DE3023144C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 und eine Vorrichtung gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 6.

Bekannt sind bereits (US-PS 38 92 274) Hydraulikstrahleinrichtungen, die es ermöglichen, Verrohrungen zu durchbohren oder abzuschneiden und die geologischen Formationen durch Abrasion, gegebenenfalls kombiniert mit einem chemischen Angriff, zu reinigen.

Diese Vorrichtungen liefern stark gebündelte Strahlen, derart, daß ein stark lokaler Effekt erzeugt wird (beispielsweise das Schneiden eines Schlitzes in eine Verrohrung).

Im Gegensatz zu diesen zerstörenden Techniken befaßt sich die Erfindung insbesondere mit der Verfestigung geologischer Formationen, welche vom Bohrloch durchsetzt werden, und zwar über eine wesentliche Höhe des letzteren. Diese Höhe erreicht oft etliche Meter und kann 10 Meter überschreiten. Hierbei werden trocknende Harze oder Öle zur Säuerung gewisser der durchsetzten Formationen etc. eingespritzt.

Bekannt sind Konsolodierungsverfahren, bei denen ein Luft- Flüssigkeitsgemisch hergestellt wird, um einen Schaum in Höhe der Formation zu erzeugen oder um Feststoffpartikel (US-PS 36 03 398) anzubringen oder um Bohrfluidverluste einzubinden (US-PS 36 37 019). Beim letztgenannten Verfahren wird jedoch die Permeabilität der geologischen Formation zerstört.

Insbesondere befaßt sich nun die Erfindung mit der Behandlung der Schachtzugänge (abords) eines Bohrloches, wobei eine Formation, ohne wesentlich ihre Permeabilität zu vermindern, verfestigt werden soll, beispielsweise ein Konsolidierungsverfahren für die Umgebung einer geologischen Formation, die ein Gas und gegebenenfalls Öl enthält, unter Einspritzen einer reaktiven Flüssigkeit über die gesamte Höhe der Formation.

Zur Zeit erfolgt die Verfestigung der geologischen Formationen durch Einspritzen von Harzen, indem man entweder einen Härtungskatalysator enthaltende Harze verwendet oder indem man nacheinander ein Harz, das keinen Katalysator enthält, einspritzt, dann einen den Katalysator enthaltenden Fluidstopfen einführt. Die erste Arbeitsweise kann zu einem Verkleben gewisser Poren dieser Formationen führen.

Wird das zweite Verfahren angewandt, so besteht die Gefahr, daß die beiden eingespritzten Flüssigkeiten nicht in der gleichen Höhe der Formation zur Anwendung kommen.

Nach einem anderen bekannten Behandlungsverfahren für eine geologische Formation (beispielsweise Verfestigungsbehandlung) sind zwei aufeinanderfolgende Stufen vorgesehen: in einer ersten Stufe spritzt man in die Schicht eine geeignete, gegebenenfalls durch ein Lösungsmittel verdünnte Flüssigkeit (wie in der US-PS 33 30 350 angegeben) ein und bläst dann quer durch diese Flüssigkeit ein Gas, um das vollständige Verstopfen der Poren der Formation zu verhindern. Das eingespritzte Gas kann gegebenenfalls ein in Kontakt mit der von ihm durchsetzten Flüssigkeit reagierendes Gas sein.

Gegebenenfalls kann man vor dem Einspritzen von Flüssigkeit geeignete Spülflüssigkeiten einspritzen, die dazu dienen, Rohöl oder Wasser zu verdrängen oder auch die verschiedenen Tone der Formationen zu stabilisieren.

Das erste Verfahren, d. h. das Einbringen der Flüssigkeit, kann durch einfaches Pumpen dieser Flüssigkeit in das Bohrloch durchgeführt werden; diese Art des Vorgehens zeitigt jedoch einen wesentlichen Nachteil im Falle sehr permeabler geologischer Formationen und insbesondere solcher Gas enthaltender Formationen, da die Flüssigkeit die Tendenz hat, hauptsächlich in das untere Niveau der Schicht einzudringen.

Dagegen hat das während der zweiten Stufe eingeblasene Gas die Neigung, zwischen das obere Niveau der Flüssigkeit und den Kopf der Schicht einzufiltern.

Ein anderes bekanntes Verfahren (US-PS 41 19 150) umfaßt das örtliche Einspritzen eines schäumenden Harzes, das in situ verfestigt. Bei einem solchen Verfahren ist es schwierig, die Permeabilität der durch dieses Harz verfestigten Formationen zu regeln. Der Schaum wird nämlich wesentlich durch Gasblasen gebildet, die durch eine verfestigte Harzwand getrennt sind; es ist immer schwierig, diesen Wandungen die gewünschte Permeabilität gegenüber Flüssigkeiten und Gasen, wie sie in der Formation vorhanden sind, zu geben.

