DE3715398A1 - Verfahren und einrichtung zur isolierung von absorbierenden schichten in bohrloechern - Google Patents
Verfahren und einrichtung zur isolierung von absorbierenden schichten in bohrloechernInfo
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Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine
Einrichtung zur Isolierung von absorbierenden Schichten
in Bohrlöchern nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs
1 bzw. 2.
Ein solches Verfahren gelangt beim Bohren von Erdöl- und
Gassonden in der Erdölförderung und im Bergbau zur Anwendung.
Bekannt ist bereits ein Verfahren zur Isolierung von absorbierenden
Schichten in Tiefbohrlöchern (Krylov V.I.
"Isolierung von absorbierenden Schichten in Tiefbohrlöchern",
Verlag "Nedra", Moskau, 1980, SS. 258-259),
das darin besteht, daß man in den Bohrstrang vom Bohrlochmund
ein Abdichtungsgemisch einpumpt. Gemeinsam mit dem
Abdichtungsgemisch transportiert man Füllstoffe, Härtemittel
bzw. Abbindebeschleuniger in Polyäthylen- bzw.
Gummigefäßen. Beim Austritt aus dem Bohrstrang wird die
Gefäßhülle durch Messer zerstört. In das Abdichtungsgemisch
werden zusätzliche Komponenten eingeführt, die eine
Beschleunigung des Abbinde- und Erhärtungsprozesses bewirken.
Unter der Einwirkung der Beschleuniger für das
Abbinden und Erhärten des Abdichtungsgemisches findet
eine Veränderung der rheologischen und strukturell-mechanischen
Eigenschaften des Abdichtungsgemisches nicht
augenblicklich, sondern während einer bestimmten Zeit
statt, so daß während seiner Bewegung im Bohrlochraum
unterhalb des Bohrstranges und in der absorbierenden
Schicht das Abdichtungsgemisch unvermeidlich mit der Bohrspülung
im Bohrloch und mit der Formationsflüssigkeit
in der absorbierenden Schicht vermischt wird, weil das
Abdichtungsgemisch in der absorbierenden Schicht hauptsächlich
über deren am stärksten drainierte Kanäle gelangt.
Das Abdichtungsgemisch büßt seine Abdichtungseigenschaften
in erheblichem Maße ein, was die Isolierungsgüte der
absorbierenden Schichten von Bohrlöchern herabsetzt.
Bekannt ist ferner ein Verfahren zur Zementation von Bohrlöchern
(SU-A 10 55 856), das darin besteht, daß man zunächst
die Spülung des Bohrloches vornimmt, danach in
den Bohrstrang vom Bohrlochmund ein Abdichtungsgemisch
einpumpt und den Abbinde- und Erhärtungsprozeß des Abdichtungsgemisches
unter Gewinnung von Phasen mit höherer
bzw. geringerer Dichte durch Fliehkraftseparation des
Abdichtungsgemisches am Austritt aus dem Bohrstrang beschleunigt.
Das Abdichtungsgemisch erhält eine Drehbewegung
und gelangt dann in der Bohrlochringraum. Der sich
drehende Abdichtungsgemischstrom erhält eine zusätzliche
Drehgeschwindigkeitszunahme beim Hochsteigen an den Bohrlochmund.
Die Drehgeschwindigkeit des Abdichtungsgemisches
erreicht einen maximalen Wert in der Zone des minimalen
Ringquerschnittes zwischen der Bohrlochwand und dem maximalen
Außendurchmesser der Separationseinrichtung. Als
Folge davon entsteht ein erhöhter Druck auf die Bohrlochwände.
Unter der Wirkung dieses Druckes wird das Abdichtungsgemisch
separiert, d. h. es wird unter Bildung von
Abdichtungsgemischschichten mit verschiedenem Wasser-Zement-
Verhältnis entmischt. An der Peripherie entsteht
an der Bohrlochwand eine Abdichtungsgemischschicht mit
geringem Wasser-Zement-Verhältnis - also mit geringerer
Dichte, im zentralen Bereich - eine Abdichtungsgemischschicht
mit größerem Wasser-Zement-Verhältnis - also mit
höherer Dichte. Wegen der Strombewegung wird der zentrale
Strom entfernt, wodurch es möglich wird, das Wasser-Zement-
Verhältnis unmittelbar in der absorbierenden Zone
der Schichten, insbesondere beim Isolieren von absorbierenden
Schichten mit hoher Formationsfließkapazität, zu
regeln.
