DE3881598T2 - Beschichtung von mitteln mit pyrolytischem kohlenstoff verbessert die kiesauffuellung und bruchfaehigkeiten. - Google Patents
Beschichtung von mitteln mit pyrolytischem kohlenstoff verbessert die kiesauffuellung und bruchfaehigkeiten.Info
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Description
- Die Erfindung betrifft die Verwendung von mit pyrolytischem Kohlenstoff überzogenen Partikeln zur Sandeinstellung und Frakturierung. Insbesondere, jedoch keineswegs begrenzend, betrifft die Erfindung eine derartige Verwendung von mit pyrolytischem Kohlenstoff überzogenen keramischen Perlen.
- Die Erfindung gibt ein Verfahren zur Behandlung eines Bohrlochs an, indem darin als partikelförmiges Material ein mit pyrolytischem Kohlenstoff überzogenes Material angeordnet wird.
- Die Techniken zum Anordnen von partikelförmigem Material in einem Bohrloch, wie etwa Öl-, Gas- und Wasserbohrlöchern, ist seit vielen Jahren bekannt. Bei solchen Techniken wird partikelförmiges Material in dem Bohrloch und der Formation angeordnet. Der Partikelgrößenbereich des partikelförmigen Materials ist vorbestimmt und es wird in das Bohrloch derart eingeführt, daß das festgepackte Material ein Fließen des erwünschten Fluids (dieser verwendete Ausdruck umfaßt Flüssigkeiten und/oder Gase) zwischen der Formation und dem Bohrloch zuläßt und verhindert, daß partikelförmige Materialien aus der Erdformation in das Bohrloch eintreten.
- In Anwendung bei Kiesauffüllungen soll ein Bohrloch mit einer gegebenen Partikelart verfüllt werden. Typischerweise wird zuerst an einer Position in dem in der Formation befindlichen Bohrloch ein Sieb angeordnet, das das erwünschte Fluid abgibt. In fertigen Bohrlöchern befindet sich zwischen dem so angeordneten Sieb und der Formation gewöhnlich ein perforiertes Stahlgehäuse. Eine Aufschlämmung aus dem partikelförmigen Material in einer Trägerflüssigkeit wird dann in das Bohrloch gepumpt, um das partikelförmige Material zwischen dem Sieb und dem Gehäuse (oder der Formation, wenn kein Gehäuse vorhanden ist) anzuordnen, sowie in die Perforationen eines derartigen Gehäuses und weiter in jeden offenen Bereich gepumpt, der sich jenseits des perforierten Gehäuses in die Formation fortsetzt. Das Ziel der Verfüllung ist es daher in den meisten Fällen, den Bereich zwischen der Siebanordnung und der Formation mit partikelförmigem Material vollständig aufzufüllen. In einigen Fällen wird dieser offene Bereich mit partikelförmigem Material verfüllt, bevor das Sieb in dem Bohrloch angeordnet wird. Eine solche Technik, die ein bestimmter, oft als "Vorverfüllung" bezeichneter Verfüllungstyp ist, ist in der US-P-3,327,783 beschrieben. Das partikelförmige Material ist typischerweise Kies mit einer Dichte von 2,65 g/cm³. Das Trägerfluid ist gewöhnlich Wasser mit 2 % KCl, kann aber irgendein Fluidtyp sein (Kohlenwasserstoffe, Salzlaken, Schäume etc.). Zur Verbesserung der Aufnahmefähigkeit wird die Viskosität dieses Fluids normalerweise durch ein Polymer erhöht.
- Bei Frakturierungstechniken wird die Formation durch Anwendung von Druck weggebrochen. Durch Aufhalten der Risse in den Felsen wird partikelförmiges Material in der Formation angeordnet, um einen besser durchgängigen Fließweg für das geförderte Fluid zu erhalten. Das Trägerfluid ist vom selben Typ wie das bei Kiesauffüllungsanwendungen verwendete, doch seine Viskosität ist um eine Größenordnung größer als bei Anwendung bei Kiesauffüllungen. Das Frakturierungsfluid ist häufig quervernetzt, um die erwünschte Viskosität für adäquate Suspensionseigenschaften in Längsrichtung der Fließkanäle zu erreichen.
