DE3346566A1 - Kiesdichtungspackung fuer dampf-injektionsbohrungen und zu diesem zweck vorgefertigte packung - Google Patents

Description

• « * ·«·»*· «ft J t4 -ί Φ ι i * «J 41

Hamburg, den 16. Dezember 196?

275^83

Priorität: 3. Jan. 1983, UbA

Pat.-Anmld.Nr. 4-55,372

Anmelder: Chevron Re search Company ban !Francisco, USA

Kiesdichtungspackung für Dampf-Jn.;jektionsbohrungen und zu diesem Zweck vorgefertigte Packung

Die Erfindung bezieht sich auf die Herstellung von Kie.°- packungen oder vorgefertigten Packungseiementen für Dampfin,] ektionsbohrungen. Insbesondere betrifft die Erfindung die Benutzung von granuliertem, gesintertem Bauxit-Meterial als Packungsmaterial für eine Kiespackung oder eine vorgefertigte Packung, die in eine Dampf-Injektion.=;bohrung einzubringen ist.

Kiespackungen werden in Ölbohrungen als im .Bereich der Bohrlochsohle anzuordnende Filter benutzt, die so ausgeführt werden, daß Sand der angrenzenden Formation gehindert wird, in das Bohrloch einzutreten und dadurch bchaden zu verursachen. Eine Kiesdichtung wird dadurch gesetzt, daß ein Kiesschlamm um einen Liner oder ein Futterrohr herum nach unten gepumpt wird. An Ort und Stelle verhindert der Kies die

Wanderung des Formationssandes, während der Liner den Kies J zurückhält. Ein vorgefertigtes Packungselement ist eine übertage hergestellte Kiespackung, in der der Kies zwischen zwei konzentrischen Sieben gehalten wird. Sowohl eine Kiesdichtung als auch ein vorgefertigtes Dichtungselement können in offenen oder verrohrten Bohrlöchern benutzt werden. Jber viele Jahre sind sie in Verfahren zur Verhinderung der bandeinwänderung erfolgreich eingesetzt worden, wobei die Kiesdichtung das verbreiteteste und wirksamste Verfahren bildet. Eine ts'pische Anwendung sowohl einer Kiesdichtung als auch des vorgefertigten Dichtungselementes besteht in Bohrungen, die Strömungsmittel aus nur lose verfestigtem Sandstein produzieren. Derartige Sande haben nur einen geringen oder gar keinen Gehalt an Zementierungsmaterial, und aufgrund des Mnfließens des Strömungsmittel in das Bohrloch wird auch Formationsmaterial mit produziert und führt zu beträchtlichen öchaden an der Bohrung oder den übertage befindlichen Einrichtungen aufgrund von Erosion oder Verstopfung.

Sas übliche Filtermaterial einer Kiespackung oder vorgefertigter Packungselemente ist Kiesel-Geröll, dessen Teilchengröße so gewählt ist, daß seine Porenstruktur den Durchgang von Fornationssand verhindert. Es wird im Tagebau aus unverfestigten Sandablagerungen gewonnen und dann derart gesiebt, daß Materiel mit einem engen Bereich von. Teilchengröße^ erzeugt wird. Die Technik hat primäre und sekundäre Größenbereiche sov.de annehmbare Bereichs fcoleranzen festgestellt, die für Kies- oder Geröllpackungen empfohlen werden., innbeyondere für erdolproduzierende Bohrungen.

Die Lebensdauer einer Geröll-Packung oder einer vorgefertigten Packung, die in einer Tiefbohrung angeordnet wird, kann beschränkt sein. Ausfälle können auf der' unsachgemäßen Einbringung der Kiespackungen oder auch Erosion der Heltesiebe. in vorgefer-cigten Elementen, beruhen. Zwei bekannte Gefährdungen einer Kiespackung oder einer vorgefertigten Packung