In diesem Verfahren ist eine Blockierung der Abwärtsbewegung
des Abdichtungsgemisches geringerer Dichte nicht
vorgesehen. Hierbei ist die steigende Bewegung der Abdichtungsgemischphase
geringerer Dichte durch einen in der
Bewegungsrichtung des Abdichtungsgemischstromes angeordneten
Käfig in Gestalt eines Rotationsparaboloids mit nach
oben hin größer werdendem Querschnitt erschwert. Als Folge
davon wird die Abdichtungsgemischphase höherer Dichte
mit der Abdichtungsgemischphase geringerer Dichte erneut
intensiv vermischt, was zur Beeinträchtigung der Effektivität
der Isolierung der absorbierenden Schichten führt.
Am intensivsten erfolgt die Vermischung der Abdichtungsgemischphasen
von höherer und geringerer Dichte beim Isolieren
von hochpermeablen absorbierenden Schichten.
Es ist weiterhin eine Einrichtung zur Zementierung von
Bohrlöchern bekannt (SU-A 10 55 856), die ein Gehäuse
aufweist, das mit dem unteren Ende des Bohrstranges mittels
eines Übergangsstücks verbunden ist, einen Axialkanal
aufweist und zumindest einen seitlichen Zirkulationskanal
zur Separation des Abdichtungsgemisches besitzt.
Der Zirkulationskanal ist an der Außenfläche des Gehäuses
entlang einer Schraubenlinie ausgeführt und verbindet
den Axialkanal mit dem Bohrlochringraum, wo die Fliehkraftseparation
des Abdichtungsgemisches stattfindet.
Das Gehäuse besitzt ferner einen Mantel, dessen Außenfläche
in der Zone oberhalb des seitlichen Zirkulationskanals
in Gestalt eines Rotationsparaboloids mit nach oben
hin größer werdendem Querschnitt ausgeführt ist.
Zur Erzielung einer effektiven Drehung des Abdichtungsgemischstromes
muß ein beträchtliches Druckgefälle in
den schraubenförmigen Zirkulationskanälen erzeugt werden,
wozu eine erhebliche Länge und ein geringerer Querschnitt
dieser Kanäle notwendig sind, was nicht fertigungsgerecht
ist, Anforderungen an die Zementierausrüstungen
(oberirdische Sondenverflanschung, Bohrstrang) härter
macht und die Gefahren bei der Durchführung der Isolierungsarbeiten
an der absorbierenden Schicht erhöht.
In einem nach oben hin allmählich schmaler werdenden Ringkanal
zwischen den Bohrlochwänden und dem Einrichtungsmantel,
der in Gestalt eines Rotationsparaboloids ausgeführt
ist, nimmt der Querschnitt des Abdichtungsgemischstromes
stark ab, was eine erhöhte Stromverwirbelung zur
Folge hat, bei der der Prozeß der Fliehkraftseparation
des Abdichtungsgemisches erschwert wird. Außerdem führt
die Querschnittsabnahme des aufsteigenden Abdichtungsgemischstromes
im Bohrlochringraum zur Zunahme des auf
die absorbierende Schicht wirkenden Drucks, was die Möglichkeit
einer Erhöhung der Drehgeschwindigkeit des Abdichtungsgemischstromes,
insbesondere beim Isolieren von
hochpermeablen absorbierenden Schichten begrenzt und die
Abwärtsbewegung der Abdichtungsgemischphase mit geringerer
Dichte unter nachfolgendem Eindringen dieser Phase
in die absorbierende Schicht und dabei erfolgendem Vermischen
mit der Abdichtungsgemischphase höherer Dichte
verstärkt.
Bei der Ausführung der Einrichtung mit einem Zirkulationskanal
erfolgt keine dynamische Auswuchtung der Einrichtung,
wodurch eine stabile konzentrische Lage der Einrichtung
im Bohrloch nicht gewährleistet wird.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren
und eine Einrichtung zur Isolierung von absorbierenden
Schichten in Bohrlöchern mit einer Ableitung einer der
Abdichtungsgemischphasen zu schaffen, die es erlaubt,
die Isolationsgüte gegenüber absorbierenden Schichten
zu erhöhen.
Diese Aufgabe wird mit den im Kennzeichen des Patentanspruchs
1 angegebenen Maßnahmen verfahrensmäßig und vorrichtungsmäßig
mit den im Kennzeichen des Patentanspruchs
2 angegebenen Merkmalen gelöst.
Das Verfahren gestattet es, die Isolierung von absorbierenden
Schichten zu vereinfachen, den Materialaufwand um
das 2- bis 3fache zu senken und den Zeitaufwand um das
2- bis 5fache zu verringern.
Die Einrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen
Verfahrens ist konstruktiv einfach aufgebaut, kompakt,
fertigungsgerecht und zuverlässig im Betrieb.
Mit der Ausgestaltung nach Anspruch 3 lassen sich die
Durchlaufbedingungen für die Phase des aufsteigenden Abdichtungsgemischstromes
von geringerer Dichte verbessern
und ein Durchtritt der Abdichtungsgemischphase von geringerer
Dichte in der absorbierenden Schicht vermeiden.
