DE3886253T2

DE3886253T2 - Schaumwasserschlamm-Generator.

Info

Publication number: DE3886253T2
Application number: DE88200661T
Authority: DE
Inventors: Donald C Cameron; Mat Hoover
Original assignee: PUMPTECH NV
Current assignee: PUMPTECH NV
Priority date: 1987-04-22
Filing date: 1988-04-07
Publication date: 1994-04-07
Anticipated expiration: 2008-04-08
Also published as: DE3886253D1; EP0288106B1; NO881726L; EP0288106A3; EP0288106A2; US4797003A; CA1280107C; NO881726D0

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG

Die Erfindung bezieht sich auf eine Einrichtung und ein Verfahren zur Erzeugung von geschäumtem Zementschlamm, wie er bei Öl- oder Gasbohrungen verwendet wird. Wie allgemein in den US-A-4,457,375, US-A-4,466,833, US-A-3,685,807 und US-A-4,415,366 dargestellt, sind Zementschlämme bei Bohrbetrieben sehr nützlich, welche das Fertigstellen, Unterhalten und Servicefunktionen, wie z.B. das Auswaschen von Sand, umfassen.
Die Aufschäumeinrichtung und das Verfahren des Stands der Technik hat einige Nachteile gehabt. Wie in den obigen Patenten gezeigt, sind Schaumerzeuger relativ komplex und erzeugen nicht die geringe Schaumdichte, welche manchmal gewünscht wird. Bei der Wartung einer Bohrung sind oft Schlämme mit verschiedenen Gewichten erforderlich. Ein relativ leichter Sand- und Wasserschlamm unter sehr hohem Druck wird zum Aufbrechen der Bohrung verwendet. Ein sehr schwerer Zementschlamm kann in die Bohrung gepumpt werden, um dicken Schmutz nach dem Bohren zu verdrängen. Der schwere Zement wird dann an den Seiten der Bohrung nach oben gedrängt, um eine Wandung zu bilden. Schwere Schlämme sind von Natur aus schwierig zu pumpen, und als Ergebnis daraus müssen die Wandungen oftmals in Stufen gebildet werden. Das Stufenverfahren ist relativ langsam und ineffizient. Wenn schwere Zementschlämme durch die Natur der Bohrung nicht erforderlich sind, können "geschäumte" Zementschlämme, d.h. ein mit Zement verbundenes Gas, dazu verwendet werden, die Flüssigkeiten in der Bohrung zu verdrängen und die Wandung zu bilden. Wenn der Schlamm leicht genug ist, kann die Wandung durch den geschäumten Zement in einem Schritt gebildet werden.
Bei der Herstellung von geschäumtem Zementschlamm muß darauf geachtet werden, daß sichergestellt ist, daß der Schlamm selbst und die sich daraus ergebende ausgehärtete Wandung stabil sind. Wenn zu große Blasen mit dem Schlamm kombiniert werden, können diese nach oben aufsteigen und dadurch das Ziel des Aufschäumens beseitigen. Wenn die Gasblasen nicht gleichförmig verteilt sind, können sie sich miteinander verbinden und in der Zementwandung geschwächte Bereiche verursachen.
Das Dokument US-A-4,647,212 beschreibt einen Mischer zum Vermengen oder Mischen verschiedener Fluide, insbesondere einer Flüssigkeit mit einem Gas.
Eine Flüssigkeit oder ein Gas geht durch zwei perforierte Platten (11, 12), welche an zwei Flächen eines X-förmigen Körpers (10) angeordnet sind.
Dieser Mischer kann jedoch keinen Schaum erzeugen.
Die US-A-4,457,375 beschreibt einen Schaumerzeuger für Anwendungen bei Ölfeldern. Jedoch zielt dieses Dokument nicht auf das Bilden eines geschäumten Zements ab, sondern nur auf das Zirkulieren eines Schaums in einer Bohrung.
Die Erfindung umfaßt eine Einrichtung und ein Verfahren zum gleichförmigen Verteilen eines Gases in einem Schlamm, um eine sehr leichte, stabile Flüssigkeit vorzusehen. Diese Flüssigkeit kann einfach in eine Bohrung gepumpt werden, um die Flüssigkeit darin zu verdrängen, und nachfolgend eine Wandung zu bilden. Das Verfahren des Bildens der Wandung kann normalerweise in einem Schritt durchgeführt werden.
Die vorliegende Erfindung ist in der Lage gewesen, eine relativ einfache Anordnung zum Erzeugen eines sehr leichten, stabilen Schaums zu verwenden. Insbesondere unterteilt eine Buchse mit einer Anzahl von Kanälen oder Löchern darin einen Strom von Gas in eine Mehrzahl von Strömen mit kleinerem Durchmesser und höherer Geschwindigkeit, und erreicht eine wesentlich stärkere Schäumwirkung. Ferner liefert die Verwendung eines speziellen Typs eines Verbinders, welcher einen Zwillingsfluß von Zementschlamm oder einen Zwillingsfluß von Gas in einer Mischkammer verwendet, zusätzlich die Fähigkeit den Zement aufzuschäumen, während er in einer stabilen Konfiguration gehalten wird.
Durch Verwendung dieser Einrichtung ist eine Dichte von 0,108 g/cm³ (0,9 ppg) bei einem stabilen, geschäumten Zementschlamm erreicht worden. Dies ist eine geringere Dichte, als bei irgendeiner praktischen Anwendung jemals erreicht worden ist, die dem Anmelder bekannt ist. Der bei dem Schlamm verwendete Zement kann Additive umfassen, welche im Stand der Technik gut bekannt sind. Diese Additive helfen in zwei verschiedenen Graden bei der Stabilität, der Adhäsion, dem Schäumvorgang, dem Gewicht, der Dichte etc.. In einem tatsächlichen Test sind 112 m³ (705 Barrel) Klasse C, 8,9 l/t 0,1 Gallonen/SK) Schaumstabilisator, 1,5 % oberflächenaktivev Schäumungsmittel verwendet worden, welche mit 1,9 m³/min (12 Barrel pro Minute) gepumpt worden sind. Stickstoff wurde mit einem Verhältnis von 1,8 1/1 (100 scf/Barrel) von Schlamm während der Aufschäumphase hinzugefügt; daher war die Stickstoffrate 34 sm³/min (1200 scfm). Als Ergebnis daraus wurde ein stabiler Zementschaum zur Oberfläche zirkuliert, welcher stabil blieb.
Die Erfindung umfaßt ferner ein Verfahren zur Herstellung von geschäumtem Zementschlamm durch Unterteilen eines Gasstroms in eine Mehrzahl von Hochdruckströmen, Kombinieren dieser mit einer Mehrzahl von Zementschlammströmen unter einem Winkel dazu, und nachfolgendes Pumpen des resultierenden geschäumten Zementschlamms in eine Bohrung. Alternativ dazu kann eine Mehrzahl von Stickstoffgasquellen bei dem Frakturierverfahren mit Wasser und Sand kombiniert werden. Wie hierin verwendet, kann der Schlamm Zement und/oder Sand und Wasser umfassen.

ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG

Die Erfindung bezieht sich auf einen Hochdruckschlammschaum- Erzeuger, welcher Schlamm Zement oder Sand und Wasser sein kann, umfassend eine Flüssigkeitsquelle, eine Gasquelle und Mittel zum Kombinieren der Flüssigkeit und des Gases in einer derartigen Weise, daß kleine Gasblasen in der Flüssigkeit gebildet werden, wobei die Mittel zum Kombinieren ein Gehäuse und einen Verbinder mit mehreren Kanälen umfassen, welcher einen Mischbereich aufweist. Ein Kanal des Verbinders ist der Einlaß für das Gas, normalerweise Stickstoff, welches in eine Mehrzahl von kleineren Strömen mit höherer Geschwindigkeit unterteilt ist. Wenigstens ein weiterer Einlaßkanal dient als der Einlaß für den Zementschlamm. Der Schlamm und das Gas, normalerweise Stickstoff, werden in einer Kammer gründlich gemischt und aus dem Auslaßkanal heraustransportiert. Ein dritter Einlaßkanal kann für den Zementschlamm oder das Stickstoffgas für verschiedene Bearbeitungsvorgänge der Bohrung verwendet werden. Die Erfindung umfaßt ferner das Verfahren zum Herstellen eines Zementschaums, umfassend das Pumpen eines schäumbaren Zementschlamms zu einem Gehäuse, das Pumpen eines Gases zu dem Gehäuse, das Aufteilen des Gases in eine Mehrzahl von Hochgeschwindigkeitsströmen und das Kombinieren der Ströme und des Schlamms, um einen Schäumvorgang zu verursachen. Die Erfindung umfaßt ferner das Pumpen des geschäumten Schlamms in eine Bohrung.

KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN

Fig. 1 ist eine schematische Wiedergabe einer Einrichtung zum Pumpen von geschäumtem Zementschlamm in eine Bohrung;
Fig. 2 ist ein Querschnitt des Verbinders, der Schaumerzeugerbuchse und des Paßstücks der Erfindung,
Fig. 3 ist eine Querschnittsansicht des Verbinders der Erfindung zum Bilden des Zementschlamms;
Fig. 4 ist eine Endansicht der Buchse; und
Fig. 5 ist eine graphische Wiedergabe des Drucks gegen die Flußraten des verwendeten Gases.

DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN

Fig. 1 ist eine schematische Ausführungsform des Schaumerzeugers der vorliegenden Erfindung, wie er in einer ausgebohrten Bohrung verwendet wird. Er umfaßt einen Schaumerzeuger 10, einen Rohrstrang 12, welcher in eine Bohrung 14 mit einem Gehäuse 16 führt, das eine Platte 18 am (oberen) Ende derselben aufweist. Der Schaumerzeuger 10 umfaßt einen Einlaß 20 für einen Hochdruckzementschlamm, welcher durch ein Rückschlagventil 22 eines im Handel erhältlichen Typs zu einem T-Stück 24 strömt. Ein Ventil 28 wird dazu verwendet, die verschiedenen Additive zu dem Zementschlamm zu kontrollieren, wenn dieser durch dieses strömt. Die verschiedenen Additive können eines einer Anzahl von im Handel erhältlichen Typen zum Steuern des Aufschäumens, der Menge, der Dichte, der Aufbauzeit, des Gewichts, etc. sein. Eine Drossel 30 wird dazu verwendet, den Druck und die Geschwindigkeit des Zementschlamms auf einen gewünschten Pegel zu steuern, typischerweise 0,636 bis 0,795 m³/min (vier bis fünf Barrel pro Minute) bei 70 kg/cm² (1000 psi) . Die Drossel 30 kann eine einer Anzahl von im Handel erhältlichen und im Stand der Technik bekannten Typen sein. Ein Ventil 32 steuert das Volumen des in die Leitung 34, welche betriebsmäßig mit einem Gehäuse 36 mittels eines Verbinders 40 verbunden ist, eingelassenen Zements.
Ferner führt zu dem Gehäuse 36 ein Einlaß 42, welchem Hochdruckgas zugeführt wird, wie z.B. Stickstoff oder andere im Stand der Technik gut bekannte Gase. Derartige andere Gase können Kohlendioxid, Halogen, Freon etc. sein. Das Gas steht normalerweise entweder durch eine komprimierte Quelle oder nach dem Durchströmen eines Kompressors (nicht dargestellt) unter Hochdruck. Ein Rückschlagventil 43 stellt sicher, daß kein Gas durch die Leitung 44 zurückströmt. Ein Ventil 46 steuert die Zugabe eines Schaumbildners oder anderer Additive zu dem Gas. Ein Ventil 48 steuert den Einlaß des behandelten Gases in das Gehäuse 36. Typischerweise ist das Gas Stickstoff und tritt mit ungefähr 210 kg/cm² (3000 psi), was einem Äquivalent von 2 - 3,2 m³/min (ungefähr 13-20 Barrel/min.) entspricht, wobei 2,4-2,5 m³/min (15-16 Äquivalent-Barrel/min.) bevorzugt sind. Die oben angegebenen Parameter werden dann verwendet, wenn das Gehäuse einen inneren Durchmesser von ungefähr 63,5 mm (2-1/2 Zoll) hat. Andere Drücke, Geschwindigkeiten und Durchmesser sind für den Fachmann selbstverständlich.
Eine Schaumerzeugerbuchse 50 (Fig. 1 und 2) unterteilt die Hochdruckstickstoffquelle in eine Mehrzahl von kleineren Hochgeschwindigkeitsströmen. Die Buchse 50 weist eine Reihe von Kanälen oder Löchern 52 und eine Berstscheibe 58 entlang ihrer Längsachse auf. Die Buchse ist von im allgemeinen zylindrischer Form mit einer kreisförmigen Dichtungsausnehmung 56 darin. Für den Fachmann sind andere Formen selbstverständlich.
Die Buchse 50 ist derart bemessen, daß sie in eine Ausnehmung eines Verbinders 62 mit einer Mehrzahl von Kanälen paßt. Ein Einlaßkanal 64 weist ein Innengewinde darin auf, sowie einen Innendurchmesser, welcher geringfügig größer ist als derjenige der Ausnehmung 60, welcher den Einsatz 50 aufnimmt.
