DE3048894A1

DE3048894A1 - Verfahren zum verfestigen geologischer formationen

Info

Publication number: DE3048894A1
Application number: DE19803048894
Authority: DE
Inventors: Charles Bardon; Jacques 78380 Bougival Burger; Claude 92500 Rueil-Malmaison Gadelle
Original assignee: IFP Energies Nouvelles IFPEN
Current assignee: IFP Energies Nouvelles IFPEN
Priority date: 1979-12-28
Filing date: 1980-12-23
Publication date: 1981-10-01
Also published as: ES8201257A1; NL187867C; OA06712A; IT1134862B; IN154136B; MX7306E; GB2066330A; NL8007060A; US4391556A; NL187867B; CA1155644A; BR8008495A; IT8026880A0; GB2066330B; FR2472658B1; NO155820B; NO155820C; NO803941L; FR2472658A1; ES498125A0

Description

Verfahren zum Verfestigen geologischer Formationen

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Konsolidieren oder Verfestigen geologischer Formationen, das insbesondere anwendbar auf Erdöl oder Gas enthaltende Speicher ist, um Sandeinbrüche in mehr oder weniger verfestigte sandige Formationen durchsetzende Bohrlöcher zu vermeiden.

Verschiedene Verfahren wurden bereits vorgeschlagen, um Sandeinbrüche in neue Bohrlöcher zu verhindern oder um Bohrlöcher zu behandeln, bei denen Sandeinbrüche anläßlich von Erdöl- oder Gaslagerstättenaufschlüssen einbricht.

Ein erster Verfahrenstyp besteht darin, den Sand durch ein mechanisches Mittel zurückzuhalten, indem man künstliche Schirme mit kalibrierten Öffnungen oder Splittanhäufungen mit einer genau definierten Granulometrieverteilung, entsprechend den Abmessungen der Sandkörner der geologischen vom Bohrloch durchsetzten Formation, anwendet. Ein solches Verfahren, das sich nur schwierig durchführen läßt, wird bei neuen Bohrlöchern angewendet.

Ein zweites Verfahren besteht darin, in die geologische Formation ein flüssiges Harz einzuspritzen, das, indem es polymerisiert, eine Verbindung zwischen den Sandkörnern schafft. Die Wirksamkeit eines chemischen Verfahrens dieses zweiten Typs ist jedoch nur vorübergehend, da die Polymerisationsreaktion des eingespritzten Harzes im wesentlichen von den im Bohrloch in Höhe der Formation herrschenden Bedingungen und den Charakteristiken der letzteren abhängt. Ein solches Verfahren ermöglicht es

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nicht, der Fortschrittsgard der chemischen Reaktion zu kontrollieren. Hieraus resultiert die Gefahr entweder einer unzureichenden Verfestigung der Formation, wenn der Polymerisationsgrad des Harzes zu gering ist, oder einer starken Permeabilitätsverminderung oder sogar einer vollständigen Verschmutzung der geologischen Formation, wenn eine zu große Polymermenge in gewissen Poren zurückgehalten wird.

Ein anderes in der britischen Patentschrift 975 229 beschriebenes Verfahren besteht darin, nacheinander in die Formation ein Material auf der Basis einer ungesättigten Fettsäure, dann ein sauerstoffhaltiges Gas einzuführen, um eine Verharzung dieses Materials zu erhalten.

Dieses Verfahren führt jedoch nur dann zu einer zufriedenstellenden Verfestigung, wenn die zu verfestigende Formation sich auf einer Temperatur zwischen 150 bis 300⁰C befindet oder dorthin gebracht wird, die selbstverständlich höher als die normale Temperatur der Öl- oder Gasspeicher liegt.

Bei dieser Patentschrift ist bereits in Betracht gezogen worden, einen Katalysator zuzufügen, der aus Kobaltnaphtenat oder Mangannaphtenat besteht. In diesem letzteren Fall jedoch ist die erhaltene Konsulidierung nicht wirklich zufriedenstellend, es sei denn, die Temperatur der Formationen läge ausreichend hoch.