- In neuesten Anwendungen wurde erkannt, daß das Bereitstellen eines partikelförmigen Materials, das verbesserte thermische Stabilität und chemische Widerstandsfähigkeit insbesondere gegenüber mineralischen Säuren, organischen Lösungsmitteln und Dampf aufweist, erwünscht wäre. Darüber hinaus wäre eine gleichzeitige Steuerung sowohl der Auswahl der Partikeldichte als auch der Größenverteilung vorteilhaft, insbesondere bei bestimmten neuzeitlichen Anwendungen. Die vorliegende Erfindung soll eine solche partikelförmige Phase bereitstellen.
- Die DE-A-2 102 438 beschreibt im wesentlichen kugelförmige Partikel mit einem Überzug aus pyrolithischem Kohlenstoff und betrifft das technische Gebiet von Kraftstoffpartikeln.
- Die US-A-4 654 266 beschreibt Füllmittelpartikel zur Anwendung in Ölfeldern, die mit einem (am meisten bevorzugt) metallischen Überzug oder einem Si-Karbid-Überzug überzogen sind. Solche Füllmittelpartikel dürfen den in Bohrlochanwendungen angewendeten aggressiven Fluiden nicht widerstehen.
- Die wesentlichen Merkmale der Erfindung sind Gegenstand des unabhängigen Anspruchs 1; bevorzugte Merkmale sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche 2 bis 8.
- Die vorliegende Erfindung verwendet beschichtetes Partikelmaterial, dessen chemische Widerstandsfähigkeit und physikalischen Eigenschaften Materialien überlegen sind, die man normalerweise beim Verfüllen mit Kies und Frakturieren von Öl- und Gasbohrlöchern verwendet.
- Der Partikel umfaßt eine Überzugsschicht aus pyrolytischem Kohlenstoff, die den Partikel umschließt, um hierdurch eine inerte Barriere zu bilden, die sowohl Säuren als auch organischen Lösungsmitteln widersteht. Der mit pyrolytischem Kohlenstoff überzogene Partikel zeigt im Vergleich zu herkömmlichen Produkten eine verbesserte thermische Stabilität und ist als solcher zur Anwendung bei geothermischen Bohrlöchern nützlich. Somit verwendet die vorliegende Erfindung einen mit pyrolytischem Kohlenstoff überzogenen Partikel zur Anwendung bei Bohrlochbehandlungen, umfassend:
- a) einen thermisch stabilen, im wesentlichen kugeligen Substratpartikel; und
- b) eine im wesentlichen gleichförmige Schicht aus pyrolytisch abgelagertem Kohlenstoff, der den thermisch stabilen, im wesentlichen kugeligen Substratpartikel einkapselt.
- In einer bevorzugten Ausführung der vorliegenden Erfindung ist das kugelige Substratpartikelmaterial eine keramische Verbundmaterialperle, die mit einem pyrolytischen Kohlenstoff eingekapselt ist, der einen Dichtebereich von etwa 1,50 bis etwa 2,05 g/cm³ und eine Dicke von etwa 5 um bis etwa 200 um umfaßt.
- Es ist ein Ziel der vorliegenden Erfindung, einen mit pyrolytischem Kohlenstoff überzogenen Partikel aufzuzeigen, der bei Öl- und Gasbohrlochbehandlungsanwendungen nützlich ist. Ein weiteres Ziel ist es, einen derart überzogenen Partikel aufzuzeigen, der eine verbesserte Widerstandsfähigkeit gegenüber sowohl Säuren als auch organischen Lösungsmitteln zeigt. Das Erreichen dieser Ziele und die Gegenwart und das Erreichen anderer Ziele wird ersichtlich, wenn man die Beschreibung und die Ansprüche vollständig liest.