Erfindungsgemäß sollen vor allen Dingen Maßnahmen vorgeschlagen werden, um eine Flüssigkeit homogen in einer geologischen von einem Bohrloch durchsetzten Formation über die gesamte Höhe dieser Formation anzuwenden.

Das Verfahren umfaßt die Zerstäubung der Flüssigkeit in feine Tröpfchen; die Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens ermöglicht es, diese Zerstäubung unter Bedingungen derart durchzuführen, daß die Gesamtheit der geologischen Formationen wirksam von der Flüssigkeit erreicht wird und dies, indem die Permeabilität homogen und dauernd dank der Zirkulation des Trägergases der Tröpfchen beibehalten wird.

Zum Einspritzen von Flüssigkeit in Form feiner Tröpfchen in ein Bohrloch wurden bereits Verfahren und Vorrichtungen vorgeschlagen.

Nach den bekannten Verfahren verwendet man flüssigen Stickstoff, der an der Erdoberfläche verdampft und mit dem einzuspritzenden Fluid vermischt wird; das Ganze wird über eine Düse gewählten Durchmessers geführt, um für eine Zerstäubung des Gemisches zu sorgen und wird dann in das Bohrloch bis zur zu behandelnden Formation über eine Bohrkolonne (tubing) des Bohrlochs eingeführt.

Der Nachteil bei dieser Technik ist darin zu sehen, daß die an der Erdoberfläche gebildeten Tröpfchen Gefahr laufen, sich während ihres Ausfließens in der Einspritzkolonne zu sammeln, und zwar noch weit bevor sie das Niveau der zu behandelnden geologischen Schicht erreicht haben.

Um diese Rekombination der Tröpfchen zu verhindern, kann man daran denken, ein anderes Verfahren zur Herstellung der Tröpfchen zur Anwendung zu bringen, das beispielsweise darin besteht, das einzuspritzende Gemisch zu erwärmen. Dieses Verfahren ermöglicht einen Nebel aus sehr feinen Partikeln, deren Durchmesser kleiner als ein Mikron ist und die wirksam transportiert werden können, ohne daß eine Rekombination bis zum Boden des Bohrlochs eintritt. Diese Rekombination der Partikel wird wirksam verhindert, da sie elektrisch geladen sind und sich abstoßen. Dieses Merkmal bedeutet jedoch einen Nachteil, wenn die Partikel auf die Höhe der zu behandelnden Schicht gelangen: diese Partikel werden nicht leicht durch die geologische Formation angehalten und scheiden sich also nicht ab, sobald sie die Bohrlochwandung erreichen, sondern gegebenenfalls erst nach einem gewissen Weg in der Formation.

Ein solches Verfahren zum Abscheiden von flüssigen Partikeln in der Formation ist aber nicht günstig für die Behandlung der Schachtzugänge (abords du puits).

Durch die US-PS 39 05 553 ist bereits ein Einspritzverfahren und eine ebensolche Vorrichtung bekannt geworden, die am Boden eines Bohrlochs feine Tröpfchen aus einer die Formationen behandelnden Flüssigkeit, beispielsweise einer Säure, erzeugen. Die in dieser Patentschrift vorgeschlagene Technik ermöglicht aber vor allen Dingen nicht gemeinsam folgende Ziele zu erreichen:

• a) die eingespritzte Flüssigkeit gelangt in die geologische Formation im Zustand sehr feiner Tröpfchen;
• b) sie dringt in die Formation ein anstelle auf den Boden des Bohrlochs zu fallen;
• c) sie scheidet sich in der Formation ab, sobald sie die Wandung des Bohrlochs erreicht hat und nicht nur unter einer gewissen Entfernung hiervon;
• d) sie imprägniert die Formation homogen benachbart dem Bohrloch anstelle gewissen bevorzugten Bahnen hierin (Fingerbildung) zu folgen, und zwar immer unter Aufrechterhaltung der homogenen und permanenten Permeabilität dank der Zirkulation des Trägergases der Tröpfchen.

Nach dem in der US-PS 39 05 553 beschriebenen Verfahren kann man für ein für eine enge Verteilung der Tröpfchengröße des eingespritzten Produktes um einen einzigen mittleren vorher gewählten Wert nicht garantieren.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Einsatz eines flüssigen Behandlungsmittels an einer geologischen Formation benachbart einem diese Formation durchsetzenden Bohrloch so weiterzubilden, daß im Ergebnis die Flüssigkeit in Form feiner Tröpfchen über die gesamte Höhe der Schicht der geologischen Formation tatsächlich eindringt und sich nicht am Boden oder unter einem Abstand hierzu absetzt, kurz, es soll eine homogene und permanente Permeabilität garantiert werden.