Die US-PS 3 388 743 beschreibt ebenfalls ein Verfahren zur Konsolidierung, bei dem nach dem Einführen eines trocknenden Öls um ein Bohrloch ein oxidierendes Gas

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eingeführt wird. Das teilweise oxidierte Öl bildet ein günstiges Bindemittel für die Sandkörner.

Die Verwendung eines Oxidationskatalysators, beispielsweise von Blei- oder Kobaltnaphtenat ermöglich es, die Oxidationsdauer des Öls zu verkürzen.

Die erhaltenen Verfestigungen sind im allgemeinen für das nachgesuchte Ziel unzureichend.

Durch die FR-PS 1 409 599 ist ein Verfahren zum Verfestigen von Böden bekannt geworden, bei dem diese Böden durch ölige Polymere behandelt werden, welche trocknende Katalysatoren einschließen. Diese härten durch Trocknen an Luft auf der Oberfläche des zu verfestigenden Bodens. Diese Behandlung, welche harte impermeable Massen erzeugt, ist jedoch nur anwendbar auf die Verfestigung geologischer unterirdischer Formationen, deren Permeabilität aufrecht erhalten werden soll.

Dieses Ergebnis wird nach der Erfindung mit einem Verfahren erreicht, das die Kontrolle der chemischen Veränderung einer polymerisierbaren Substanz sicherstellt. Dieses Verfahren besteht darin, in die Formation ein flüssiges Gemisch aus organischen Produkten einzuspritzen, an dem man in situ eine chemische Veränderung durch Kontaktieren dieses flüssigen Gemisches mit einer gegebenen Menge oxidierenden Sauerstoffs vornimmt, derart, daß durch eine exotherme Reaktion dieses flüssige Gemisch in eine Substanz umgeformt wird, welches die nicht verfestigten Elemente der Formation verbindet. Das Einführen sauerstoffhaltigen Gases ermöglicht es, eine merkliche Verminderung in der Permeabilität

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der letzteren gegen Fluide wie Erdöl oder Erdgas zu vermeiden. Die Zusammensetzung des flüssigen Gemisches sowie der Sauerstoffgehalt sowie die Menge an oxidierendem Gas werden derart eingestellt, daß der Anlauf der Reaktion bei normaler Temperatur der Formation sichergestellt wird und der Fortschrittsgrad der oxidierenden Polymerisation des flüssigen Gemisches kontrolliert oder geregelt wird.

Insbesondere befaßt sich die Erfindung mit einem Verfahren zum Verfestigen einer geologischen Formation in zwei aufeinanderfolgenden Stufen, nämlich:

a) man spritzt in die Formation ein organisches flüssiges Gemisch, welches wenigstens eine polymerisierbar chemische Verbindung und einen Katalysator enthält, ein, wobei das Gemisch in der Lage ist, in situ in Kontakt mit einem oxidierenden Gas Reaktionen zu erfahren, die bei normaler Temperatur der geologischen Formation beginnen und zur Bildung eines festen Produkts führen, das diese Formation ohne merkliche Beeinträchtigung ihrer Permeabilität verfestigt; und

b) man bläst ein oxidierendes Gas in ausreichender Menge ein, um eine im wesentlichen vollständige Verfestigung dieser organischen Flüssigkeit zu erhalten, wobei die Menge jedoch derart begrenzt ist, daß die in der Formation während dieser Reaktionen erreichte Temperatur 35O⁰C nicht überschreitet und vorzugsweise zwischen 15O⁰C und 250 C liegt.

Das Verfahren nach der Erfindung zeichnet sich dadurch aus, daß das organische flüssige Gemisch einen Katalysator enthält, der in Kombination Blei und wenigstens ein Element enthält, das der Gruppe Nickel, Kupfer und Zink zugehörig ist.