Mit der Ausführung nach Anspruch 4 lassen sich die Durchlaufbedingungen
des aufsteigenden Stroms der Abdichtungsgemischphase
mit geringerer Dichte verbessern.
Die Anwendung der Erfindung gewährleistet eine Verbesserung
der Isolierungsgüte von absorbierenden Schichten,
eine Vereinfachung des Isolierungsprozesses von absorbierenden
Schichten, insbesondere von Zonen mit intensivem
Abdichtungsgemischverlust beim Niederbringen von Bohrungen
durch Massive von klüftig-kavernösen Gesteinen,
die eine hohe Inhomogenität und Fließkapazität besitzen.
Anhand von Zeichnungen wird ein Ausführungsbeispiel der
Erfindung näher erläutert. Es zeigt
Fig. 1 eine Einrichtung zur Isolierung von absorbierenden
Schichten in Bohrlöchern teilweise im Längsschnitt
und
Fig. 2 den Schnitt II-II von Fig. 1.
Das Verfahren zur Isolierung von absorbierenden Schichten
in Bohrlöchern wird mit Hilfe einer Einrichtung durchgeführt,
die ein Gehäuse 1 (Fig. 1) aufweist, das mittels
eines Übergangsstücks 2 mit dem unteren Ende 3 eines
Bohrstranges 4 verbunden ist, welcher in einem Bohrloch
5 auf der Höhe einer absorbierenden Schicht 6 angeordnet
ist. Das Gehäuse 1 besitzt einen oberen Teil 7 und einen
unteren zylindrischen Teil 8. Der obere Teil 7 des Gehäuses
1 ist in Form eines Diffusors 9 mit zwei zylindrischen
Abschnitten 10, 11 jeweils an der oberen bzw. unteren
Stirnseite des Diffusors 9 ausgeführt.
In der Seitenwand 12 des oberen zylindrischen Abschnittes
10 ist eine Bohrung 13 ausgeführt. In der Seitenwand des
unteren zylindrischen Abschnittes 11 sind Kanäle 14 (Fig.
1, 2) zur Zirkulation des Abdichtungsgemisches ausgeführt,
die spiralförmig-tangential ausgebildet und am Umfang
des Abschnittes 11 gleichmäßig verteilt sind. Am Austritt
der Kanäle 14 sind auf der Außenfläche des unteren zylindrischen
Abschnittes 11 Leitschirme 15 befestigt.
Der Diffusor 9 (Fig. 1) mit den Kanälen 14 zur Zirkulation
des Abdichtungsgemisches und mit den Leitschirmen
15 stellt die Separationseinheit der Einrichtung dar.
An der Außenfläche des unteren zylindrischen Teiles 8
des Gehäuses 1 ist eine Fase 16 ausgeführt, die den Durchgang
der Einrichtung im Bohrloch 5 gewährleistet. In der
unteren Stirnseite des Teiles 8 des Gehäuses 1 ist ein
Stutzen 17 mit einem Endstück 18 angebracht, dessen axiale
Linie mit der axialen Linie 19 des Gehäuses 1 zusammenfällt.
Die Einrichtung enthält ferner ein koaxial zum Gehäuse
1 angeordnetes Ableitungsrohr 20 zur Ejektion einer
Abdichtungsgemischphase 21 geringerer Dichte, dessen gebogenes
Ende 22 in der Bohrung 13 aufgenommen, dessen
anderes Ende 23 aber mit dem Stutzen 17 verbunden ist.
Der untere Teil 8 des Gehäuses 1 mit dem Stutzen 17, dem
Endstück 18 und dem Ableitungsrohr 20, dessen gebogenes
Ende durch eine Bohrung 13 des oberen zylindrischen Abschnittes
10 des Diffusors 9 geführt ist, stellt die
Ejektionseinheit der Einrichtung dar.
Die Innendurchmesser d₁, d₂, d₃ des Stutzens 17, des Endstücks
18 und des Ableitungsrohres 20 stehen in einem
Verhältnis von d₁<d₂<d₃ zueinander.
Dieses Verhältnis gewährleistet den erforderlichen Separationsgrad
des Abdichtungsgemisches, einen ausreichenden
Ejektionseffekt, einen minimalen hydraulischen Widerstand
beim Ejektieren der Bohrspülung aus dem Bohrloch
5 zu Beginn des Isolierungsprozesses der Abdichtungsgemischphase
21 mit geringerer Dichte sowie der Formationsflüssigkeit,
die in das Bohrloch 5 aus der absorbierenden
Schicht 6, vorwiegend aus der zentralen Zone des Bohrlochs
5 unter der Einrichtung, in einen Ringraum 24 in
den Bereich oberhalb der absorbierenden Schichten 6 gelangt.
