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Die
vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Bohren eines Bohrlochs
unter Einsatz wässriger Bohrlochspülmittel.
Insbesondere wird im Verfahren ein Additiv zur Reduktion des Verlusts
von Bohrspülmitteln in
den Formationen um das Bohrloch verwendet.
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HINTERGRUND
DER ERFINDUNG
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Zur
Herstellung von Kohlenwasserstoffbrunnen werden in unterirdische
Formationen Bohrlöcher
gebohrt. Im Anschluss an Standardverfahren wird während des
Bohrens von der Oberfläche
aus eine Flüssigkeit durch
das Innere der Bohrgarnitur und den Ringraum zwischen Bohrgarnitur
und Formation zirkuliert. Das Bohrspülmittel, das auch als "Spülung" bezeichnet wird,
wird verwendet, um eine Reihe an untereinander zusammenhängenden
Funktionen zu erzielen. Diese Funktionen sind:
- (1)
Die Flüssigkeit
muss feste Teilchen zur Absiebung und Entsorgung suspendieren und
an die Oberfläche transportieren.
- (2) Diese muss Ton oder andere Substanzen, die an der nicht
verkleideten Bohrlochoberfläche
haften bleiben und diese beschichten, transportieren können, um
sowohl (a) unerwünschte
Fluide, denen begegnet werden kann, wie z.B. Salzlösungen,
auszuschließen,
wodurch verhindert wird, dass diese sich mit der Spülung vermischen
und das rheologische Profil dieser verschlechtern, als auch (b)
den Druckverlust am Boden des Bohrlochs aufgrund von Flüssigkeitsverlust
zu verhindern, falls das Bohrloch einen Abschnitt mit porösem Formationsmaterial
passieren sollte.
- (3) Diese muss zusätzliche
Beschwerungsmittel (zur Erhöhung
der relativen Dichte des Spülschlamms),
im Allgemeinen Baryte (fein gemahlenes Bariumsulfaterz), in Suspension
halten, damit die gesamte Bohrspülmittelsäule bei
Vorliegen von unter Druck stehenden Nestern aus brennbaren Gasen
nicht unterbrochen wird, was ansonsten zu einer Reduktion des Drucks
am Boden des Bohrlochs sowie zu einem "Ausbruch" führen
würde,
bei dem die Flüssigkeit
und sogar die Bohrstange mit großer Wucht aus dem Schacht geschleudert
werden würden,
wodurch es zu katastrophalen Beschädigungen, insbesondere durch
Feuer, kommen könnte.
- (4) Diese muss die Bohrkrone konstant schmieren, damit es zu
einer höheren
Bohreffizienz kommt und der Kronenverschleiß verzögert wird.
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In
der Industrie werden Bohrspülmittel
grob in drei Klassen eingeteilt: Bohrspülmittel auf Ölbasis,
Wasserbasis und so genannte Kunstschlämme. Obwohl Schlämme auf Ölbasis aufgrund
ihrer hervorragenden Eigenschaften für die meisten Bohrungstätigkeiten
anerkannt sind, wird deren Einsatz hinsichtlich Umweltbelastung
und strengerer Umweltgesetze immer unerwünschter. Es wird erwartet,
dass in Gebieten mit Hauptvorkommnissen Bohrspülmittel auf Wasserbasis solche
auf Ölbasis
als Bohrspülmittel
der Wahl verdrängen
werden.
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Ein
Bohrspülmittel
enthält üblicherweise
eine Reihe von Additiven. Diese Additive verleihen der Flüssigkeit
gewünschte
Eigenschaften, wie z.B. Viskosität
oder Dichte. Eine Additivklasse wird als Flüssigkeitsverlustsmittel verwendet,
um zu verhindern, dass Bohrspülmittel
in die porösen
Formationen gelangen.
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Der
Grundmechanismus der Flüssigkeitsverluststeuerung
beruht im Allgemeinen auf der Bildung eines Filterkuchens an der
Grenzfläche
der porösen
oder durchlässigen
Formationsschichten. Da ein Teil des Bohrspülmittels durch den im Bohrloch
herrschenden höheren
Druck in die Formation gezwängt
wird, bleiben größere Teilchen
und Additive zurück
und sammeln sich an der Oberfläche
der Formation. Der so gebildete Filterkuchen kann als eine Membran
angesehen werden, die die Formation vor einem weiteren Eindringen
von Bohrlochflüssigkeiten
schützt.