- Der pyrolytisch zu beschichtende Partikel kann allgemein irgendein Kies- oder Sandpartikel sein, der herkömmlich beim Verfüllen von Öl- und Gasbohrlöchern mit Kies und/oder beim Frakturieren angewendet wird, oder äquivalentes Material, wie etwa keramische Verbundmaterialperlen. Daher kann allgemein jeder im wesentlichen kugelige Partikel vorteilhafterweise überzogen werden, der die für Bohrlochanwendungen erforderlichen physikalischen Eigenschaften zeigt und der mit Kohlenstoff pyrolytisch überzogen werden kann. Typischerweise ist das Partikelsubstrat ein relativ inertes Medium, das den Temperaturen widerstehen kann, denen es während der Auflagerung des pyrolytischen Kohlenstoffs ausgesetzt ist. Dies umfaßt beispielshalber, jedoch nicht hierauf eingeschränkt: Sand, Keramikperlen, keramisch überzogene Verbundstoffe, hochfeste Glasperlen, Petroleumkoks und dgl.. Bevorzugt ist der zu beschichtende Partikel ein keramisch beschichtetes Verbundmaterial, wie es etwa aus dem US-Patent 4,632,876 bekannt ist.
- Zur Anwendung für Kiesverfüllungsbohrlochbehandlung umfassen typischerweise für die partikelförmige Sandphase akzeptable physikalische Eigenschaften: ein durchschnittliches spezifisches Gewicht von maximal 2,65 g/cm³ ± 0,1 (ASTM D792); eine Krumbein-Rundheit von minimal 0,6 (API RP58, sec.5); eine Krumbein-Kugelförmigkeit von minimal 0,6 (API RP58, sec.5); eine Schlammsäurenlöslichkeit bei 65ºC (150ºF) für 1 Stunde von maximal 1,0 Gew.-% (APU RP58, sec.6); und eine Bruchwiderstandsfähigkeit nach 2 Minuten von 140 kg/cm² - 120 bar (2000 psi) mit maximal 8 % Siebfeinem für ein Gitter von 2,38/1,19 mm (8/16 mesh), 4 % Siebfeinem für ein Gitter von 1,68/0,84 mm (12/20 mesh) und 2 % Siebfeinem für Gitter von 1,19/0,59; 0,84/0,42; 0,59/0,297 und 0,42/0,250 mm (16/30; 20/40; 30/50 und 40/60 mesh). Der überzogene Partikel kann so ausgewählt werden, daß er diese physikalischen Eigenschaften mit den zusätzlichen Vorteilen größerer chemischer Stabilität und Auswählbarkeit der Partikeldichte hat oder übertrifft.
- Das Verfahren zum Überziehen des Partikels ist kategorisch eine Hochtemperaturpyrolyse. Insofern wird der zu überziehende Partikel in Kontakt mit einem Kohlenwasserstoff gebracht, typischerweise in Gegenwart eines inerten Verdünnungsmittels und erhöhten Temperaturen für eine ausreichende Zeit, so daß sich auf der Außenoberfläche des Partikels eine gleichförmiger Kohlenstoffüberzug ablagert. Bevorzugt ist der gesamte Partikel eingekapselt, um ein kugeliges Medium mit einem pyrolytischen Kohlenstoffüberzug zu erzeugen. Im Prinzip kann man den Einkapselprozeß durch irgendein herkömmliches Pyrolyseverfahren erreichen, wie es allgemein in der Technik bekannt ist, einschließlich beispielshalber, jedoch nicht darauf beschränkend: Tauchspinnen, Sprühbeschichten, Fließbettverfahren oder dgl..
- Typischerweise besteht der Kohlenstoffüberzugprozeß aus Verwendung eines vertikalen Rohrs, dessen Bodenende im Querschnitt graduell verringert ist, bis nur eine kleine Öffnung übrig bleibt. Während der Ablagerung des Kohlenstoffs auf dem partikelförmigen Substrat wird durch das Rohr nach oben fließendes Gas bei einer Fließrate gehalten, die zur Suspendierung der Partikel ausreicht; d.h. ein Fließbett bildet. Das Überziehen mit Kohlenstoff findet am besten bei einer Temperatur zwischen 1000ºC und 1700ºC statt. Bei diesen Temperaturen verbinden sich die Kohlenstoffmoleküle zur Bildung einer kristallinen Struktur auf der Außenoberfläche des Partikels. Typischerweise enthält der Gasfluß einen gasförmigen Kohlenwasserstoff und einen Verdünner aus Inertgas; beispielsweise und bevorzugt ist der Gasfluß in das Rohr ein Gemisch aus Propylen, Acetylen oder dgl. und Helium bei einer Fließrate von 10 l/min. Das Rohr wird induktiv erwärmt, um die erwünschte Temperatur in dem Bett suspendierter Partikel zu erreichen.