sind die Verstopfung und der Abbau oder die chemische Zersetzung des Geröllmaterials innerhalb der Packung. Bei vielen Betriebsbedingungen sind solche Gefährdungen bzw. Zerstörungen nicht zu erwarten, da die durch die .Packung hindurchproduzierten oder injizierten Strömungsmittel auf Kieselgeröll nicht korrodierend einwirken. Ein wichtiges Verwendungsgebiet von Geröllpackungen und in einem geringeren Ausmaß auch von vorgefertigten Elementen besteht in Bohrungen, in denen Dampf-Injektionen vorgenommen v/erden, .eis hat sich gezeigt, daß die Bedingungen, die in Dampf-Injektionsbohrungen vorherrschen, die Auflösung von Silikatgeröll stark begünstigen, mit anschließendem Ausfall der Sandsperre, wenn. die Bohrung danach als Produktionsbohrung benutzt wird. Hierzu s. Keed, M.G.: "Gravel Pack and Iformation Sandstone Dissolution during Steam Injection", J. Pet. Tech. (Juni 1980), p. 941, und McC orris ton, L.L. et al.: "Study of Reservoir-Damage Produced in Heavy Oil .formations Due to Steam Injection", SPL Preprint 10077, SPE Pall Mtg., San Antonio, TX, 5. - 7. Oktober 1981.

Die Lebensdauer einer Kies- oder Geröllpackung oder einer entsprechenden, vorgefertigten Packung in thermischen Bohrungen könnte verlängert und damit die Wirtschaftlichkeit verbessert werden, falls das Kieselmaterial des Gerölls durch ein Material ersetzt werden könnte, das widerstandsfähiger gegen Dampf vväre. Ein Hauptnachteil der Verwendung von üblichem Kieselmaterial in thermischen Bohrungen ist die Lösbarkeit des Kieselrnaterials. Der Ersatz für Kieselgeröll sollte vorzugsweise alle guten Eigenschaften haben, die die Sandrückhaltung ermöglichen, dabei aber weniger löslich in dem- Dampf sein, der durch die Packung hindurch injiziert werden soll.

Entsprechend diesen Anmerkungen zum Stand der Technik bezweckt die Erfindung, ein kiesartiges Packungsmaterial bzw. ein für eine vorgefertigte Packung geeignetes Material zu

• *

schaffen, das im wesentlichen unlöslich bei den Zuständen ist, die bei stimulierenden Dampf-Insektionen vorherrschen. Zur Lösung dieser Aufgabe sieht die Erfindung eine Bohrlochfertigstellung gem. Anspruch 1 vor. Ausgestaltungen di&ser Bohrlochfertigstellung sind in den Ansprüchen 2 bis 6 gekennzeichnet. Die Erfindung besteht ferner in deJi Verfahren gem. Anspruch 7 und in dem vorgefertigten Packungslement gem. Anspruch 8.

V/eitere Vorzüge und Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung und der Zeichnung, in denen die Erfindung beispielsweise erläutert und dargestellt ist. Es zeigen:

Fig. 1 einen senkrechten Schnitt durch eine Erdforiaation zur Veranschaulichung der beim Einsatz der Erfindung über- und untertage herrschenden Umgebung,

Fig. 2 die bchnittansicht der Fertigstellung einer

Bohrung untertage mit einer Kiespackung in einem offenen Bohrloch,

Fig. 3 die Ansicht eines Schnittes durch die Fertigstellung einer Bohrung untertage mit einer .Kiespackung, die im üingraum zwischen einem Futterrohr und einem Liner eingesetzt ist, und

Fig. 4- die Ansicht eines Schnittes durch ein vorgefertigtes Packungselement mit einer Kiespackung in dem Mngraum zwischen einem inneren und äußeren Liner.

Die Erfindung wird in der Umgebung angewendet, die in Fig. dargestellt ist, wobei eine Bohrung 10 durch eine Erdformstion 12 hindurch bis zu einer erdölhaltigen Schicht 14 sbge-

· » · ι ι · till ·. ι it ,1

teuft worden ist. Die Bohrung kann eine Verrohrung 16 enthalten, die bei 18 entlang der Formation einzementiert und bei 20 innerhalb der erdölhaltigen Zone perforiert ist. .ein iiohrstrang 22 ist innerhalb der Verrohrung 16 angeordnet und übertage an einen Bohrlochkopf 24 angeschlossen und untertage an dem an die erdölhaltige Zone angrenzenden x-nde betriebsweise mit einer Kies- oder Geröllpackung 26 verbunden.