Flüssigkeitsverluststeuerungsmittel
werden hinsichtlich ihrer Eigenschaft zur Bildung eines ausreichenden
Filterkuchens ausgewählt.
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Bekannte
Beispiele für
solche Flüssigkeitsverluststeuerungsmittel
sind wasserlösliche
polymere Additive, die zum Bohrspülmittel zugesetzt werden, um
die Dichtung des Filterkuchens zu verbessern. Diese Flüssigkeitsverlustpolymere
sind am häufigsten
modifizierte Zellulosen, Stärken
oder andere Polysaccharidderivate und unterliegen Temperatureinschränkungen.
Die meisten beginnen insbesondere bei etwa 105 bis 120 °C ihre Wirkung
zu verlieren.
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Latices
hingegen sind beispielsweise im US-Patent 5.770.760 beschrieben,
bei dem Latex verwendet wird, um Bohrspülmittel auf Wasserbasis zu
verdicken. Der Latex wird zum Schlamm zugesetzt und chemisch behandelt,
um das funktionelle Polymer zu ergeben, das in solubilisierter Form
vorliegt.
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Der
Einsatz von Latices zur Steuerung von Flüssigkeitsverlust wird beispielsweise
in den US-Patenten 4.600.515 und 4.385.155 beschrieben. In diesen
Anmeldungen werden Polymerlatices jedoch in wasserlöslicher
Form verwendet.
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Es
ist deshalb ein Ziel der vorliegenden Erfindung, eine neuartige
Klasse von Flüssigkeitsverlustmitteln
für Bohrspülmittel
bereitzustellen.
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In
der US-Patentanmeldung 5.518.996 ist ein Fluid mit hohem Feststoffanteil
zur Behandlung einer unterirdischen Formation vorgeschlagen, wobei
das Fluid eine Flüssigkeit
und zumindest drei Größen von
Feststoffteilchenmaterialien umfasst.
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In
den EP-Patentanmeldungen 0.875.657 und 0.875.658 sind Zusammensetzungen
auf Wasserbasis zur Abdichtung von unterirdischen Zonen beschrieben,
wobei die Zusammensetzungen wässrigen
Kautschuklatex enthalten, der durch Wasser in einem Bohrloch destabilisiert
und ausgefällt
wird.
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In
der US-Patentanmeldung 4.301.016 ist ein Bohrspülmittel beschrieben, das eine
wässrige
Dispersion eines emulsionspolymerisierten Latex umfasst. Bei Verwendung
quellen die polymeren Teilchen und verbinden sich miteinander, um
die Viskosität
zu erhöhen.
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ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
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Die
vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Bohren eines Bohrlochs
gemäß Anspruch
1.
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Die
Latices werden aus bekannten Latices so ausgewählt, dass sie in einem Filterkuchen
absorbiert werden, der sich an der Grenzfläche zwischen Bohrloch und porösen Formationen
aufbauen, und zwar im Wesentlichen in gleichem Zustand, wie sie
im wässrigen
Bohrspülmittel
vorliegen. Deshalb werden die für
diese Anwendung verwendeten Latices nicht koaguliert oder weiter
vernetzt.
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Ein
weiteres Auswahlkriterium für
geeignete Latices besteht darin, dass die Tg bzw. Glastemperatur des
Polymers unter der Temperatur der Bohranwendung liegen muss, sodass
sich das Polymer in einem gummiartigen oder flüssigkeitsähnlichen Zustand befindet.
In diesem Zustand sind die Polymerteilchen verformbar, was die Dichtungseigenschaften
des Filterkuchens verbessert.