Der Außendurchmesser D₃ des Ableitungsrohres 20 wird ausgehend
von der Bedingung gewählt, einen ausreichenden
Durchgangsquerschnitt für den Durchtritt des Abdichtungsgemisches
durch den Innenraum des oberen zylindrischen
Abschnittes 10 des Diffusors 9 hindurch in der Richtung
der spiralförmig-tangential ausgebildeten Kanäle 14 sicherzustellen.
Die Außendurchmesser D₁, D₂, D₃ jeweils des unteren Teiles
8 des Gehäuses 1, des oberen zylindrischen Abschnittes
10 des Diffusors 9 und des Übergangsstücks 2 stehen
in einem Verhältnis von D₂<D₃<D₁ zueinander.
Dieses Verhältnis wird ausgehend von der Bedingung gewählt,
daß die radialen Spalte δ₁, δ₂, δ₃ zwischen der
Wand 25 des Bohrlochs 5 und der jeweiligen Außenfläche
des unteren Teiles 8 des Gehäuses 1, des oberen zylindrischen
Abschnittes 10 des Diffusors 9 und des Übergangsstücks
2 einen erforderlichen Ringraum zur Durchführung
des Separationsprozesses des Abdichtungsgemisches, zur
Erzeugung eines Unterdruckes im Bereich der radikalen Bohrung
13 des oberen zylindrischen Abschnittes 10 des Diffusors
9 zur Durchführung der Ejektion der im Bohrloch
5 unter der Einrichtung befindlichen Flüssigkeit und zur
Blockierung der absteigenden Bewegung der Abdichtungsgemischphase
21 von geringerer Dichte durch den radialen
Spalt w₁ hindurch in den Bereich der absorbierenden
Schicht 6 gewährleisten.
Zur Verbesserung der Bedingungen für den Durchtritt des
aufsteigenden Stroms der Abdichtungsgemischphase 21 von
geringerer Dichte zum Mund des Bohrlochs 5 sind an der
zylindrischen Außenfläche des Übergangsstücks 2 vertikale
Führungsleisten 26 befestigt.
Das Verfahren zur Isolierung von absorbierenden Schichten
in den Bohrlöchern wird wie folgt durchgeführt:
In der Zone des Mundes des Bohrlochs 5 (Fig. 1) wird mit Hilfe von nicht abgebildeten Zementmischmaschinen aus Zement und Wasser ein Abdichtungsgemisch zubereitet, das mittels Pumpen von nicht gezeigten Zementieraggregaten vom Mund des Bohrlochs 5 in den Bohrstrang 4 eingepumpt wird. Das Abdichtungsgemisch durchläuft den Bohrstrang 4, den oberen Teil 7 des Gehäuses 1 der Einrichtung und den unteren Teil 8 des Gehäuses 1 der Einrichtung. Der Abdichtungsgemischstrom passiert mit hoher Geschwindigkeit die zur Zirkulation des Abdichtungsgemisches bestimmten Kanälen 14 sowie die Leitschirme 15 (Fig. 2), wobei er eine intensive Drehbewegung im Ringraum 24 (Fig. 1) zwischen den Außenwänden des Diffusors 9 und den Wänden 25 des Bohrlochs 5 erhält. Unter der Einwirkung von Fliehkräften werden die Teilchen einer festen Phase 27 des Abdichtungsgemisches, d. h. Zementteilchen, die eine um ein Vielfaches höhere Dichte als die Flüssigphase 21 des Abdichtungsgemisches geringerer Dichte, z. B. Wasser, besitzen, zur Peripherie des Ringraumes 24 an die Wände 25 des Bohrlochs 5 fortgeschleudert. Die Flüssigphase 21 nimmt vorwiegend ein Gebiet ein, das sich neben den Außenwänden des Diffusors 9 befindet. Die Zementkonzentration im Abdichtungsgemisch nimmt mit dem größer werdenden Rotationshalbmesser des Abdichtungsgemisches zu.
In der Zone des Mundes des Bohrlochs 5 (Fig. 1) wird mit Hilfe von nicht abgebildeten Zementmischmaschinen aus Zement und Wasser ein Abdichtungsgemisch zubereitet, das mittels Pumpen von nicht gezeigten Zementieraggregaten vom Mund des Bohrlochs 5 in den Bohrstrang 4 eingepumpt wird. Das Abdichtungsgemisch durchläuft den Bohrstrang 4, den oberen Teil 7 des Gehäuses 1 der Einrichtung und den unteren Teil 8 des Gehäuses 1 der Einrichtung. Der Abdichtungsgemischstrom passiert mit hoher Geschwindigkeit die zur Zirkulation des Abdichtungsgemisches bestimmten Kanälen 14 sowie die Leitschirme 15 (Fig. 2), wobei er eine intensive Drehbewegung im Ringraum 24 (Fig. 1) zwischen den Außenwänden des Diffusors 9 und den Wänden 25 des Bohrlochs 5 erhält. Unter der Einwirkung von Fliehkräften werden die Teilchen einer festen Phase 27 des Abdichtungsgemisches, d. h. Zementteilchen, die eine um ein Vielfaches höhere Dichte als die Flüssigphase 21 des Abdichtungsgemisches geringerer Dichte, z. B. Wasser, besitzen, zur Peripherie des Ringraumes 24 an die Wände 25 des Bohrlochs 5 fortgeschleudert. Die Flüssigphase 21 nimmt vorwiegend ein Gebiet ein, das sich neben den Außenwänden des Diffusors 9 befindet. Die Zementkonzentration im Abdichtungsgemisch nimmt mit dem größer werdenden Rotationshalbmesser des Abdichtungsgemisches zu.