Die Erfindung löst diese Aufgabe hinsichtlich des Verfahrens durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 1 und hinsichtlich der Vorrichtung durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 6.

Die Erfindung soll nun anhand der beiliegenden Zeichnungen näher erläutert werden. Diese zeigt in:

Fig. 1 schematisch ein Ausführungsbeispiel der Erfindung;

Fig. 2 im Axialschnitt Einrichtungen, die für Halt und Abdichtung des Zerstäubungsrohrs im oberen Teil sorgen;

Fig. 3 im Axialschnitt eine abgeänderte Ausführungsform für den unteren Ansatz des Zerstäubungsrohres; und

Fig. 3A einen Schnitt durch diese Variante längs der Ebene A der Fig. 3.

In Fig. 1 der Zeichnungen bezeichnet 1 eine zu behandelnde geologische Formation, die von einem Bohrloch 2 mit Ausbau 3 mit Perforationen 4 durchsetzt ist oder ein Bohrlochsiebrohr in Höhe der Formation 1 aufweist.

Koaxial zum Ausbau 3 ist ein röhrenförmiges Bohrgestänge oder ein Steigrohr 5 angeordnet, dessen unteres Ende 6 sich benachbart des oberen Niveaus der zu behandelnden Formation 1 anordnet.

Ein Ringverschluß 7 sorgt für die Abdichtung zwischen Ausbau 3 und Kolonne 5 benachbart dem unteren Ende 6 der letzteren.

Die röhrenförmige Kolonne 5 weist innen unter einer gewissen Entfernung vom Ende 6 ein ringförmiges Rückhaltelager 8 auf. Über eine Schleuse oder ein Sieb 9 oberhalb des Bohrlochkopfes 10, der im oberen Teil des Bohrgestänges 5 mit einem Ventil bzw. Schieber 11 versehen ist, führt man in dieses Bohrgestänge ein Zerstäubungsrohr 12 ein. Das Sieb 9 ist mit einer Reinigungsleitung mit einem Ventil 9 a versehen. Das Zerstäubungsrohr 12 kann in das Bohrgestänge 5 mittels eines Seils 13 herabgelassen werden, das dicht nur durch eine Stopfbuchse 14 am Kopf des Bohrgestänges 5 gleitet.

Dieses Zerstäubungsrohr 12 ist so angepaßt, daß es gegen das Rückhaltelager 8 aufruht und gegen dieses abdichtet.

Bei dem schematisch in der Figur dargestellten Ausführungsbeispiel besteht das Zerstäuberrohr 12 aus einem einfachen länglich am unteren Ende 12 a offenen Rohr.

Durchmesser und Länge dieses Zerstäuberrohrs 12 müssen sorgfältig, wie unten angegeben, gewählt werden.

Eine Flüssigkeit und ein Gas werden am Kopf des Bohrlochs in das Bohrgestänge 5 über die Leitung 15 bzw. die Leitung 16, die mit Ventilen 17 und 18 versehen sind, eingeführt. Dieses Einführen kann erfolgen, indem man an sich bekannte Einrichtungen verwendet; beispielsweise kann Flüssigkeit mittels einer Dosierpumpe P eingespritzt werden, während die Leitung 16 mit einer Druckgasquelle verbunden ist.

Damit die oben bei d) angegebene Aufgabe (Sättigung der Schicht 1 ohne Fingerbildung des Wassers bzw. Digitation) erreicht werden kann, ist es unerläßlich, daß Flüssigkeit und Gas in wohl bezüglich einander bestimmten Anteilen eingeführt werden. Es wurde gefunden, daß das Volumenverhältnis Flüssigkeit/Gas des über das Bohrgestänge 5 eingeführten Gemisches wenigstens gleich ¹/₁₀₀₀ ist (das Verhältnis wurde unter den in Höhe der Schicht 1 existierenden Temperatur- und Druckbedingungen gemessen). Ein Wert dieses Verhältnisses oberhalb ⁴/₁₀₀₀ garantiert eine günstige Sättigung der Schicht.

In Praxis wird die obere Grenze dieses Verhältnisses festgelegt durch den Minimalwert der Einspritzdauer, wobei letztere wenigstens etliche Minuten, vorzugsweise in der Größenordnung zwischen 10 Minuten und einer halben Stunde, betragen soll.

Das erzeugte Flüssigkeits-Gasgemisch fließt in das Bohrgestänge 5 aus; drei Bedingungen können sich einstellen.