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Die
Polymerlatices können
alle beliebigen wasserunlöslichen
Polymere, Copolymere oder Terpolymere sein, die beispielsweise durch
Emulsionspolymerisation synthetisiert sind. Die chemischen Haupttypen
können
als Folgende zusammengefasst werden:
Polymere und Copolymere,
worin die Hauptgrundeinheiten aus monoolefinisch ungesättigten
Monomeren wie z.B. Vinylacetat, Vinylestern anderer Fettsäuren, Estern
von Acryl- und Methacrylsäuren,
Acrylonitril, Styrol, Vinylchlorid, Vinylidenchlorid, Tetrafluorethylen
und verwandten Monomeren stammen;
Polymere und Copolymere,
worin der Hauptabschnitt der Grundeinheiten aus 1,3-Dienen, wie z.B.
1,3-Butadien (Butadien), 2-Methyl-1,3-butadien (Isopren) und 2-Chlor-1,3-butadien
(Chloropren), stammt, wobei die kleineren Abschnitte der Grundeinheiten
aus monoolefinisch ungesättigten
Monomeren, wie z.B. Styrol und Acrylonitril, oder anderen der Kategorie
1 stammen;
Andere Polymere, wie z.B. Polyisobutene, die geringe
Mengen an copolymerisiertem Isopren enthalten, Polyurethane und
andere Monomereinheiten.
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Latices,
die für
die vorliegende Erfindung verwendet werden, umfassen, jedoch nicht
ausschließlich, Styrol-Butadien-Copolymerlatex
(SBR) und Styrol-Acrylat-Methacrylat-Terpolymerlatex
(SA).
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Zur
besseren Verträglichkeit
mit anderen in den Bohrspülmitteln
vorliegenden Feststoffen ist gegebenenfalls die Verwendung eines
zusätzlichen
Stabilisators als Additiv zum Bohrspülmittel auf Wasserbasis erforderlich.
Dies kann auf bestimmte Typen von SBR-Latices zutreffen. SA-Latices
scheinen bei Umgebungstemperatur und moderaten Temperaturen (bis
etwa 60 °C)
stabil zu sein, werden aber bei höheren Temperaturen destabilisiert.
Andere Latexchemikalien sind gegebenenfalls stabiler. Der Stabilisator
wird im Allgemeinen bei einer Dosierung von 10 % der Latexkonzentration
oder weniger zugesetzt. Dabei muss auf die Auswahl geachtet werden,
um Formationsschäden
durch freie Stabilisatoren auf ein Minimum zu beschränken. Als
wirksamste Stabilisatoren gelten anionische Tenside, die durch Natriumdodecylsulfat
(SDS) typisiert sind, Aerosol OT (AOT) und polymere Stabilisatoren/Tenside,
wie z.B. NPE (eine 30%ige wässrige
Lösung
aus Ammoniumsalz von sulfatisierten ethoxylierten Nonylphenolen);
nichtionische Tenside, wie z.B. die Triton-Reihe, ein Octylphenolpolyetheralkohol
mit einer unterschiedlichen Anzahl an Etherbindungen pro Molekül, der im
Handel von Union Carbide erhältlich
ist. Synperonics können
ebenfalls zur Latexstabilisierung eingesetzt werden.
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Weitere
auf dem Gebiet der Erfindung bekannte Additive können zugesetzt werden, um dem
Spülungssystem
andere gewünschte
Eigenschaften zu verleihen. Solche bekannte Additive umfassen viskos
machende Additive, Filtratreduzierungsmittel und Gewichtseinstellmittel.
Andere bevorzugte Additive umfassen Mittel zur Hemmung von Schieferquellungen,
wie z.B. Salze, Mittel auf Glykol-, Silicat- oder Phosphatbasis oder
beliebige Kombinationen davon.
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Die
nachstehenden detaillierten Beschreibung und Zeichnungen dienen
dazu, Fachleuten auf dem Gebiet der Erfindung ein besseres Verständnis dieser
und anderer Merkmale der Erfindung, der bevorzugten Ausführungsformen
und Varianten davon, möglichen
Anwendungen und Vorteilen zu vermitteln.
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KURZBESCHREIBUNG
DER ZEICHNUNGEN
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In 1 werden
Flüssigkeitsverlustadditive
aus Polymeren und Latex verglichen, wobei der kumulative Flüssigkeitsverlust
bei 30 Minuten und 25 °C
als eine Funktion des angewandten Differentialdrucks dargelegt wird.