Die eine höhere Dichte besitzende Phase 27 des Abdichtungsgemisches
lagert sich an den Wänden 25 des Bohrlochs
5 in Form einer Schicht, was in Fig. 1 als eine Zementschicht
an der Wand 25 des Bohrlochs 5 dargestellt ist.
Die Abdichtungsgemischphase 27 mit höherer Dichte strebt
unter der Schwerkraftentwicklung durch den Ringspalt δ₁
zwischen der Außenfläche des unteren Teiles 8 des Gehäuses
1 und den Wänden 25 des Bohrlochs 5 hindurch nach
unten der absorbierenden Schicht 6 zu, was durch Pfeile
angedeutet ist, wobei sie, da sie die Eigenschaft besitzt,
rasch abzubinden und hartzuwerden, mit der Formationsflüssigkeit
so gut wie nicht vermischt wird.
In dieser Weise findet also die Beschleunigung des Abbinde-
und Erhärtungsprozesses des Abdichtungsgemisches
statt.
Die Schicht der Abdichtungsgemischphase 21 mit geringerer
Dichte wird in den Ringraum 24 in den Bereich oberhalb
des Diffusors 9 verdrängt.
Bei intensiver Drehung des Abdichtungsgemisches im Ringraum
24 des Bohrlochs 5 baut sich im Bereich der Bohrung
13 des oberen zylindrischen Abschnittes des Diffusors
9 eine Unterdruckzone auf, wodurch die abgetrennte Abdichtungsgemischphase
21 mit geringerer Dichte über den Ringraum
24 des Bohrlochs 5 in den Bereich oberhalb der absorbierenden
Zone der Schichten 6 zum Mund des Bohrlochs
5 geleitet wird.
Im Anfangsstadium des Isolierungsprozesses der absorbierenden
Schichten 6 erfolgt die auf die vorstehend beschriebene
Weise vorgenommene Ejektion der Bohrspülung
und der Formationsflüssigkeit, die mit der Abdichtungsgemischphase
27 höherer Dichte vermischt werden können.
Im weiteren findet die Ejektion der Abdichtungsgemischphase
21 geringerer Dichte entlang den Führungsleisten
26 zum Mund des Bohrlochs 5 hin statt.
Beim Durchtritt der Abdichtungsgemischphase 21 geringerer
Dichte durch den Ringspalt δ₁ hindurch nach unten nimmt
diese Phase aufgrund der intensiven Drehung den zentralen
Bereich des Bohrlochs 5 ein und wird durch das Endstück
18, den Stutzen 17, das Ableitungsrohr 20 und die Bohrung
13 des oberen zylindrischen Abschnittes 10 des Diffusors
9 in den Ringraum 24 des Bohrlochs 5 in den Bereich oberhalb
der absorbierenden Schicht 6 zum Mund des Bohrlochs
5 unvermeidlich ejektiert.
Beim Austritt aus der Einrichtung und in der Zone der
Fliehkraftseparation des Abdichtungsgemisches sowie in
der Zone der absorbierenden Schicht 6 und in der absorbierenden
Schicht 6 selber wird das Abdichtungsgemisch
mit der Bohrspülung und der Formationsflüssigkeit so gut
wie nicht vermischt. Der Abdichtungsgemischstrom gewinnt
elastische Eigenschaften, es wird ein Überdruck an den
Wänden des Bohrlochs 5 erzeugt, was zum gleichmäßigeren
frontal erfolgenden Verdrängen der Formationsflüssigkeit
durch das Abdichtungsgemisch beiträgt. Die Effektivität
des Isolierungsprozesses der absorbierenden Schicht 6
wird durch den Separationsgrad des Abdichtungsgemisches
unter Gewinnung von Abdichtungsgemischphasen 27, 21 von
höherer bzw. geringerer Dichte und den Ejektionsgrad der
Abdichtungsgemischphase 21 geringerer Dichte bedingt,
die jeweils durch Separations- und Ejektionsfaktor gekennzeichnet
sind.