übertage und über dem Bohrlochkopf 24 ist der iiohrstrang 22 '- ·> >%|f U, -* i^l-

.mit einem Ventil 28 und einer Steuervorrichtung 30 versehen, ίέΒ ^ "³ ₍ ¹^

die die Injektion von Dampf oder heißen Strömungsmitteln vom * | \-y

Dampfgenerator 32 bzw. die Produktion von Bohrlochflüssig- J ' ,

keit an der Pr odukt i ons einrichtung 34 steuert. Ju

Fig. 1 soll die mögliche Ölfeldumgebung veranschaulichen, in der Dampf und/oder heiße Flüssigkeiten in eine unterirdische Formation injiziert vjerden, die nicht fließendes Erdöl enthält, z. B. Hochviskosis, schweres iirdöl, das dadurch aufgeheizt und mobilisiert wird. Dieselben übertage und untertage befindlichen Einrichtungen werden dann für die Produktion von Flüssigkeit aus der Formation benutzt. Die derart produzierten Flüssigkeiten bestehen z. T. 'aus den injizierten strömungsmitteln und z. T. aus dem jetzt erwärmten und mobilisierten Formationserdöl.

Formationen, die hochviskoses, unbewegliches Erdöl enthalten, bestehen häufig aus wenig verfestigtem öandstein. Diese oände bewegen sich mit den produzierten Formotionsströmungsmittelri und fließen in die Bohrung. In den schliimacten Fällen verstopfen die Sande die durch die Verrohrung 16 hindurchgehenden Perforationen und verhindern die weitere Produktion von Formationsflüssigkeit. Selbst wenn die Perforationen nicht verstopfen, verursacht die Produktion von Formationssänden ernste Schaden an der Formation und der Bohrung während der Produktion und kann auch die übertage befindlichen Einrich-

'wmmmmwmsimmmm

tungen aufgrund ihrer iSchleifwirkung beschädigen. Deshalb soll verhindert, werden, daß mit den produzierten flüssigkeiten sich auch die Formationssände bewegen.

Ls ist seit langem üblich, bei der Produktion von Erdöl nach natürlichen oder bekannten Verfahren eine Kieselpackung in den Äingraum zwischen dem inneren Produktionsrohrstrang und dem perforierten Futterrohr einzubringen, und zwar entweder als vorgefertigte Packung oder als eine in der Bohrung ^hergestellte Packung. Kies- oder Geröllpackungen können auch in unverrohrten oder offenen Bohrungen eingesetzt v/erden und das gesamte offene Loch unter der Verrohrung ausfüllen. In derartigen Kiespackungen besteht der Kies oder das Geröll gewöhnlich aus Kies oder Sand in abgestuften Körnungen, deren Größenverteilung so gewählt ist, daß die Bewegung der FormationsSandkörner verhindert wird.

'wenn die erdölführende Formation aus unverfestigten bandsteinen besteht und z. B. das Erdöl in der Formation ein sehr schweres Rohöl ist, des nur dann nach einer Produkt ions bohrung fließt, wenn es durch Erwärmung mobilisiert worden ist, werden bislang gewöhnlich Dampf oder andere heiße »Strömungsmittel in die Formation injiziert, um das Rohöl zu mobilisieren. Falls denn das mobilisierte Rohöl dazu neigt, Foriaationssände mitzuführen, ist der mit Kiespackung versehene Bohrlochringraum erforderlich. Eine solche Kiespackung muß gesetzt werden, bevor die Bohrung durch den injizierten Dampf oder das heiße Strömungsmittel angeregt wird, de es unzweckmäßig wäre, die Kiespackung in die heiße unterirdische Formation einzubringen.

Es hat sich gezeigt, daß übliche Kiespackungen sich in den injizierten »Strömungsmitteln aufgrund der hohen Temperatur und der korrodierenden Eigenschaft dieser otröraungsiaittel auflösen. Bei vielen Materialien, von denen angenommen wurde, daß sie völlig unlöslich in Injektionsströmungsmitteln

* ■ * M I

sein wurden, hat sich herausgestellt, daß sie während längerer Perioden der Ütrömungsmittelinjektion im Rahmen von üifeldenregungsverfahren praktisch vollständig verschv.'indcn. einige Dampfanregungsprogramme schreiben die Injektion, von Dampf kontinuierlich über mehrere Jahre vor, bevor aus den angeregten Formationen Flüssigkeiten produziert werden können.

ist nun gefuxiden worden, daß es ein Material gibu, dec bewerden kann, um die Hachteile üblicher Kiespacküngsmaterialien zu überwinden. Für die Zwecke der Abdichtung dec liingraumes einer Dampf-Injektionsbohrung ist es erwünscht, daß das Dichtungsmaterial die folgenden Eigenschaften hat:'

ΉΚΑ-äL ."-«■■ ΐ£δώ.,

"ikJiÄ!