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In 2 wird
die Leistung von agglomerierten und nichtagglomerierten SBR-Latices
verglichen, wobei der kumulative Flüssigkeitsverlust bei 30 Minuten
und 25 °C
als eine Funktion des angewandten Drucks dargelegt wird.
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In 3 wird
der kumulative Flüssigkeitsverlust
bei 30 Minuten und 25 °C
als eine Funktion des für SA-
und SBR-Latices angewandten Druck dargelegt.
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In 4 wird
die Wirkung der Temperatur auf die Leistung von glasartigem Polymer,
verglichen mit der Filtrierleistung aus dem Latex vom SA-Typ bei
25 und 80 °C
(über und
unter der Tg von 59 °C),
veranschaulicht.
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In 5 wird
die Wirkung der Temperatur auf den Flüssigkeitsverlust in Latexsystemen
veranschaulicht, die eine Baryt/Xanthan-Zusammensetzung als Basisflüssigkeit
einsetzen.
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BESTE ART
DER DURCHFÜHRUNG
DER ERFINDUNG
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Mehrere
unterschiedliche wasserlösliche
Latices wurden auf ihre Verwendung als Flüssigkeitsverlustadditive getestet.
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Zuerst
wurden deren Filtrierleistungen unter Verwendung einer API-HTHP-Filterpresse mit
halber Filterfläche
als Funktion der Temperatur und des Drucks überprüft. Typische Drücke im Bereich
von 100–500
psi und Temperaturen von 25 °C
bis 150 °C
wurden verwendet. Dabei wurde der kumulative Flüssigkeitsverlust nach 30 Minuten
zur Charakterisierung der Filtrierleistung verwendet.
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Eine
leichtgewichtige Flüssigkeit
auf Polymerbasis, die aus 4 g/l Xanthankautschuk (IDVIS), 160 g/l API-Baryt
bestand und mit NaOH auf einen pH von 8 eingestellt war, wurde für diese
Tests als Basissystem verwendet. In 1 wird die
Filtrierleistung eines stabilisierten SBR-Latex mit einem herkömmlichen
Flüssigkeitsverlustpolymer,
polyanionischer Zellulose (PAC), bei 25 °C verglichen. Der Latex, bezeichnet
als LPF5356, ist ein Styrol-Butadien-Latex mit einer Tg von ~–20 °C und im
Handel als Pliolite LPF5356 von GOODYEAR erhältlich. Der Latex ist polydispers
und weist eine Teilchengrößenverteilung
von 100 bis 600 nm auf. Die Latexaufschlämmung wurde zur Basisformulierung
zu 3,5 % oder 7 % aktivem Bestandteil mit nichtionischem Tensid
Triton X405 in 10 % der Latexkonzentration zugesetzt. Die PAC wurde
zum Kontrollsystem in einer Konzentration von 5 g/l zugesetzt. Das
Diagramm zeigt einen viel geringeren Flüssigkeitsverlust für den Latex
als für
das herkömmliche
Polymeradditiv bei viel geringerer Druckabhängigkeit. Die Latexteilchen
verbessern die Dichtung im Filterkuchen.
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Ähnliche
Ergebnisse wurden mit LPF7528 der GOODYEAR-Pliolite-Reihe erzielt,
der eine mittlere Teilchengröße von 150
nm aufweist. In 2 wird die Filtrierleistung
von LPF7528 mit LPF5356 bei 25 °C,
die jeweils mit ionischem Tensid SDS stabilisiert waren, erneut
bei 10 % der Latexkonzentration verglichen.
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Weitere
Beispiele, bezeichnet als LS1 und LS2, sind Styrolacrylatmethacrylatlatices
der GOODYEAR-Pliotec-Reihe von im Handel erhältlicher Latices, die eine
Größe von 150
nm Durchmesser aufweisen, die durch Veränderung des Verhältnisses
der unterschiedlichen Monomere bezüglich Tg zwischen 59 bzw. 0
variieren. Bei Umgebungstemperatur sind alle in Bezug auf andere
Feststoffe stabil und benötigen
keine zusätzlichen
Stabilisatoren.