Die Möglichkeit der Regelung von Separations- und Ejektionsfaktoren
sowie der Drehzahl des Abdichtungsgemischstromes
und des an den Bohrlochwänden wirkenden Überdruckes
macht den Prozeß der Isolierung von absorbierenden
Schichten durch Regelung der Parameter des vom Mund des
Bohrlochs 5 zugeleiteten Abdichtungsgemisches steuerbar.
Die Zusammensetzung des Abdichtungsgemisches kann außer
Zement und Wasser auch inerte Füllstoffe, Abbindebeschleuniger
für das Abdichtungsgemisch, polymere bzw. andere
in der absorbierenden Schicht 6 koagulierende Stoffe einschließen,
insbesondere beim Abdichten von absorbierenden
Schichten mit einem Öffnungsgrad von über 10 mm.
Der Separationsfaktor des Abdichtungsgemisches wird wie
folgt ausgedrückt:
wobei
ρ₁die Dichte des ursprünglichen Abdichtungsgemisches; ρ₂die Dichte der ejektierten Abdichtungsgemischphase 21 mit geringerer Dichte und ρ₃die Dichte des Anmachwassers ist.
ρ₁die Dichte des ursprünglichen Abdichtungsgemisches; ρ₂die Dichte der ejektierten Abdichtungsgemischphase 21 mit geringerer Dichte und ρ₃die Dichte des Anmachwassers ist.
Der Ejektionsfaktor der Abdichtungsgemischphase 21 wird
wie folgt ausgedrückt:
worin
Q₁die Durchsatzmenge des vom Mund des Bohrlochs 5 ankommenden Abdichtungsgemisches und Q₂die Durchsatzmenge des ejektierten Abdichtungsgemisches ist.
Q₁die Durchsatzmenge des vom Mund des Bohrlochs 5 ankommenden Abdichtungsgemisches und Q₂die Durchsatzmenge des ejektierten Abdichtungsgemisches ist.
Die Separations- und Ejektionsfaktoren sind bei dem jeweiligen
Durchmesser des Bohrlochs 5 und bei der jeweiligen
Charakteristik der absorbierenden Schichten 6 von den
diametralen Abmessungen der Separationseinheit und der
Ejektionseinheit der Einrichtung, der Dichte des ursprünglichen
Abdichtungsgemisches, der Durchsatzmenge des vom
Mund des Bohrlochs 5 zugeleiteten Abdichtungsgemisches
abhängig und werden experimentell ermittelt.
Die Charakteristiken der absorbierenden Schicht umfassen
die Schichtdicke, die dickenmäßige Verteilung der Kanäle,
den Öffnungsgrad der Kanäle, die spezifische Aufnahmefähigkeit,
welche als
festgelegt wird, wobei Δ Q
die Flüssigkeitsdurchsatzmenge in der absorbierenden
Schicht, P der im Bohrloch herrschende Druck und h die
Dicke der absorbierenden Schicht sind.
Bei den bekannten Separations- und Ejektionsfaktoren wird
die Dichte der durch die Fliehkraftseparation gewonnenen
Abdichtungsgemischphase mit einer höheren Dichte ρ₄ gemäß
der folgenden Formel gefunden:
wobei gilt:
wobei m₁ das Wasser-Zement-Verhältnis des ursprünglichen
Abdichtungsgemisches und ρ₅ die Dichte des Trockenzements
bedeuten.
Die Dichte des ursprünglichen Abdichtungsgemisches ρ₁
wird gemäß der folgenden Formel gefunden:
Die Parameter der Einrichtung und das Wasser-Zement-Verhältnis
sowie die Dichte des ursprünglichen Abdichtungsgemisches
werden je nach dem Durchmesser des Bohrlochs
5 und den Charakteristiken der absorbierenden Schicht
6 bestimmt.
Die geometrischen Abmessungen der Einrichtung, die Anzahl
und der Durchmesser der spiralförmig-tangential ausgebildeten
Kanäle 14 des Diffusors 9, die Durchsatzmenge des
vom Mund des Bohrlochs 5 zugeleiteten Abdichtungsgemisches
sowie die Separations- und Ejektionsfaktoren werden je
nach dem Durchmesser des Bohrlochs 5 und den Charakteristiken
der absorbierenden Schicht 6 bestimmt. Die Abhängigkeit
der Faktoren K₁ und K₂ von der Durchsatzmenge Q₁
des Abdichtungsgemisches wird experimentell ermittelt.
Ausgehend von den Charakteristiken der absorbierenden
Schicht 6 wird ein jeweils erforderliches Wasser-Zement-
Verhältnis m₂ der Abdichtungsgemischphase mit höherer
Dichte aufgrund der Bedingung gewählt, nach welcher das
Abdichtungsgemisch in die Tiefe der absorbierenden Schicht
6 nicht weiter eindringen darf und eine ununterbrochene
und zuverlässige Zementbarriere geschaffen werden muß.
