DE68902544T2 - METHOD FOR USING A GEL IN DRILL HOLES. - Google Patents
METHOD FOR USING A GEL IN DRILL HOLES.Info
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Description
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Einbringen eines Gels in ein in den Erdboden gebohrtes Bohrloch zur vorübergehenden und selektiven Isolierung von durchlässigen Zonen unterhalb der Oberfläche, die von dem Bohrloch durchquert werden. Die Erfindung betrifft insbesondere Erdöl-Bohrlöcher.The present invention relates to a method for introducing a gel into a borehole drilled into the ground for temporarily and selectively isolating permeable zones below the surface traversed by the borehole. The invention relates in particular to petroleum wells.
Häufig ist es erwünscht, eine durchlässige Formation eines Bohrloches vorübergehend zu blockieren oder zu isolieren in der Weise, daß andere Zonen bearbeitet oder stimuliert werden können, beispielsweise durch Frakturierung oder Einpressen von Säure oder auch bei Arbeitsgängen zur Abdichtung (Verfestigung) oder Modifizierung der Ausrüstung der Bohrlöcher. Außerdem führt man während des Bohrens häufig eine Isolierung der durchlässigen Zonen durch, die zu hohe Borflüssigkeitsverluste verursachen.It is often desirable to temporarily block or isolate a permeable formation in a wellbore so that other zones can be worked or stimulated, for example by fracturing or acid injection, or during operations to seal (solidify) or modify the wellbore equipment. In addition, during drilling, isolation of permeable zones causing excessive boron fluid losses is often carried out.
Es wurden bereits viele Verfahren und Zusammensetzungen zur vorübergehenden Isolierung einer Förder-Formation vorgeschlagen und angewendet. So wurden beispielsweise nacheinander als Kolmatierungsmittel faserförmige, flockenförmige oder körnchenförmige Kolmatierungsmittel, Zement und viskose Gele verwendet. Die vor kurzem vorgeschlagene Verwendung von wäßrigen Gelen, z. B. solchen, die vernetzte Polysaccharide enthalten, die im körnigen Zustand in Wasser dispergiert sind, wie in dem US-Patent 3 227 212 beschrieben, stellt eine große Verbesserung gegenüber den früheren Verfahren dar. Es wurden jedoch bestimmte Schwierigkeiten bei der Verwendung dieser Gele festgestellt, insbesondere eine Instabilität der Formulierungen als Folge von plötzlichen pH-Wert- und Temperaturänderungen, eines Mangels an Homogenität der wäßrigen Dispersionen bei ihrem Einbringen in das Bohrloch und vor allem wegen der Schwierigkeit der Einstellung (Kontrolle) der Verfestigungszeit (Abbindezeit) des Gels, so daß es genau gegenüber der zu isolierenden Formation abbindet.Many methods and compositions have been proposed and used for temporarily isolating a production formation. For example, fibrous, flake or granular colmatizers, cement and viscous gels have been used successively as colmatizing agents. The recently proposed use of aqueous gels, e.g. those containing cross-linked polysaccharides dispersed in water in the granular state, as described in U.S. Patent 3,227,212, represents a great improvement over the previous methods. However, certain difficulties have been encountered in the use of these gels, in particular, instability of the formulations as a result of sudden changes in pH and temperature, lack of homogeneity of the aqueous dispersions when they are introduced into the borehole and, above all, difficulty in adjusting (controlling) the setting time of the gel so that it sets precisely opposite the formation to be isolated.
Man war daher auf der Suche nach Verbesserungen durch Verwendung von hydrogelierbaren Polymeren, wie Polyacrylamid, Celluloseäthern oder Polysacchariden, in einem Mono- oder Polyalkohol-Medium, wobei eine Vernetzung des Polymers im Kontakt mit Wasser erhalten wurde durch Zugabe eines Oxidations-Reduktions-Systems, insbesondere von Natriumbichromat/Natriumsulfit. Dies ist Gegenstand der US-Patente 3 881 552 und 3 964 923. Die vorgeschlagenen Zusammensetzungen haben jedoch den Nachteil, daß die Oxidantien in organischem Medium instabil sind und daß Schwierigkeiten bei der Einstellung (Regelung) der Viskosität des verwendeten Fluids auftreten.Improvements were therefore sought by using hydrogelable polymers such as polyacrylamide, cellulose ethers or polysaccharides in a mono- or polyalcohol medium, whereby cross-linking of the polymer in contact with water was obtained by adding an oxidation-reduction system, in particular sodium bichromate/sodium sulphite. This is the subject of US patents 3,881,552 and 3,964,923. However, the proposed compositions have the disadvantage that the oxidants are unstable in organic medium and that difficulties arise in adjusting (regulating) the viscosity of the fluid used.
Als Folge davon besteht trotz der zahlreichen Bemühungen, die auf diesem Gebiet gemacht worden sind, noch immer ein Bedarf nach einem befriedigenden Verfahren zur Herstellung eines für Wasser undurchlässigen Gels in einem Bohrloch.As a result, despite the numerous efforts that have been made in this field, there is still a need for a satisfactory method for producing a water-impermeable gel in a borehole.