Unterhalb eines gewissen Wertes der im weiteren präzisierten Gasgeschwindigkeit nämlich fließt die Flüssigkeit in das Bohrgestänge 5 in Form eines Filmes längs dessen Innenwandung aus.

Oberhalb dieses Wertes der Strömungsgeschwindigkeit des Gases strömt ein Teil der Flüssigkeit in das Bohrgestänge 5 in Filmform, der andere in Form von Tröpfchen aus. Erhöht man die Gasgeschwindigkeit, so steigt der Anteil der im Bohrgestänge 5 in Form von Tröpfchen transportierten Flüssigkeit und gleichzeitig nimmt die Abmessung der Tröpfchen ab.

Der Wert der Geschwindigkeit, unterhalb deren Tröpfchen in Bohrgestänge 5 sich nicht bilden, kann durch die Formel ausgedrückt werden:

hierin bedeuten:

σ die Oberflächenspannung der durch das Gas transportieren Flüssigkeit in Newton/Meter,
μ _G die Viskosität des Gases (in Kilogramm pro Meter × Sekunde),
ρ _L in kg/m³ die spezifische Masse der Flüssigkeit ρ _G und die spezifische Masse des Gases in kg/m³, gemessen unter Temperatur- und Druckbedingungen in Höhe der Schicht 1.

Der Wert der Geschwindigkeit des Gases, oberhalb dessen ein Flüssigkeitsfilm im Bohrgestänge 5 nicht mehr auftritt, liegt in der Größenordnung des 25fachen des durch die oben genannte Formel gegebenen.

Für eine Tiefe der Schicht 1 von beispielsweise 500 Metern beginnt, wenn das über das Zerstäuberrohr 12 eingespritzte Fluid ein schwerer Kohlenwasserstoff ist, die Tröpfchenbildung in der Bohrkolonne 5, ausgehend von einer Gasgeschwindigkeit in der Größenordnung von 1 Meter/Sekunde; ein Flüssigkeitsfilm auf der Innenwand dieser Bohrkolonne ist nicht mehr vorhanden, sobald die Gasgeschwindigkeit 25 Meter/Sekunde etwa überschreitet. In einem Bohrloch, wo der Innendurchmesser der Bohrkolonne etwa 4 Zoll beträgt, beginnt die Tröpfchenbildung ausgehend von einem Durchsatz in der Größenordnung von 2000 m³ pro Stunde; der Flüssigkeitsfilm verschwindet bei einem Durchsatz von etwa 46 000 m³ pro Stunde (Durchsatzwerte gemessen unter normalen Temperatur- und Druckbedingungen).

Im allgemeinen verfügt man für den Einspritzvorgang über eine Gasmenge, die erheblich kleiner als die oben angegebenen Werte ist; somit wird die Flüssigkeit normalerweise durch den Film längs der Innenwandung der Kolonne transportiert; die Zerstäubung durch das Zerstäuberrohr 12 wird gerade oberhalb des Niveaus der Schicht 1 vorgenommen.

Nach Durchgang durch das Zerstäuberrohr 12 tritt das Gas in die Formation 1. Damit in dieser die Flüssigkeit wirksam transportiert wird, ist es notwendig, daß das Zerstäuberrohr 12 eine Flüssigkeitszerstäubung in Form von Tröpfchen vornimmt, deren Durchmesser 10 Mikron nicht überschreitet und vorzugsweise zwischen 1 und 5 Mikron beträgt.

Zweckmäßig vermeidet man im übrigen, daß am Austritt aus dem Zerstäuberrohr 12 die Durchmesser der Tröpfchen sich nicht um zwei Werte verteilen, was jedoch der Fall ist, wenn die Flüssigkeit das Zerstäuberrohr 12 gleichzeitig in Form von Tröpfchen und in Filmform durchsetzt, da letzterer dann am Ausgang aus dem Zerstäuberrohr 12 Tröpfchen von einem Durchmesser erzeugt, der wesentlich größer als der der bereits im Zerstäuberrohr 12 gebildeten Tröpfchen ist (und beispielsweise in der Größenordnung von 100 Mikron gegenüber etwa 10 µ beträgt).

Hierdurch läuft man Gefahr, eine Segregation der Tröpfchen am Austritt aus dem Zerstäuberrohr 12 herbeizuführen, wobei die Tröpfchen mit dem größten Durchmesser die Tendenz haben, in das Bohrloch abzusteigen.