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Das Verfahren nach der Erfindung ist wirksam, selbst wenn die Temperatur der Formation (die insbesondere von ihrer Tiefe abhängt) niedrig liegt, da die Oxidation und Reaktion des organischen Gemisches in der Behandlungszone für eine ausreichende Freigabe der Wärme sorgt, damit das thermische Niveau erreicht wird, welches es dem organischen Gemisch ermöglicht, wirksam zu polymerisieren und die Kohäsion zwischen den Körnern der Formation sicherzustellen. Darüber hinaus werden der Sauerstoffgehalt des oxidierten eingeführten Gases sowie die Menge an in die Formation eingeführtem Sauerstoff geregelt bzw. kontrolliert, damit die maximale Temperatur nicht überschritten wird, die zur Beschädigung der polymerisierten Substanz führen ivürde.

Das organische im Verfahren nach der Erfindung verwendete Gemisch kann vorteilhaft bestehen aus einem trocknenden Öl, das gegebenenfalls mit einem organischen Lösungsmittel, unter Zugabe eines Katalysators der oben angegebenen Art verdünnt ist. Beim verwendeten trocknenden öl kann es sich vorteilhaft um Leinöl, Holzöl, Carthamöl oder allgemeiner um pflanzliche öle mit einem erhöhten Gehalt an Polyäthylenverbindungen handeln. Die verwendeten Lösungsmittel bestehen beispielsweise aus Kohlenwasserstoffen wie Benzol, Toluol, Xylol oder einer Erdölfraktion (coupe petroli^re); der Gehalt an Lösungsmittel liegt vorteilhaft zwischen O und 50 %, um die Verminderung der Reaktivität aufgrund der Verdünnung zu begrenzen.

Die Elementes des Katalysators werden in Form von Salzen wie Carboxylaten, Naphtenaten, Sulfonaten, Octoaten etc. verwendet, die in den Basisbestandteilen des organischen Gemisches löslich sind. Der Gehalt der Lösung in jedem der im Katalysator verwendeten Metalle

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liegt unter 3 Gewichtsprozent und vorzugsweise zwischen 0,007 und 2 Gewichtsprozent. Die genaue Zusammensetzung des Katalysators (verwendete Metalle und Metallgehalt) hängt ab von der Natur der Umgebung und den Lagerstättenbedingungen (Druck, Temperatur ...)·

Die Menge an eingespritztem Gemisch liegt vorzugsweise unter 500 Litern pro Meter Dicke der geologischen Formation; größere Mengen beeinflussen dabei jedoch nicht die Wirksamkeit des Verfahrens nach der Erfindung.

Bei der Anwendung des Verfahrens in Ölspeichern handelt es sich beim eingeblasenen Sauerstoff vorzugsweise um Sauerstoff oder Luft, gegebenenfalls mit Stickstoff verdünnt, um gasförmige Kohlensäure oder ein anderes inertes Gas unter Versuchsbedingungen. Bei der Anwendung des Verfahrens auf Gasspeicher handelt es sich beim oxidierenden Gasgemisch vorzugsweise um Sauerstoff oder Luft, die durch Stickstoff verdünnt sind oder um ein inertes Gas oder Erdgas; der Gehalt an Erdgas soll dabei allerdings derart sein, daß das gasförmige Gemisch unter Versuchsbedingungen außerhalb der Grenzen verbleibt, wo eine Entzündung eintreten kann. + = trocknes

Der Volumengehalt an Sauerstoff im gasförmigen Gemisch liegt vorzugsweise zwischen 0,5 und 100 %, vorzugsweise zwischen 1 und 21 I. Der Gehalt an Sauerstoff ist für eine gegebene Zusammensetzung des organischen Gemisches vorzugsweise umso geringer, je höher der Einspritzdruck liegt. Das Vorhandensein von Wasser im gasförmigen Gemisch wird durch eine geeignet Trocknungsbehandlung gegebenenfalls vermieden. Die Dosierung des oxidierenden Gemisches erfolgt an der Oberfläche; die Bestandteile des Gemisches werden entweder über Druckgas- oder Cryogengasflaschen oder über Kompressoren geliefert.