So entsteht bei m₂=0,2 aus nahezu sämtlichen Abdichtungszementgemischen
eine wenig bewegliche, dicke, schnellabbindende
Paste.
Die Dichte der Abdichtungsgemischphase 21 mit höherer
Dichte wird gemäß der folgenden Beziehung bestimmt:
Die erforderliche Dichte ρ₁ des ursprünglichen Abdichtungsgemisches
wird nach der Formel (3) gefunden:
Das Wasser-Zement-Verhältnis m₁ des ursprünglichen Abdichtungsgemisches
wird nach der Formel (6) gefunden:
Der Betrag p₁ des auf die Bohrlochwände wirkenden Überdruckes,
der durch die Drehung des Abdichtungsgemischstromes
erzeugt wird, wird wie folgt bestimmt:
wobei n und S jeweils die Anzahl und die Querschnittsfläche
der spiralförmig-tangential ausgebildeten Kanäle
14 zur Zirkulation des Abdichtungsgemisches bedeuten.
Bei der Durchführung des Verfahrens zur Isolierung von
absorbierenden Schichten werden folgende Parameter ermittelt:
bei einer Durchsatzmenge des vom Bohrlochmund zugeleiteten Abdichtungsgemisches Q₁ = 0,01 m³/s beträgt die Durchsatzmenge des zum Bohrlochmund ejektierten Abdichtungsgemisches, volumetrisch gemessen, Q₂ = 0,004 m³/s. Das Abdichtungsgemisch wird aus Portlandzement mit einer Dichte von ρ₅ = 3050 kg/m³ bei einem Wasser-Zement-Verhältnis m₁ = 0,5 zubereitet. Die Dichte des Anmachwassers beträgt ρ₃ = 1000 kg/m³. Die Dichte des ursprünglichen Abdichtungsgemisches beträgt ρ₁ = 1800 kg/m³. Die Dichte des ejektierten Abdichtungsgemisches, mit einem Aräometer gemessen, beträgt p₂ = 1350 kg/m³.
bei einer Durchsatzmenge des vom Bohrlochmund zugeleiteten Abdichtungsgemisches Q₁ = 0,01 m³/s beträgt die Durchsatzmenge des zum Bohrlochmund ejektierten Abdichtungsgemisches, volumetrisch gemessen, Q₂ = 0,004 m³/s. Das Abdichtungsgemisch wird aus Portlandzement mit einer Dichte von ρ₅ = 3050 kg/m³ bei einem Wasser-Zement-Verhältnis m₁ = 0,5 zubereitet. Die Dichte des Anmachwassers beträgt ρ₃ = 1000 kg/m³. Die Dichte des ursprünglichen Abdichtungsgemisches beträgt ρ₁ = 1800 kg/m³. Die Dichte des ejektierten Abdichtungsgemisches, mit einem Aräometer gemessen, beträgt p₂ = 1350 kg/m³.
Aus den Formeln (1) und (2) werden jeweils der Separations-
und Ejektionsfaktor abgeleitet zu
k₁ = 0,5025; k₂ = 0,4.
Zur Isolierung einer konkreten absorbierten Schicht ist
es erforderlich, in dieser Schicht ein Abdichtungsgemisch
mit einem Wasser-Zement-Verhältnis von m = 0,25 zu erhalten.
Die Dichte eines Abdichtungsgemisches mit m₂ = 0,25 wird
aus der Beziehung (7) gefunden:
ρ₄ = 2163 kg/m³.
Aus den Formeln (5) und (6) wird ermittelt:
α = 0,3279; β = 0,5519.
Die erforderliche Dichte des ursprünglichen Abdichtungsgemisches
wird aus der Beziehung (8) gefunden:
ρ₁ = 1854 kg/m³.
Das ursprüngliche Abdichtungsgemisch muß mit einem Wasser-
Zement-Verhältnis gemäß der Formel (9) zubereitet werden:
m₁ = 0,46.
Der Betrag des auf die Bohrlochwände wirkenden Überdruckes,
der durch die Drehung des Abdichtungsgemischstromes bedingt
ist, ergibt bei einem Bohrlochdurchmesser D = 0,1905m,
einer Anzahl von zur Zirkulation des Abdichtungsgemisches
bestimmten Kanälen n = 2, einer Querschnittsfläche der
Kanäle S = 1, 77 · 10-4 m², einer Abdichtungsgemischdurchsatzmenge
Q₁ = 0,01 m³/s und einer Dichte des ursprünglichen
Abdichtungsgemisches ρ₁ = 1900 kg/m³:
P = 1,37 MPa.