Dieser Nachteil soll nun dadurch behoben werden, daß dem Zerstäuberrohr 12 ein ausreichend kleiner Innendurchmesser verliehen wird, damit die ausschließlich in Filmform längs der Bohrkolonne 5 transportierte Flüssigkeit in dem Zerstäuberrohr 12 in eine Strömung in Tröpfchenform umgeformt wird, und indem man dem Zerstäuberrohr 12 eine ausreichende Länge verleiht, damit der aus der Bohrkolonne 5 austretende Flüssigkeitsfilm völlig verschwunden ist und die Strömungsverhältnisse in Form von Tröpfchen sich vor dem Austritt aus dem Zerstäuberrohr günstig eingestellt haben, und zwar mit einer Verteilung der Tröpfchengröße, die so eng wie möglich um einen einzigen mittleren Wert liegt.

Es wurde festgestellt, daß die vorgenannten Ziele insgesamt sich erreichen lassen, wenn man dem Einführungsrohr 12 einen Innendurchmesser D und eine Länge L derart verleiht, daß im wesentlichen gleichzeitig gilt:

D und L werden in Metern ausgedrückt,
P₀ ist der Wert des Normaldrucks (1 Atmosphäre),
P ist der Wert des Drucks in Höhe der Schicht 1 (mit der gleichen Einheit wie P₀,
Q ist die eingeführte Gasmenge in m³ pro Sekunde (gemessen unter normalen Temperatur- und Druckbedingungen),
ρ₀ ist die spezifische Masse des Gases in kg/m³, gemessen unter Normalbedingungen,
σ ist die Oberflächenspannung der eingespritzten Flüssigkeit in Newton/Meter,
der Koeffizient α, ohne Dimension, hat einen Wert benachbart 0,5;
der Koeffizient β, ohne Dimension, hat einen Wert benachbart 0,25;
k ist ein Koeffizient, dessen Wert zwischen 2 × 10^-2 und 6 × 10^-2 mit den oben angegebenen Einheiten liegt.

Die besten Ergebnisse erhält man mit einem Wert k benachbart 3,4 × 10^-2 (mit den angegebenen Einheiten) und einem Wert des Verhältnisses größer 50 und insbesondere mit einem Wert dieses Verhältnisses größer als 100.

Fig. 2 ist ein Axialschnitt und zeigt genauer, lediglich als Beispiel, eine Ausführungsform der Halte- und Abdichtungseinrichtungen, wie sie im oberen Teil des Zerstäubungsrohrs 12 ausgebildet sind.

Nach dieser Ausführungsform wird die röhrenförmige Bohrkolonne 5 aus zwei Elementen 5 a und 5 b gebildet, die miteinander über eine Muffe 19 verbunden sind.

Das Zerstäuberrohr 12 umfaßt an seinem oberen Teil einen Einsetzdorn 20, dessen zylindrischer Körper mit geringem Spiel in der Bohrung der Muffe 19 lagert. Die Basis 21 des Dorns stützt sich gegen einen konischen Haltesitz 21 a ab, der im unteren Teil der Muffe 19 vorgesehen ist.

Eine Ringdichtung 22 in einem Lager außerhalb des zylindrischen Körpers des Dorns 20 sorgt für die Abdichtung zwischen diesem zylindrischen Körper und der Bohrung der Muffe 19.

Die gesamte durch Dorn 20 und fest mit dem Dorn verbundenem Zerstäubungsrohr 12 bestehende Anordnung wird mittels des Seils 13 herabgelassen.

Hierzu ist das Seil 13 in seinem unteren Teil mit einem Netz- und Abziehwerkzeug 23 versehen, das mit einem Gelenkfinger 24 ausgestattet ist, der in eine Ringhaltenut 25, die der Dorn 20 trägt, eingreift.

Der Gelenkfinger 24, der schwenkbar um die Achse 26 oder die Setzachse gelagert ist, wird gegen die Basis 27 des im Körper des Setzwerkzeugs 23 belassenen Fensters blockiert und hält so den Dorn 20 sowie das Zerstäuberrohr 12.

Wenn die Dichtung 22 in die Bohrung der Muffe 19 eintritt, annullieren die Reibungserscheinungen den Einfluß des Gewichts der Anordnung aus Zerstäuberrohr 12 und Dorn 20; das Setzwerkzeug 23 wird im Dorn 20 nach unten geführt, bis die Schulter 28 sich gegen den Kopf 29 des Dorns 20 abstützt, der unter dem Einfluß des Gewichts des Werkzeugs 23 seinen Weg in der Bohrung der Muffe 19 fortsetzt, bis die Basis 21 des Dorns gegen den Sitz 21 a aufruht. In dieser Stellung verkippt der aus der Nut 25 freigegebene Finger unter dem Einfluß seines Gewichts und gibt den Dorn 20 frei; das Werkzeug 23 kann dann mittels des Seils 13 wieder angehoben werden.