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Das im eingeblasenen Gas enthaltene Sauerstoffvolumen, bezogen auf Normbedingungen von Temperatur und Druck, liegt vorzugsweise unter 200 Liter pro Liter eingeführtem organischen Gemisch; ausgezeichnete Ergebnisse erhält man, indem man zwischen 10 und 80 Liter Sauerstoff pro Liter organisches Gemisch verwendet.

In der beiliegenden einzigen Figur ist schematisch eine Ausführungsform der Erfindung dargestellt; das Bezugszeichen 1 bezeichnet eine sandige von einem Bohrloch 2 durchsetzte geologische Formation, die einen Ausbau 3 umfaßt, der mit Perforationen 4 in Höhe der Formation 1, aus der ein Fluid beispielsweise in Erdöl oder Erdgas extrahiert werden soll, versehen ist.

Nach diesem Ausführungsbeispiel wird das Verfahren nach der Erfindung verwirklicht, indem man nacheinander in die zu behandelnde Formation bestimmte Mengen des organischen Gemisches,wie ein trocknendes Öl unter Zugabe eines Katalysators der oben definierten Art, einführt, gegebenenfalls im Gemisch mit einer anderen organischen Flüssigkeit, beispielsweise einem Lösungsmittel oder einer Erdölfraktion sowie einem oxidierenden Gas 6, wie Luft oder Sauerstoff, die nach obigen Vorschriften verdünnt sind.

Das organische flüssige Gemisch sowie das Gas können nacheinander über ein und die gleiche Produktionskolonne oder Bohrlochgestänge 7 eingeführt werden, die bzw. das im unteren Teil im wesentlichen in Höhe der Perforationen 4 mündet.

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Eine Vorrichtung 9 vom Typ "Packer" sorgt für die Dichtigkeit und verschließt den Ringraum zwischen dem Ausbau 3 und der Produktionskolonne 7 oberhalb der Formation 1. In der Produktionskolonne 7 wird das oxidierende Gas vom organischen Gemisch durch einen Stopfen 8 aus einer nicht oder wenig oxidierenden Substanz getrennt, wobei dieser Stopfen beispielsweise gebildet wird durch ein kleines Lösungsmittelvolumen oder eine Erdölfraktion in einem Erdölbohrloch oder durch Erdgas in einem Gasbohrloch. Man vermeidet so, daß Reaktionen des organischen Gemisches sich im Innern ein und der gleichen Produktionskolonne nicht einstellen.

Vorstehend handelte es sich lediglich um Ausführungsbeispiele .

Allgemein handelt es sich bei der bei 5 eingespritzten Flüssigkeit um ein organisches Gemisch, welches in Kontakt mit einem oxidierenden Gas in der Lage ist, schon bei der Temperatur der Formation 1 an einer chemischen Veränderung teilzunehmen, die zur Verfestigung dieser Formation an den Rändern des Bohrlochs führt. Die Flüssigkeit 5 ist leichter durch das gasförmige oxidierende Gemisch veränderbar, um zur Verfestigung zu führen, als die in der Formation enthaltenen Kohlenwasserstoffe und die keinen Katalysator enthaltenden organischen Basisverbindungen.

Im Fall von Erdöllagerstätten kann man vorteilhaft vor dem Einspritzen der Flüssigkeit 5 Fluide einführen wie Xylol oder eine Erdölfraktion und einen Alkohol wie Isopropanol, um das Erdöl und das an den Rändern des Bohrlochs vorhandene Wasser auszutreiben, die, wenn sie in überschüssigen Mengen vorhanden sind, einen nachteiligen Einfluß auf die Wirksamkeit der Verfestigung der Umgebung haben können.

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Die Menge an eingeführtem oxidierenden Gas wird derart bestimmt, daß man eine vollständige Verfestigung der organischen Flüssigkeit erhält, ohne daß die in der Formation aufgrund von Wärmefreigabe durch die Oxidationsreaktion der Flüssigkeit (5) 350° überschreitet. Man vermeidet so nach der Erfindung die Verbrennung bei hoher Temperatur der organischen Flüssigkeit 5, wodurch eine Polymerisatzersetzung vermieden und der Schutz der Ausrüstungen des Bohrlochs, insbesondere des Ausbaus 3 gesichert ist.