Bei der Anwendung dieses Verfahrens zur Isolierung von
absorbierenden Schichten in den Bohrlöchern wird ein homogeneres
Abdichtungsgemisch mit minimalem Flüssigphasengehalt
erzeugt, aus dem unter der Bedingung einer beschränkten
Berührung mit der Formationsflüssigkeit der
absorbierenden Schicht ein homogener wenig permeabler
Abdichtungsstein mit niedrigem Gehalt an Poren kleiner
Abmessungen, mit einer hohen Festigkeit und Plastizität
gebildet wird. Das Verfahren gewährleistet ein vollkommeneres
Verdrängen der Bohrspülung und des Schlammes aus
der Wandzone von Bohrlöchern, aus Kavernen, Stillstandszonen,
wodurch die Effektivität und Güte der Isolierung
von absorbierenden Schichten großer Dicke erhöht wird,
in denen das Abdichtungsgemisch in der Unterkante der
Schicht absorbiert und das Abdichtungsgemisch mit der
Formationsflüssigkeit vermischt wird, welche von der Oberkante
der Schicht verdrängt wird.
Claims (4)
1. Verfahren zur Isolierung von absorbierenden Schichten
in Bohrlöchern, bei welchem in einen Bohrstrang (4)
vom Mund eines Bohrlochs (5) ein Abdichtungsgemisch
eingepumpt wird und der Abbinde- und Erhärtungsprozeß
des Abdichtungsgemisches unter Gewinnung von Phasen
(27, 21) höherer und geringerer Dichte durch Fliehkraftseparation
des Abdichtungsgemisches am Austritt
aus dem Bohrstrang (4) beschleunigt wird, dadurch
gekennzeichnet, daß eine abgetrennte
Phase (21) des Abdichtungsgemisches mit geringerer
Dichte über den Ringraum (24) des Bohrlochs (5) in
den Bereich oberhalb der absorbierenden Zone der absorbierenden
Schichten (6) zum Bohrlochmund (5) geleitet
wird.
2. Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens zur Isolierung
von absorbierenden Schichten in Bohrlöchern, mit
einem Gehäuse (1), das mit dem unteren Ende (3) des
Bohrstranges (4) mittels eines Übergangsstückes (2)
verbunden ist und in seiner Mantelfläche Kanäle (14)
zur Zirkulation des Abdichtungsgemisches aufweist,
dadurch gekennzeichnet, daß das Gehäuse
(1) einen oberen Teil (7) in Form eines Diffusors
(9) mit zylindrischen Abschnitten (10, 11) an seinen
Stirnseiten sowie einen zylindrischen Teil (8) besitzt,
daß in der unteren Stirnseite des unteren zylindrischen
Teiles (8) gleichachsig mit dem Gehäuse (1) ein Stutzen
(17) mit einem Endstück (18) angebracht ist, daß die
Kanäle (14) zur Zirkulation des Abdichtungsgemisches
im unteren zylindrischen Abschnitt (8) des Diffusors
(9) an dessen Umfang gleichmäßig verteilt und spiralförmig-
tangential ausgebildet sind und daß im oberen
zylindrischen Abschnitt (10) des Diffusors (9) eine
Bohrung (13) ausgeführt ist, in der ein gebogenes Ende
(22) eines Ableitungsrohres (20) untergebracht ist,
das koaxial zum Gehäuse (1) angeordnet und mit dem
Stutzen (17) in Verbindung gesetzt ist.
3. Einrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet,
daß die Außendurchmesser (D₁, D₂,
D₃) jeweils des unteren Teils des Gehäuses (1), des
oberen zylindrischen Abschnitts (10) des Diffusors
(9) und des Übergangsstücks (2) in einem Verhältnis
von D₂<D₃<D₁ zueinander stehen.
4. Einrichtung nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet,
daß an der zylindrischen
Außenfläche des Übergangsstückes (2) vertikale Führungsleisten
(26) befestigt sind.
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| GB8711735A GB2204894B (en) | 1987-05-19 | 1987-05-19 | Method and device for the isolation of intake beds in drill holes |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| DE3715398A1 true DE3715398A1 (de) | 1988-12-01 |
Family
ID=10617543
Family Applications (1)
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| DE19873715398 Granted DE3715398A1 (de) | 1987-05-19 | 1987-05-08 | Verfahren und einrichtung zur isolierung von absorbierenden schichten in bohrloechern |
Country Status (4)
| Country | Link |
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| US (1) | US4842066A (de) |
| DE (1) | DE3715398A1 (de) |
| FR (1) | FR2615561A1 (de) |
| GB (1) | GB2204894B (de) |
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- 1987-05-19 GB GB8711735A patent/GB2204894B/en not_active Expired - Lifetime
- 1987-05-20 FR FR8707087A patent/FR2615561A1/fr not_active Withdrawn
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