Die Rückgewinnung des Zerstäuberrohrs 12 erhält man, indem die Lagerung des Gelenkfingers 24 am Werkzeug 23 modifiziert wird. Man erhält dies leicht, indem man die Achse 26 durch ein Umlenkansatzstück 30 oder Rückgewinnungsachse ersetzt, die in ein zweites Loch 30 a im Finger 24 eingeführt wird und die dann gegen 27 in Anschlag unter dem Einfluß des Eigengewichts verbleibt, sich jedoch beim Einführen in den Dorn 20 löst.

Zum Setzen wird das Werkzeug 23 in den Dorn 20 horizontal mit nach oben gewendetem Fenster 27 eingeführt.

Fig. 3 und Fig. 3A zeigen eine abgeänderte Ausführungsform des unteren Teils des Zerstäuberrohrs 12, bei dem dieser untere Teil mit einem Ablenkansatz oder Übergangsansatz in Form eines Umlenkansatzstücks 30 versehen ist, die über geschweißte Stege 31 am Zerstäuberrohr 12 fest ist.

Dieser Ablenkansatz richtet den aus dem eingespritzten Fluid bestehenden Tröpfchennebel nach oben (Pfeile); hierdurch wird eine gute Sättigung des oberen Teils der geologischen Schicht 1 möglich, wenn das Umlenkansatzstück 30 im Bohrloch 2 auf geeignetem Niveau positioniert ist.

Diese Ausbildung, die die Turbulenz des Nebels erhöhen soll, sorgt für eine günstige Verteilung des bestäubten Produkts über die gesamte Höhe der Schicht 1.

Selbstverständlich ist der Außendurchmesser des Umlenkansatzstücks 30 kleiner als der Durchmesser der Innenbohrung der Muffe 19 (Fig. 2) und ermöglicht es so, daß dieser Ansatz die Muffe 19 durchsetzt.

Im Rahmen der Erfindung ist es möglich, das Umlenkansatzstück 30 durch äquivalente Einrichtungen zu ersetzen, die in der Strömung des zerstäubten flüssigen Mittels eine Umlenkung erzeugt.

Unter Berücksichtigung der Tiefen, auf denen sich Sandeinbruch sowie entsprechende Drücke in den biologischen Schichten einstellen, erfordert das Verfahren nach der Erfindung Gasdurchsätze, die von etlichen 100 m³/Stunde bis zu etwa 10 000 m³/Stunde gehen.

Was den Flüssigkeitsdurchsatz angeht, so ist es immer leicht, die oben genannte Bedingung für minimalen Durchsatz zu erfüllen (Volumenverhältnis größer als 4 × 10^-3 unter Bodenbedingungen). Dagegen muß vermieden werden, daß die Zerstäubung sich nicht in zu kurzer Zeit einstellt, um nicht die Nachteile der üblichen Pumpeinspritzverfahren zu erhalten. Durchsätze von 5 bis 10 Liter pro Minute sind im Mittel zweckmäßig für eine allmähliche Sättigung der Schicht.

Das Verfahren nach der Erfindung ist überall da anwendbar, wo eine Flüssigkeit benachbart der Bohrlochwandung abgeschieden werden soll, wobei in der Flüssigkeit für das Gas durchlässige Passagen vorgesehen werden.

Die Erfindung ist insbesondere anwendbar auf die Verfestigung sandiger Formationen unter Einspritzen eines flüssigen Gemisches, dessen chemische Veränderung in situ vorgenommen wird. Zunächst nimmt man beispielsweise die Zerstäubung der Flüssigkeit mittels eines Inertträgergases vor. Dann wird das Trägergas weitergepumpt, derart, daß für das Gas permeable Durchlässe aufrechterhalten oder erzeugt werden. Schließlich wird die Flüssigkeit verfestigt, indem man anschließend an das inerte Trägergas ein reaktives Gas, das die Flüssigkeit oxidiert, einbläst.

Das Verfahren nach der Erfindung kann vorteilhaft verwendet werden, um die Bohrlöcher mit Gas zu azidifizieren, indem man eine Röhre mittels eines inerten Trägergases versprüht. Das Aufrechterhalten eines Gaseinblasens während und nach der Säureeinspritzung garantiert, daß die Reaktionsprodukte nicht die Gesteinsporen zusetzen.

Die Verfahren zur Verfestigung von Sand durch Einspritzen eines Harzes lassen sich durch Verwendung des vorgeschlagenen Verfahrens verbessern. Der Nachteil dieser Verfestigungsverfahren ist darin zu sehen, daß eine Verbesserung der mechanischen Festigkeit sich auf Kosten der Permeabilität einstellen kann. Das Einbringen von Harz durch Zerstäubung nach der Erfindung kann die Zerstörung der Permeabilität vermeiden.