Die folgenden Beispiele erläutern die Erfindung ohne sie zu begrenzen.

Beispiel 1

Ein inniges Gemisch aus Steinbruchsand (Granulometrie zwischen 150 und 300 Mikron) und Leinöl wird bei Umgebungstemperatur in ein dünnwandiges vertikales Rohr mit 20 cm Durchmesser über eine Höhe von 15 cm gehäuft bzw. zusammengepreßt. Heizmuffen werden um das Rohr auf der vom Gemisch eingenommenen Höhe angebracht, um eine Kontrolle der transversalen Wärmeverluste zu ermöglichen. Im Falle einer Temperaturerhöhung wird die elektrische von den Heizbunden gelieferte Leistung derart eingestellt, daß die im Gemisch bestimmte Temperatur nicht um mehr als 10° über der auf gleichem Niveau gegen die Außenwand des Rohres gemessenen Temperatur liegt.

Die Grundmasse, die dadurch erhalten wurde, daß ein Gemisch von 7,2 kg Sand und 0,63 kg Leinöl aufgehäuft bzw. zusammengepreßt wurde, hat eine Porosität von 38 % und eine Leinölsättigung gleich etwa 40 Volumenprozent der Poren. Seine Anfangstemperatur liegt bei 20⁰C.

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Eine Luftmenge gleich 1,55 l/min wird bei atmosphärischem Druck über die Oberseite des Rohres sieben Stunden lang eingeblasen. Man beobachtet keine Verminderung im Sauerstoffgehalt des austretenden Gases und keine Temperaturerhöhung im imprägnierten porösen Milieu. Bei Versuchsende stellt man fest, daß die Grundmasse sich nicht verfestigt hat.

Man sieht also, daß unter den gewählten Arbeitsgedingungen keine Reaktion in einer keinen Kondensator enthaltenden leinölgetränkten Grundmasse sich einstellt.

Beispiel 2

Ein inniges Gemisch aus einem mineralischen Träger und einer organischen flüssigen Mischung wird bei Umgebungstemperatur in ein vertikales Rohr mit dünner Wandung von 12,5 cm Durchmesser geschüttet, das die Innenkammer einer zylindrischen Hochdruckzelle bildet. Das Innenrohr ist mit Heizbunden sowie einer Wärmeisolierung versehen, um die thermischen Verluste bei Temperaturerhöhung der Grundmasse zu kompensieren.

Das verwendete organische Gemisch ist Leinöl mit einem Zusatz von 1,68 Gewichtsprozent Blei in Form von Naphtenat; der mineralische Träger ist ein Grubensand mit einem Zusatz von 5 % Kaolinit. Der Versuch wird unter einem relativen Druck von 10 Bar mit einer Luftmenge von 3 l/min (gemessen unter Normbedingungen von Temperatur und Druck) durchgeführt.

Während sechsstündiger Versuchsdauer hat die Temperatur sich von 20⁰C auf ein Maximum von 48⁰C erhöht. Durch das langsame Fortschreiten der Reaktion hat sich keine Verfestigung in der Grundmasse ergeben.

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Beispiel 3

Ein Versuch wurde unter Arbeitsbedingungen gleich denen des Versuchs 2 durchgeführt, wobei jedoch als organisches Gemisch Leinöl mit einem Zusatz von 0,3 Gewichtsprozent Nickel in Form des Octoats verwendet wurde.

Keinerlei Temperaturerhöhung und keine Verfestigung der Umgebung wurde festgestellt.

Beispiel 4

Negative Versuche hat man ebenfalls erhalten, wenn man unter Bedingungen analog zu denen des Versuchs 2, jedoch mit einem Luftdurchsatz von 1,5 1 (Normbedingungen) pro Minute arbeitete und indem man als organisches Gemisch

Leinöl mit einem Zusatz von 0,06 Gewichtsprozent Kupfer in Form von Naphtenat verwendete.