Wie in den Fig. 2 und 3 dargestellt, können jeweils Einläße 68 und 70 zusammen mit Leitungen 72 und 74 verwendet werden, welche mit diesen in Schraubeingriff sind, um Einläße für den Hochdruckzementschlamm vorzusehen. Ein Paßstück 76 mit Außengewinden 78 und einer Ausnehmung 80, welche derart geeignet bemessen ist, daß sie mit dem Einsatz 50 eingreift, dient dazu, den Einsatz festzuhalten, wie in Fig. 3 dargestellt. Der Einsatz weist ferner Außengewinde 84 an seinem anderen Ende auf, so daß er mit einer weiteren Leitung verbunden werden kann. Kanäle 52 in dem Einsatz dienen dazu den Strom des Hochdruckstickstoffs in eine Mehrzahl von vielen Hochgeschwindigkeitsströmen aufzubrechen. Die Anzahl der Ströme kann sich von vorzugsweise 5 bis 25 ändern; es ist jedoch herausgefunden worden, daß die Verwendung von 16 Kanälen besonders vorteilhaft ist. Verschiedene Durchmesser können verwendet werden; es ist jedoch ebenso herausgefunden worden, daß in dem oben beschriebenen Beispiel 2,4 und 1,19 mm (3/32 Zoll und 3/64 Zoll) bevorzugt sind.
Die Berstscheibe 58 ist nahe dem Mittelpunkt des Einsatzes angeordnet, kann jedoch auch an anderen Orten vorgesehen sein. Sie weist eine nach oben weisende konvexe Oberfläche auf, und kann eine von einer Anzahl im Handel erhältlicher Berstscheiben sein. Der Berstscheibendruck ist derart festgesetzt, daß er weit oberhalb des Betriebsdrucks der Einrichtung liegt. Typisch für derartige Berstdrücke sind 700 bis 850 kg/cm² (10.000 bis 12.000 psi). Andere Sicherheitseinrichtungen oberhalb des Grundniveaus können in verschiedenen Teilen der Einrichtung verwendet werden.
Wichtig bei dieser Einrichtung ist das Beibehalten des Schäumvorgangs, selbst wenn die Löcher 52 verstopft werden sollten. Wenn die Berstscheibe 58 aufgrund des Verstopfens der Löcher 52 bricht, wird das Stickstoffgas fortgesetzt dem Verbinder 62 zugeführt, so daß der Vorgang des Mischens von geschäumtem Hochdruckzementschlamm fortgesetzt wird, wenn auch nicht so effizient.
Weitere Ausnehmungen in dem Verbinder 62 sind Zementschlammeinlaßausnehmungen 86 und 88. Jede der Einlaßausnehmungen führt zu einer Mischkammer 90, wo Gas und Zementschlamm oder eine andere Flüssigkeit gemischt werden. In dieser speziellen Ausführungsform weist der Kreuzverbinder eine Bohrung mit ungefähr 63,5 oder 73,02 mm (2-1/2 Zoll oder 2-7/8 Zoll) auf. Beim Verwenden eines Verbinders mit einer 63,5 mm (2-1/2 Zoll) Bohrung und 16 1,19 mm (3/64 Zoll) Löchern, hat man einen Arbeitsdruck von ungefähr 560 kg/cm² (8000 psi). In diesem Fall wäre der typische Berstdruck der Scheibe 700 kg/cm² (10.000 psi). Wenn der Arbeitsdruck 850 kg/cm² (12.000 psi) wäre, wäre der Berstdruck der Scheibe ungefähr 1050 kg/cm² (15.000 psi).
Es ist wichtig darauf hinzuweisen, daß eine alternative Ausführungsform der Erfindung eine Mehrzahl von Buchsen 50 umfaßt, d.h. zwei davon unter 90º, d.h. an beiden Seiten eines einströmenden Schlamms aus Sand und Wasser. In diesem Fall hätten das Wasser und der Sand typischerweise 140 bis 850 kg/cm² (2000 bis 12.000 psi) mit einer Rate von 800 bis 3180 l/min (5 - 20 Barrel pro Minute) und der Stickstoff würde 140 kg/cm² (2000 psi) über dem Sand und Wasser liegen und eine äquivalente Zufuhr von ungefähr 0,795 m³/min (5 Barrel pro Minute) Stickstoff aufweisen. Es ist herausgefunden worden, daß sowohl die Verwendung von zwei Stickstoffgaseinläßen zu einem einzigen Zementschlammstrom, als auch die Verwendung eines einzigen Stickstoffstroms in zwei Sand- und Wasserschlämme wesentlich bessere Ergebnisse erzielt, als die früher mit einem von jedem der oben angegebenen erreichten. In tatsächlichen Tests ist herausgefunden worden, daß bei Verwendung von zwei Stickstoffeinläßen an jeder Seite eines Zementschlammstroms die Dichte des geschäumten Zements nur 0,108 g/cm³ (0,9 ppg) beträgt.
In Fig. 3 umfaßt ein Auslaß 92 eine Ausnehmung 94, sowie Innengewinde 96 in einem Bereich mit vergrößertem Durchmesser zum Verbinden desselben mit einem Bohrungsstrang.
Fig. 5 stellt einen Graph der Stickstoffflußrate bei 37,8ºC (100ºF) gegen den Druck in der Einrichtung dar. Man kann sehen, daß es einen geradlinigen Zusammenhang zwischen dem Druck und der Stickstoffflußrate bei der Verwendung von 16 Kanälen mit 19,05 mm (3/4 Zoll) Durchmesser und 16 Löchern mit 2,38 mm (3/32 Zoll) Durchmesser gibt. Zum Beispiel würde es bei der Verwendung von 16 1,19 mm (3/64 Zoll) Löchern bei ungefähr 420 kg/cm² (6000 Arbeits-psi) eine Stickstoffflußrate von ungefähr 70 m³/min (2500 Kubikfuß pro Minute) geben. Weitere Beziehungen können dem Graphen entnommen werden.