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In 3 wird
deren Leistung zusammengefasst, wenn diese als 3,5 % aktive Bestandteile
zum Basissystem zugesetzt werden, das mit Baryt beschwert ist. Der
Latex LS2 mit einer geringeren Tg als die Umgebungstemperatur stellt
eine gute Leistung bereit. LS1 mit einer Tg von 59 °C weist keine
gute Leistung auf. Im glasförmigen
Zustand verformt sich das Teilchen nicht, um im Filterkuchen gut
abgedichtet zu werden. Wenn der Test über seiner Tg bei 80 °C wiederholt
wird, findet eine ähnliche
Leistung wie bei anderen Latices statt, siehe 4.
Da der LS1-Latex bei erhöhter
Temperatur destabilisiert wurde, wurde zur Formulierung das Tensid
SDS in einer Konzentration von 0,35 % (10 % der Latexkonzentration)
zugesetzt.
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Allgemein
wird angenommen, dass der Flüssigkeitsverlust
mit zunehmender Temperatur steigt. Darüber hinaus verschlechtern sich
die polymeren Additive bei hohen Temperaturen. In 5 ist
die Wirkung der Temperatur auf verschiedene Latexsysteme in der
Xanthankautschuk-Basisflüssigkeit
dargestellt, die mit Baryt beschwert ist. Das Basissystem zeigt
einen raschen Verlust der Filtrationskantrolle bei 80 °C an. Im
Allgemeinen zeigen die Latexsysteme eine viel geringere Zunahme
des Flüssigkeitsverlusts
in diesem Bereich. Der LS1-Latex mit hoher Tg zeigt einen verbesserten
Flüssigkeitsverlust
bei höheren
Temperaturen. Bei höheren Temperaturen
kommt es zu anderen Systemeinschränkungen, insbesondere stellt
das nichtionische Tensid über
105 °C keinen
wirksamen Stabilisator bereit, was zur Koagulation des Latex führt. Es
wurde herausgefunden, dass die ionischen Tenside und das ionische
Polymer D135 die Polymere weiterhin über diesen Temperaturbereich
hinaus stabilisierten. Ein weiteres Problem trat in Zusammenhang
mit dem Xanthankautschuk auf, der bei 105 bis 110 °C ebenfalls
einen Leistungsverlust erleidet, was zum Absacken von Baryt führt. Das Scleroglucan-Biopolymer
ist bei höheren
Temperaturen stabil. Systeme, die auf 8 g/l Scleroglucan (Biovis)
und 160 g/l API-Baryt basieren sowie SA- und SBR-Latex mit verschiedenen
Stabilisatoren enthalten, wurden bei 120 °C über Nacht (16 h) heißgewalzt.
Vor und nach dem Altern wurde der HPHT-Flüssigkeitsverlust bei 120 °C gemessen.
Die Ergebnisse sind in Tabelle 1 zusammengefasst. In keinem der
Systeme wurde Baryt-Absacken beobachtet. In diesem System ist das
Latexgitter etwas weniger beeinträchtigt als der SBR-Latex, was aufgrund
seiner relativen Temperaturleistung zu erwarten ist.
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Tabelle
1 – HPHT-Flüssigkeitsverlust
nach 30 Minuten nach Altern über
Nacht (16 h) bei 120 °C
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Die
bisher dargelegten Beispiele gelten für Süßwassersysteme. Die Latices
sind auch gegenüber
zugesetztem Salz stabil. Tests, die in Gegenwart von 5 % KCl oder
NaCl durchgeführt
wurden, zeigten keinen Unterschied zu den oben angeführten Ergebnissen.
Der Latex ist auch in 25%iger CaCl2-Salzlösung stabil.
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Zur
Feststellung, ob es zu Formationsschäden durch neuartige Additive
gekommen war, wurden zusätzliche
Tests durchgeführt.
Das dabei verwendete Testverfahren ist von L.J. Fraser, P. Reid,
D. Williamson und F. Enriquez Jr. in "Mechanistic investigation of the formation
damaging characteristics of mixed metal hydroxide drill-in fluids and comparison
with polymer-base fluids",
SPE 30501, der SPE Annual Technical Conference and Exhibition, Dallas,
TX, USA, die am 22.–25.