- Die Orientierung des pyrolytischen Kohlenstoffüberzugs variiert mit der Ablagerungsrate und Temperatur. Bei einer Ablagerungsrate von 0,5 um Kohlenstoff/Minute lagert sich der Kohlenstoff in einer laminaren Orientierung ab, was bevorzugt ist. Bei einer Ablagerungsrate von 2 um/Minute lagert sich der Kohlenstoff anisotropisch ab. In der bevorzugten laminaren Orientierung ist die pyrolytisch abgelagerte Kohlenstoffschicht im wesentlichen undurchlässig. Die Rate der Kohlenstoffablagerung und die Dichte des Überzugs variiert mit der Temperatur. Bevorzugt findet die Ablagerung bei einer Temperatur unterhalb 1700ºC statt. Bei solchen Temperaturen variiert die Dichte der Kohlenstoffschicht von etwa 1,50 bis etwa 2,05 g/cm³. Typischerweise kann die Dicke des pyrolytischen Überzugs von etwa 5 um bis etwa 200 um und bevorzugt von etwa 10 um bis 150 um reichen.
- Das nachfolgende Beispiel illustriert die mit pyrolytischem Kohlenstoff beschichteten Partikel und ihre verbesserten Eigenschaften.
- In der oben beschriebenen Weise wurden 100 g Keramikperlen, 30 bis 50 mesh, mit Kohlenstoff von G.A. Technology, Inc. pyrolytisch überzogen. Die einzelnen Sandkörner wurden vollständig mit einer gleichförmigen Kohlenstoffschicht von annähernd 50 um eingekapselt, was ein im wesentlichen kugeliges Medium erzeugte. Die Löslichkeit des mit pyrolytischem Kohlenstoff überzogenen Mediums in einem 12:3 Gewichtsgemisch von HCl und HF wurde bei zwei verschiedenen Temperaturen geprüft. Der Gewichtsverlust nach 1 Stunde wurde aufgezeichnet und mit dem entsprechenden Gewichtsverlust von Sand ohne den Kohlenstoffüberzug verglichen. Die sich ergebenden Daten sind in der nachfolgenden Tabelle I aufgezeigt. TABELLE I Prozentuale Gewichtsänderung nach 1 Stunde in 12:3 HCl:HF Probe Temperatur prozentuale Änderung Keramikperlen Pyrokohlenstoff-Keramikperlen-50 um
- Die Daten zeigen klar, daß der Überzug aus pyrolytischem Kohlenstoff das Sandsubstrat vor Säurenangriff schützt.
- Eine Serie vorbeschichteter ZrO&sub2;-Partikel, bezogen von G.A. Technology, Inc., und keramische Verbundmaterialkugeln, hergestellt von 3M und verkauft unter dem Markennamen MACROLITE, gekennzeichnet durch Dichtebereiche von etwa 0,58 bis 2,04, pyrolytisch überzogen mit einer gleichförmigen Schicht aus Kohlenstoff von G.A. Technology, Inc., wurden in einer dem Beispiel I analogen Weise geprüft. Während des Pyrolyseüberzugprozesses wurde ein Gemisch aus Acetylen und/oder Propylen und Helium bei einer Fließrate von 10 l/Minute bei einer Temperatur unterhalb 1700ºC verwendet. Die Überzugdicke der MACROLITE-Proben variierte von etwa 5 um bis 130 um. Sowohl die chemischen als auch physikalischen Eigenschaften der erhaltenen beschichteten Keramikpartikel wurde gemessen und mit unbeschichteten Partikeln verglichen. Die chemischen Prüfungen der pyrolytisch überzogenen Keramiken umfaßten eine Löslichkeit in 15 % HCl und in einem 12:3-Gemisch von HCl und HF, Toluol und Kerosin, während die physikalischen Prüfungen eine Partikeldichte, Siebanalyse, Bruchfestigkeit und Leitfähigkeit umfaßten. Die sich ergebenden Daten sind in den nachfolgenden Tabellen aufgezeigt. TABELLE II Löslichkeitsprüfung von pyrolytischem Kohlenstoffmaterial (65ºC/150ºF, 1 Stunde und 7 Tage) Gewichtsverlust im Lösungsmittel Material/Zeit Prozent Toluol Kerosin Rohöl