Redox-Potentialen für den jeweiligen Zeitpunkt die mineralogische Zusammensetzung der Gesteine der Bohrlochsohle bestimmt wird, wobei man diese Differenz mit den bekannten Normal-Redox-Potentialen der Mineralien vergleicht, dadurch gekennzeichnet, daß die Einstellung des Redox-Potentials der in das Bohrloch einzuführenden Bohrspülung durch eine elektrische Behandlung in einem der Elektrodenräume einer Elektrolysezelle erfe>l§t und dieses Redox-Potential nahezu konstant auf einem vorgegebenen Wert gehalten wird.