Das Verfahren nach der Erfindung ist nicht auf Gasbohrlöcher beschränkt. Es kann in Ölbohrlöchern Anwendung finden, unter der Voraussetzung, daß man am Bohrlochkopf über eine ausreichende Gasmenge verfügt, um das Öl in die Schicht über die gesamte Produktionshöhe zu drücken.

Bei dem im folgenden beschriebenen Beispiel wurde das Verfahren nach der Erfindung angewendet, um eine Flüssigkeit, benachbart der Wandung eines Gasbohrloches, vorzusehen, um durch chemische Wirkung später für seine Härtung zu sorgen.

Die mit einem Durchmesser von 18,875 cm (6 ¼ Zoll) durchbohrte und mit Siebrohren versehene Schicht befindet sich zwischen 470 und 480 m Tiefe. Die Porosität der Schicht beträgt 30%. Der Druck des Gases wurde im Augenblick des Versuchs auf 60 bar angehoben.

Die röhrenförmige Produktionskolonne 5 (oder tubing) von einem Durchmesser von 11,43 cm (4 ½ Zoll) war auf einer Tiefe von 458 m mit einem Ringlager von einem Innendurchmesser von 62 mm ausgekleidet.

Es wurde nach einem Mittel zum Einbringen von Flüssigkeit in die Schicht gesucht. Hierzu wurde eine Neutronendiagraphie vor dem Einspritzen von Flüssigkeit zum Vergleich mit einer nach dem Einspritzen dieser Flüssigkeit aufgezeichneten Diagraphie aufgezeichnet.

Ein Zerstäubungsrohr 8 von einem Innendurchmesser von 30 mm wurde in Kontakt mit dem Ringlager derart eingesetzt, daß sein unteres Ende sich am Kopf des Speichers befand. Die Länge dieses Rohres lag also nahe 1200 mm.

Ein Kubikmeter des flüssigen einzuspritzenden Gemisches wurde in einer Wanne hergestellt, die verschiedenen Bestandteile wurden sorgfältig mit Hilfe eines Mischers dispergiert. Das Gemisch hatte die folgende Zusammensetzung: Leinöl 800 Liter, Xylol (als Fluidisiermittel verwendet) 200 Liter und flüssiger Oxidationskatalysator mit 70 Liter (der Katalysator bestand aus einem Gemisch aus Naphtenaten des Kobalt und des Cer).

Das so hergestellte Flüssigkeitsgemisch wurde am Bohrlochkopf mit einem Anteil von 50 Litern pro Minute eingespritzt, während gleichzeitig Gas mit einer Menge von 10 000 Kubikmeter pro Stunde (gemessen unter Normalbedingungen) eingeführt wurde.

Das Einspritzen des Gemisches dauerte also 20 Minuten; nach Einspritzen des gesamten Gemisches jedoch wurde die Gasführung eine halbe Stunde lang fortgesetzt, um die Innenwand der röhrenförmigen Rohrkolonne zu reinigen und in der Schicht den Durchgang des Gases durch die angebrachte Flüssigkeitsschicht sicherzustellen.

Sobald das Einführen des Gases beendet war, wurde das Flüssigkeitseinspritzrohr mit Hilfe eines Seils wieder hochgezogen.

Ein Löffelkontrolle zeigte, daß am Bohrlochboden sich praktisch keine Flüssigkeit befand.

Eine Neutronendiagraphie zeigte im Vergleich mit der Bezugsaufzeichnung, daß die Flüssigkeit die Schicht über ihre gesamte Höhe imprägniert hatte.

Claims (11)