Claims

1. Hochdruckzementschlammschaum-Erzeuger umfassend:

eine Flüssigkeitsquelle,

eine Gasquelle,

Mittel zum Kombinieren der Flüssigkeit und des Gases in einer derartigen Weise, daß kleine Gasblasen in der Flüssigkeit gebildet werden,

wobei das Mittel zum Kombinieren ein Gehäuse (36) umfaßt, sowie einen Verbinder (62) mit mehreren Kanälen, welcher einen Mischbereich (90) aufweist, der betriebsmäßig mit Einlässen und einem Auslaß in dem Gehäuse verbunden ist, wobei ein Kanal des Verbinders der Gaseinlaß (64) ist, wenigstens ein Kanal (68; 70) der Einlaß für den Schlamm ist, und ein Kanal der Auslaß für den aufgeschäumten Schlamm ist, dadurch gekennzeichnet,

daß der Gaseinlaßkanal eine Buchse 50 aufweist, welche eine Reihe von Kanälen 52 mit kleinem Durchmesser parallel zur Längsachse des Einlasses aufweist.

2. Hochdruckschlamm-Erzeuger nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Buchse eine darin angebrachte Bruchscheibe (58) aufweist, welche bricht, wenn der Kanal verstopft werden sollte und der Druck eine bestimmte Grenze überschreitet, wodurch das Mischen des Schlamms und des Gases selbst dann andauert, wenn die Löcher verstopft werden.

3. Hochdruckschlamm-Erzeuger nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß 16 Löcher (52) mit einem Durchmesser von 19,05 mm (3/4 - Zoll) vorhanden sind, und die Einlaßöffnung einen Durchmesser von ungefähr 63,5 mm (2-1/2 - Zoll) aufweist.

4. Hochdruckschlamm-Erzeuger nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß 16 Löcher (52) mit einem Durchmesser von 2,32 mm (3/32 - Zoll) vorhanden sind, und die Einlaßöffnung einen inneren Durchmesser von 73,02 mm (2-7/8 - Zoll) aufweist.

5. Hochdruckschlammschaum-Erzeuger nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß er zwei Schlammeinläße (68; 70) unter rechten Winkeln zum Gaseinlaßkanal (64) aufweist.

6. Hochdruckschlammschaum-Erzeuger nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß er zwei Gaseinlaßkanäle aufweist, wobei jeder eine Buchse (50) aufweist, durch welche das Gas unter rechten Winkeln zu dem Zementeinlaß strömt.

7. Hochdruckschlammschaum-Erzeuger nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Buchse in eine Ausnehmung (60) des Verbinders (62) paßt und durch ein Paßstück (76), welches betriebsmäßig mit dem Gaseinlaßkanal (64) in Eingriff ist, festgehalten ist.

8. Verfahren zur Herstellung eines aufgeschäumten Schlamms zur Verwendung beim Bearbeiten von Bohrungen, umfassend:

Pumpen eines Schlamms, welcher durch einen Schaumerzeuger gemäß einem der Ansprüche 1 bis 7 aufschäumbar ist,

Pumpen eines Gases zu dem Schaumerzeuger, dadurch gekennzeichnet,

daß das Gas in eine Mehrzahl von Hochgeschwindigkeitsströmen aufgeteilt ist.