Beispiel 5

Es wurde ähnlich wie bei Versuch 2 gearbeitet, wobei man jedoch Leinöl mit einem Zusatz von 1,68 Gewichtsprozent Blei in Naphtenatform und 0,3 Gewichtsprozent Nickel in Octoatform verwendete.

Der Versuch lief unter einem relativen Druck von 10 Bar und einem Luftdurchsatz von 3 1 (Normbedingungen) pro Minute ab. Die Reaktion stellt sich als Temperaturerhöhung bis 195 C dar. Nach diesem Versuch stellt man fest, daß die Umgebung ihre Permeabilität behalten hat und sich sehr gut verfestigt hat: ihr Widerstand gegen Zusammendrückung liegt bei 90 Bar. So gibt der verwendete Katalysator ausgezeichnete Ergebnisse zur Verfestigung des Umgebung.

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Beispiel 6

Es wurde ähnlich dem Versuch 2 gearbeitet, wobei als organisches Gemisch jedoch Leinöl mit einem Zusatz von 1,68 Gewichtsprozent und 0,12 Gewichtsprozent Kupfer, beide in Naphtenatform, verwendet wurden.

Der Versuch lief unter einem relativen Druck von 10 Bar mit einem Luftdurchsatz von 3 l/min (Normbedingungen) 7 Stunden und 40 Minuten lang ab. Die Reaktion stellt sich als eine Temperaturerhöhung von 20 auf 26O⁰C dar.

Nach dem Versuch stellt man fest, daß die Umgebung ihre Permeabilität erhalten und sich vollständig verfestigt hat. Ihr Widerstand gegen Zusammendrückung liegt bei 92 Bar.

Beispiel 7

Ein Versuch unter den gleichen Bedingungen wie bei Beispiel 2 wurde durchgeführt, wobei man als organisches Gemisch jedoch Leinöl mit einem Zusatz von 1,68 Gewichtsprozent Blei und 0,2 Gewichtsprozent Zink verwendete. Während des Versuchs mit einer Dauer von 7 Stunden stellt man eine Temperaturerhöhung in der Grundmasse von 20° auf 24O⁰C fest.

Nach dem Versuch überprüft man, daß die Umgebung ihre Permeabilität behalten und sich vollständig verfestigt hat. Ihr Widerstand gegen Zusammendrückung liegt bei 74 Bar.

Allgemein ist das Verfahren nach der Erfindung zur lokalen Verfestigung permeabler Formationen anwendbar.

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Claims

PATENTANSPRÜCHE

1. Verfahren zum Verfestigen bzw. Konsolidieren einer geologischen Formation in zwei aufeinander folgenden Stufen, wobei man:

a) in die Formation ein organisches flüssiges wenigstens eine chemische polymerisierbare Verbindung und einen Katalysator enthaltendes Gemisch einspritzt, wobei das Gemisch von der Art ist, daß es in situ in Kontakt mit einem oxidierenden Gas Reaktionen ausführt, die bei Umgebungstemperatur der geologischen Formation beginnen und dazu führen, ein festes Produkt zu erhalten, welches diese Formation verfestigt, ohne seine Permeabilität merklich zu beeinflussen; und

b) man ein oxidierendes Gas in ausreichender M enge, um eine im wesentlichen vollständige Verfestigung dieser organischen Flüssigkeit zu erhalten,einbläst, wobei die Menge jedoch derart begrenzt ist, daß die in der Formation während dieser Reaktionen erreichte Temperatur 35O⁰C nicht überschreitet,

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dadurch gekennzeichnet , daß dieses flüssige organische Gemisch einen Katalysator enthält, der in Kombination Blei und wenigstens ein Element aus der Gruppe Nickel, Kupfer und Zink enthält.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß die Elemente des Katalysators in Form von Salzen \^rerwendet werden, die in den Grundbestandteilen des organischen flüssigen Gemisches löslich sind.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß das organische flüssige Gemisch ein trocknendes Öl enthält.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet , daß das organische flüssige Gemisch Leinöl enthält.

5. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet , daß das organische flüssige Gemisch Tungöl oder Holzöl enthält.

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