1. Verfahren zum Einsatz eines flüssigen Behandlungsmittels an einer geologischen Formation benachbart einem diese Formation durchsetzenden Bohrloch, wobei man in das Bohrloch eine röhrenförmige Bohrkolonne einbringt, deren unteres Ende im wesentlichen in Höhe der zu behandelnden Formation angeordnet wird, wobei diese röhrenförmige Kolonne innen Einrichtungen umfaßt, die für ihren unteren Teil ein Haltelager bildet, wobei man in die röhrenförmige Kolonne ein längliches Zerstäubungsrohr hinabläßt, das so ausgebildet ist, daß es auf den Halteeinrichtungen ruht und mit diesen eine Abdichtung herstellt und daß das flüssige Behandlungsmittel gegen die Wandung der Formation mittels des Zerstäuberrohrs zerstäubt wird, indem in die röhrenförmige Bohrkolonne von der Erdoberfläche aus das Flüssigkeitsmittel zusammen mit einem Gas unter Druck eingeführt wird, dadurch gekennzeichnet, daß der Innendurchmesser (D) und die Länge (L) des Einführungsrohres sowie die Menge an eingeblasenem gasförmigem Fluid als Funktion des in Höhe der behandelten Formation herrschenden Druckes, der spezifischen Masse des gasförmigen Fluids sowie der Oberflächenspannung des flüssigen Behandlungsmittels derart eingestellt wird, daß sich im wesentlichen ergibt: hierbei sind
D und L ausgedrückt in Metern
P₀ ist der Wert des Normaldrucks (1 Atmosphäre),
P ist der Wert des Druckes in Höhe der Formation, gemessen mit der gleichen Einheit wie P₀,
Q ist die eingeblasene Gasmenge in m³ pro Sekunde, gemessen unter normalen Temperatur- und Druckbedingungen,
ρ₀ ist die spezifische Masse des Gases in kg/m³, gemessen unter normalen Bedingungen,
σ ist die Oberflächenspannung des eingespritzten flüssigen Mittels in Newton/Metern,
α ist ein Koeffizient ohne Dimension mit einem Wert benachbart 0,5,
β ist ein Koeffizient ohne Dimension mit einem Wert benachbart 0,25, und
k ist ein Koeffizient, dessen Wert zwischen 2 × 10^-2 und 6 × 10^-2 mit den oben angegebenen Einheiten liegt.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine Menge flüssigen Behandlungsmittels mit einem Anteil von 5 bis 10 Liter pro Minute eingespritzt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß nacheinander das flüssige Behandlungsmittel in die Formation durch Zerstäuben mittels eines chemisch bezüglich des flüssigen Mittels inerten Trägergases eingebracht wird, dann ein gasförmiges Reaktionsmittel in die Formation eingeführt wird, das mit dem vorher in die Formation eingebrachten flüssigen Mittel in Kontakt kommt.

4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Wert des Volumenverhältnisses Flüssigkeit/Gas des in die röhrenförmige Kolonne eingeführten Gemisches wenigstens ¹/₁₀₀₀ beträgt, wobei dieser Wert unter normalen Temperatur- und Druckbedingungen gemessen wurde.

5. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Wert des Volumenverhältnisses Flüssigkeit/Gas größer als ⁴/₁₀₀₀ ist.

6. Vorrichtung zum Zerstäuben eines flüssigen Mittels zur Behandlung einer geologischen Formation benachbart einem diese Formation durchsetzenden Bohrloch, mit ein in das Bohrloch eingeführten röhrenförmigen Bohrkolonne, wobei die Kolonne in ihrem oberen Teil mit Einrichtungen zum Speisen mit flüssigem Behandlungsmittel und gasförmigem Fluid unter Druck verbunden und ihrem unteren Teil über ein längliches Rohr von einem Innendurchmesser verlängert ist, der geringer als der Innendurchmesser der Rohrkolonne ist, dadurch gekennzeichnet, daß der Innendurchmesser (D) und die Länge (L) des Zerstäuberrohrs (12) derart sind, daß im wesentlichen gilt: hierbei sind
D und L ausgedrückt in Metern
P₀ der Wert des Normaldrucks (1 Atmosphäre),
P der Wert des Druckes in Höhe der Formation, gemessen mit der gleichen Einheit wie P₀,
Q die eingeführte Gasmenge in m³ pro Sekunde, gemessen unter normalen Temperatur- und Druckbedingungen,
ρ₀ die spezifische Masse des Gases in kg/m³, gemessen unter normalen Bedingungen,
σ die Oberflächenspannung des flüssigen eingespritzten Mittels in Newton/Meter,
α ein Koeffizient ohne Dimension mit einem Wert benachbart 0,5,
β ein Koeffizient ohne Dimension mit einem Wert benachbart 0,25, und
k ein Koeffizient, dessen Wert zwischen 2 × 10^-2 und 6 × 10^-2 mit den Einheiten, wie oben angegeben, liegt.

7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Innendurchmesser des Zerstäuberrohrs (12) mit den oben angegebenen Einheiten einen Wert im wesentlichen von hat.

8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Länge des Zerstäuberrohres wenigstens gleich dem 50fachen seines Innendurchmessers beträgt.

9. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Länge des Zerstäuberrohres wenigstens gleich dem 100fachen seines Innendurchmessers beträgt.

10. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Zerstäuberrohr an seinem unteren Ende Ablenkeinrichtungen (30) für die Strömung des zerstäubten flüssigen Behandlungsmittels umfaßt.

11. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Ablenkeinrichtungen eine Ablenkkappe (30) aufweisen, die an das untere Ende des Zerstäuberrohres (12) angepaßt ist.