ZrO&sub2;-Kern ZrO&sub2;-Pyrokohlenstoff TABELLE III Widerstandsfähigkeit von eingekapseltem MACROLITE gegenüber 12:3 HCl:HF (65ºC/150ºF, 1 Stunde) Partikel Material/Dichte Überzug Dicke Prozent Gewichtsänderung MACROLITE TABELLE IV Widerstandsfähigkeit von eingekapseltem MACROLITE gegenüber 15 % HCl (65ºC/150ºF, 1 Stunde) Partikel Material/Dichte Überzug Dicke Prozent Gewichtsänderung MACROLITE TABELLE V Widerstandsfähigkeit von eingekapseltem MACROLITE gegenüber Toluol (65ºC/150ºF, 1 Stunde) Partikel Material/Dichte Überzug Dicke Prozent Gewichtsänderung MACROLITE TABELLE VI Widerstandsfähigkeit von eingekapseltem MACROLITE gegenüber Kerosin (65ºC/150ºF, 1 Stunde) Partikel Material/Dichte Überzug Dicke Prozent Gewichtsänderung MACROLITE TABELLE VII Widerstandsfähigkeit von eingekapseltem MACROLITE gegenüber Rohöl (65ºC/150ºF, 1 Stunde) Partikel Material/Dichte Überzug Dicke Prozent Gewichtsänderung MACROLITE TABELLE VIII Bruchfestigkeit (140 kg/cm² - 120 bar - 2000 psi für 2 Minuten in einer 5 cm (2 inch) Zelle) Partikel Material/Dichte Überzug Beschreibung Festigkeit (% Bruch) Kies MACROLITE Pyrokohlenstoff TABELLE IX Widerstandsfähigkeit von eingekapseltem MACROLITE gegenüber Rohöl (30 Tage, 65ºC/150ºF, 210 kg/cm²/150 bar - 3000 psi) Partikel Material/Dichte Überzug Dicke Prozent Gewichtsänderung MACROLITE
- Die somit beschriebene Erfindung mit einem bestimmten Grad an Einzigartigkeit ist so zu verstehen, daß die Erfindung nicht auf die hierin beispielshalber beschriebenen Ausführungen begrenzt ist, sondern nur durch den Umfang der beigefügten Ansprüche begrenzt ist.
Claims (8)
1. Verfahren zur Behandlung eines Bohrlochs durch Anordnen
von Partikelmaterial darin, dadurch gekennzeichnet, daß das
Material aus einem mit pyrolytischem Kohlenstoff überzogenen
Partikel des Typs besteht, der ein im wesentlichen kugeliges
Sustrat mit einem darauf abgelagerten Überzug umfaßt,
und daß:
a. das im wesentlichen kugelige Substrat thermisch stabil
ist, und
b. der Überzug aus einer im wesentlichen gleichförmigen
Schicht aus pyrolytisch abgelagertem Kohlenstoff besteht.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß
der thermisch stabile im wesentlichen kugelige
Substratpartikel eine keramische Verbundmaterialperle ist.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, worin die Schicht aus
pyrolytisch abgelagertem Kohlenstoff einen Dichtebereich von
etwa 1,50 bis etwa 2,05 g/cm³ hat.
4. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, worin die Schicht aus
pyrolytisch abgelagertem Kohlenstoff eine Schicht aus im
wesentlichen laminar orientierte Kohlenstoffablagerung ist.
5. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, worin die
Kohlenstoffschicht im Bereich von etwa 5 um bis etwa 200 um
dick ist.
6. Verfahren nach Anspruch 5, worin die
Kohlenstoffschicht im Bereich von etwa 5 um bis etwa 200 um
dick ist.
7. Verfahren nach Anspruch 4, worin die Kohlenstoffschicht
im Bereich von etwa 5 um bis etwa 200 um dick ist.
8. Verfahren zur Behandlung eines Bohrlochs nach einem der
Ansprüche 1 bis 7, umfassend die Schritte:
a. Bereitstellen des mit pyrolytischem Kohlenstoff
überzogenen Partikels;
b. Suspendieren des Partikels in einem Fluid;
c. Pumpen des die suspendierten Partikel enthaltenden Fluids
in ein Bohrloch.
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