Bereich der Teilchengröße

iümdung

Kugelförmigkeit spezifisches Gewicht Druckfestigkeit Säurelöslichkeit

Dampflöslichkeit

zwischen 2 und mehr als -100 US Maschen

gleich oder größer 0,6 * gleich oder größer 0,6 * größer 0,1

größer 140,6 kg/cm geringer als 1,0 Gew. -/o gem. API Test ** unlöslich

Wmam

.·,■»■

*Krumbein-Skala veröffentlich in Stratigraphy snd üedimentation, 2. Auflage 1955» San Francisco, California

**Empfohlene Verfahren zum Prüfen von in Kiesdichtungsarbeiten verwendetem band.

Ein diesen Anforderungen genügendes Material ist gesinterter Bauxit, öeine Löslichkeit unter simulierten Dampf-Injektionsbedingungen betrug nur 1/50 bis 1/100 der oiOp-oände höchster Qualität, die gegenwärtig in der Erdölindustrie benutzt v/erden.

Die Fig. 2, 3 und 4 zeigen den typischen Einbau von Dichtungsmaterialien aus gesintertem Bauxit in einer Kies- oder

I'» . a * β · · ti ι

- 8

Gerölldichtuug für eine erdölhaltige Formation untertage. In Fig. 2 ist der-Einbau in einer offenen Bohrung unter dem verrohrten Teil dargestellt. Der gesinterte Bauxit 50 ist in üblicher Weise eingebracht worden, in dem es in die Untertage-Position 4-2 eingepumpt worden ist, -Hchdem der Rohrstrang in die Verrohrung 16 eingebaut worden ist. Das Ende des fiohrstranges an der Bohrlochsohle weist einen geschlitzten, mit Draht umwickelten oder perforierten Liner 4-4 auf, der der trägerflüssigkeit ermöglicht, in dein liohrstrong nach oben zum -Bohrlochkopf zurückzufließen, während der gesinterte Bauxit 4-0 'in dem abzudichtenden Bereich bleibt. Ein Packer 4-6 wird über den mit der ßauxitpackung versehenen Bereich gesetzt, um den Hingraum über dem Packer von der Injektions- und Produktione-.zone 4-2 zu isolieren.

Fig. 3 zeigt eine Kiespackung, die in einer verrohrten Bohrung angeordnet ist. Die Verrohrung 16 ist bei 20 perforiert, um eine Öffnung zur erdölführenden Formation 14- herzustellen. Am unteren Ende eines inneren fiohrstranges 22 ist ein innerer Liner 50, der mit Schlitzen oder Perforationen 52 versehen ist, innerhalb der Verrohrung 16 angeordnet. Ein unterer Packer 54- ist am unteren Ende des mit einer Packung zu versehenden Bereiches eingesetzt v/orden. Das Packungsmaterial 56 wird im llohrstrang und durch ein nicht dargestelltes Packungswerkzeug hindurch abwärts gepumpt, um in den fiingraum zwischen dem inneren Liner und der Verrohrung eingebracht zu werden. Wenn die Packung gesetzt worden ist, v;ird das Packungswerkzeug entfernt, und eine Dichtung bzw. ein .Packer 58 kann auf das obere Ende der Packung gesetzt werden.

Fig. 4- veranschaulicht ein vorgepacktes Element 60, das in ein Bohrloch eingebracht werden kann, und zwar entweder in ein offenes Loch, wie Fig. 2 zeigt, oder in eine verrohrte Bohrung, s. Fig. 3. Die vorgefertigte Packung besteht aus einem inneren ftieb 62, das aus geschlitztem oder perforiertem Material oder aus einer Drahtuiawicklung bestehen kann, und einem äußeren bieb 64-, das in gleicher Weise ausgebildet

bzw. hergestellt sein kann. In dem yorgefertigten Element ist der dszviischen bestehende Kingraum mit Packungsmaterial 66 ausgefüllt. Die Siebe und das Packungsmaterial bilden ein poröses, durchlässiges Element, das ermöglicht, daß Strömungsmittel .in den inneren Hohlraum des Siebes und durch den Kohrstrang 22 .fließt, an dem-es befestigt ist. Das vorgefertigte Element wird in das Bohrloch im Bereich der erdölhaltigen Iformation eingesetzt, wie in 2 oder 3.

Das vorgefertigte Element 60 gewährleistet, daß das Packungsmaterial richtig angeordnet ist. Es ist jedoch ein Element, das in das Bohrloch eingefahren und in der gewünschten Position im Bereich der erdölhaltigen Zone bzw. in der Position eingesetzt werden muß, wo die Injektion in die Formation vorgenommen wird.