Oktober 1995 stattfand, beschrieben worden.
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Gemäß dem beschriebenen
Verfahren wurde ein 30 mm langer Clashach-Sandsteinkern mit 25,4 mm Durchmesser
unter Vakuum mit einer synthetischen Formulierung aus konnatem Wasser
vorgesättigt,
was in Tabelle 2 angegeben ist.
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Tabelle
2 – Zusammensetzung
des konnaten Wassers
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Die
Durchlässigkeit
gegenüber
Kerosin wurde bei Restwassersättigung
bestimmt. 100 Porenvolumina von Kerosin (~350 g) wurden durch den
Kern bei einem im Test verwendeten Maximaldruck von 10 psi geflutet. Anschließend wurde
die Fließgeschwindigkeit
für 3 angewandte
Drucke, 10, 5 und 2 psi, ermittelt. Der Kern wurde sodann in eine
Filterzelle eingebaut und dem Bohrspülmittel 4 Stunden lang bei
300 psi Differentialdruck ausgesetzt, wobei die Filtrationsrichtung
dem Durchlässigkeitsfluss
entgegengesetzt war. Nach der Filtration wurde der Grad des Durchlässigkeitsschadens
bestimmt. Zur Quantifizierung des Schadens wurden erste Reinigungstests
durchgeführt,
indem Kerosin bei 2, 5 und 10 psi durchströmen gelassen wurde, wobei abgewartet wurde,
bis ein Fließgleichgewicht
erzielt wurde, bevor der nächsthöhere Druck
angelegt wurde. Dieses Fließgleichgewicht
wurde mit den anfänglichen
Fließgeschwindigkeiten
bei diesen Drücken
verglichen. Nach einer Reinigung bei 10 psi wurde die 3-Punkte-Durchlässigkeit
erneut bestimmt und eine prozentuelle Restdurchlässigkeit aus der Differenz
zwischen der letzten und ersten Durchlässigkeit, % Kf/Ki, berechnet.
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An
Bohrspülmitteln,
die mit Carbonat beschwert sind, wurden Formationsschädigungstests
durchgeführt.
Das Basissystem bestand aus 8 g/l Scleroglucan (Biovis) und 360
g/l Carbonat Idcarb 150. Der pH wurde mit NaOH auf 9 eingestellt.
Dazu wurden Flüssigkeitsverlustadditive
zugesetzt: entweder PAC bei 5 g/l oder Latices LPF7528 oder LS1
bei 3,5 % aktiven Bestandteil mit verschiedenen Stabilisatoren:
SDS und AOT und dem polymeren Stabilisator NPE bei 10 % der Latexkonzentration.
Bei Umgebungstemperatur und 120 °C
wurden Tests durchgeführt.
Die Leistungen sind in Tabelle 3 zusammengefasst.
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Die
Latexzusammensetzungen zeigen, verglichen mit dem herkömmlichen
PAC-Polymer, einen
stark verbesserten Flüssigkeitsverlust.
Aus Tabelle 3 geht insbesondere hervor, dass die PAC-Filtrationsleistung
bei 120 °C
deutlich beeinträchtigt
wird, während
die Latexformulierungen wirksam bleiben. Der SBR-Latex ergibt eine ähnliche Durchlässigkeitsschädigung gegenüber PAC
bei Raumtemperatur und verbessert sich bei erhöhten Temperaturen. Die Latices
vom SAS-Typ sind sehr schädigungsarm,
insbesondere zusammen mit dem anionischen Tensid SDS, bei dem Rücklaufdurchlässigkeiten
~90 % betragen. Der polyanionische Stabilisator NPE ist etwas schädigender
als die Tensidstabilisatoren. Es wird auch auf die einfache Reinigung
hingewiesen, wobei die SA-Latices bei geringem Druck eine hohe Reinigung
erzielen. In den meisten Fällen
ist der SA-Latexkuchen sauber von der Kernfläche abgetrennt. Die SBR-Latexkuchen
waren dispergierter und neigten dazu, Nadellöcher zu bilden, wozu es bei
Filterkuchen kommt, wenn diese mit herkömmlichen Polymeren formuliert
sind.