Ein für den hier vorgesehenen Zweck brauchbares Material ist gesinterter Bi3uxit. Dieses Material kann In gewünschten. Körnungen erzeugt werden, so daß der Größenbereich verfügbar ist, der für die Benutzung in Bohrlochkiespackunsen empfohlen wird. Gesinterter Bauxit ist widerstandsfähig gegen die ätzende Umgebung in einer Dsmpf-Injektionsbohrung und auch gegen die i'lüssigkeitsuiagebung, die eich ausbildet, wenn JTormationsflüssigkeiten durch die Packung hindurch produziert werden.

Der bevorzugte Bereich der Teilchengröße liegt zwischen 2 und 100 Maschen. Gesinterter Bauxit ist in diesem Größenbereich erhältlich. Das Packungsmaterial sollte eine nundung undKKugelförmigkeit von mehr als 0,6 und ein spezifisches Gewicht von mehr als 0,1 und eine Druckfestigkeit vcn mehr als 140,6 kg/cm (2000 psi)haben.

Gesinterter Bauxit wird von verschiedenen Unternehmen in den Handel gebracht. Es wird dadurch hergestellt, daß kalziniertes Bauxiterz zu einem Pulver bestimmter Feinheit

- 10 -

ta

· ■ f

gemahlen, das Pulver unter hohem Druck zu zusammengeballten, abgerundeten Massen von allgemein der gewünschten Größe gepreßt und schließlich die zusammengeballten Massen einer Wärmebehandlung unterworfen werden, bei der die Pulverkörnchen miteinander versintern. Das spezifische Gewicht von gesintertem Bauxit liegt im Bereich von 3?5 bis 3/75-Bauxitpulver wird gesintert bei Drücken von gewöhnlich mehr als 351₅5 kg/cm (etwa 5·000 psi), d. h. wesentlich über dem kritischen 'wert von 140,6 kg/cm , der für Materialien vorgesehen ist j die in Kiespackungen zu verwenden sind.

Claims (7)

« «ι · ·· · · ι η » r · r t t a fr* * f · · a t · · Ansprüche:

1.1 Bohrlochfertigstellung mit einem Material aus Teilchen abgestufter Körnungen, dadurch gekennzeichnet, daß das Material (40; 56; 66) unter hohen Temperaturen unlöslich in kaustischen flüssigkeiten und Formationsflüssigkeiten ist.

2. Bohrlochfertigstellung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Teilchenmaterial ein gegenüber Dampf widerstandsfähiges Material ist.

3. Bohrlochfertigstellung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Teiiciienmaterial gesinterter Bauxit ist.

Bohrlochfertigstellung nach einem der Ansprüche 1 bis dadurch gekennzeichnet, daß das Teilchenmaterial Teilchengrößen in einem Bereich aufweist, der zwischen 2 und größer als 100 Maschen (U

S Standard) liegt.

Bohrlochfertigstellung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet,, daß das Teilchenmaterial eine zündung von mehr als 0,6 und eine Kugelförmigkeit von mehr als 0., 6 auf v/eist.

• · t ■

Γ if · - · ,' E S '"■tf-

6. Bohrlochfertigstellung nach einem der vorhergehenden iuisprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Teilchenmaterial ein spezifisches Gewicht von mehr als 0,1, eine Druckfestig-

keit von mehr als 140,6 kg/cm und eine üäurelöslichkeit von weniger als 1 Gew. ^L/o gem. API-Test aufweist.

7. Verfahren zur Verringerung der Löslichkeit einer aus Teilchenmaterial bestehenden Packung in einem Bohrloch, in dem das Packungsmaterial einem Durchfluß vom Bohrloch in die an-

β>1^/"'' grenz ende·» Format ion und von der Formation in? das Bohrloch aus-ΊίΨΡ^Γ gesetzt wird, dadurch gekennzeichnet, daß als Packungsmaterial ^i \ V*f" -*' gesinterter Bauxit eingesetzt wird.

i. "^t% , ^Qh Ein vorgefertigtes Bohrlochpackungselement, bestehend aus

%,** · einem inneren und einem äußeren Liner, die einen hohlzylin- ; drischen Eingraum begrenzen, der mit einem teilchenförmigen % ~ ,Material ausgefüllt ist, dadurch gekennzeichnet, daß das

^ teilchenförinige Material aus gesintertem Bauxit besteht, das ' in dem Hingraum festgepackt angeordnet und von innen nach außen und von außen nach innen für ein Strömungsmittel durch-,gängig ist.