Die vorliegende Erfindung ergibt eine wirtschaftliche und bequeme Lösung dieses Problems. Sie erlaubt die Kontrolle des Einbringens des Gel-Abschlusses bzw. -Pfropfens an die gewünschte und abzusichernde Stelle. Im Gegensatz zu den bereits bekannten Zusammensetzungen und deren Einbringen an Ort und Stelle ist es nicht erforderlich, vorher im Laboratorium Messungen bezüglich der Abbindezeit des Gels als Funktion der Temperatur durchzuführen. Die Hydratation des Polymers zu einem Feststoff wird so lange hinausgezögert, bis das nicht-wäßrige Fluid, das es trägt, mit Wasser in einer für die Gelierung ausreichenden Menge in Berührung kommt.The present invention provides an economical and convenient solution to this problem. It allows the control of the introduction of the gel plug or plug in the desired place to be protected. Unlike the already known compositions and their introduction on site, it is not necessary to carry out previous laboratory measurements of the setting time of the gel as a function of temperature. The hydration of the polymer into a solid is delayed until the non-aqueous fluid it carries is mixed with water. in an amount sufficient for gelling.
Ein anderer Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens besteht darin, daß die Gefahr des Eindringens der Bestandteile des Gels ins Innere der Formation und die Gefahr der irreversiblen Schädigung der Injizierbarkeit oder der Produktivität der Formation vermindert sind. Dies ist besonders wichtig, wenn es sich darum handelt, eine zerklüftete oder frakturierte Zone zu isolieren, wobei die Methode des schnellen Abbindens des erfindungsgemäßen Gels eine Lösung bietet, die mit den konventionellen Methoden nur schwer erzielbar ist.Another advantage of the process according to the invention is that the risk of the components of the gel penetrating into the formation and the risk of irreversibly damaging the injectability or productivity of the formation are reduced. This is particularly important when it is necessary to isolate a fractured or fractured zone, the rapid setting method of the gel according to the invention offering a solution that is difficult to achieve with conventional methods.
Außerdem ist es mit dem erfindungsgemäßen Verfahren möglich, gewünschtenfalls die Konzentration an festem Polymer in dem Gel und damit die mechanische Beständigkeit des letzteren beträchtlich zu erhöhen, ohne daß Pumpschwierigkeiten auftreten, wie dies bei Fluids auf Wasserbasis der Fall ist.Furthermore, the process according to the invention makes it possible, if desired, to considerably increase the concentration of solid polymer in the gel and thus the mechanical resistance of the latter, without pumping difficulties occurring, as is the case with water-based fluids.
Die in dem erfindungsgemäßen Verfahren verwendete Zusammensetzung besteht aus einer Suspension oder Lösung eines gelierbaren hydrophilen Polymers in einer organischen Flüssigkeit, die mindestens teilweise mit Wasser mischbar ist, die dadurch gekennzeichnet ist, daß sie ein Alkalimetallborat oder ein Komplexsalz eines polyvalenten Metallkations in Suspension als Brückenbildner (Vernetzungsmittel) enthält.The composition used in the process according to the invention consists of a suspension or solution of a gellable hydrophilic polymer in an organic liquid which is at least partially miscible with water, which is characterized in that it contains an alkali metal borate or a complex salt of a polyvalent metal cation in suspension as a bridging agent (crosslinking agent).
Im Gegensatz zu dem, was in den bekannten Verfahren abläuft, in denen eine wäßrige Zusammensetzung verwendet wird, wird das Alkalimetallborat in dem alkoholischen Medium der Zusammensetzung nicht gelöst oder nur sehr wenig gelöst. Es war überraschend, daß diese Salze reagieren, sobald die Zusammensetzung mit Wasser in Kontakt kommt. Wie weiter oben angegeben, wurden nämlich bei dem bekannten Verfahren mit einer nicht-wäßrigen Flüssigkeit Oxidations-Reduktions-Systeme und keine Borate verwendet.Contrary to what happens in the known processes in which an aqueous composition is used, the alkali metal borate is not dissolved or only very slightly dissolved in the alcoholic medium of the composition. It was surprising that these salts react as soon as the composition comes into contact with water. As stated above, in the known Process using a non-aqueous liquid oxidation-reduction system and no borates are used.
Die brückenbildenden Agentien (Vernetzungsmittel) in den in dem erfindungsgemäßen Verfahren verwendeten Zusammensetzungen können wasserfreie oder hydratisierte Metaborate oder Tetraborate von Na oder K sein, beispielsweise NaBO&sub2;, NaBO&sub2;·4H&sub2;O, Na&sub2;B&sub4;O&sub7;, Na&sub2;B&sub4;O&sub7;·5H&sub2;O, Na&sub2;B&sub4;O&sub7;·10H&sub2;O; wobei letzteres, das Borax, industriell sehr praktisch ist und daher sind die bevorzugten Gewichtsmengenanteile auf diese Verbindung bezogen. Diese Mengenanteile betragen 0,01 bis 20% und vor allem 0,05 bis 5%, bezogen auf das Gewicht des hydrophilen Polysaccharids der Zusammensetzung.The bridging agents (cross-linking agents) in the compositions used in the process according to the invention can be anhydrous or hydrated metaborates or tetraborates of Na or K, for example NaBO₂, NaBO₂·4H₂O, Na₂B₄O₇, Na₂B₄O₇·5H₂O, Na₂B₄O₇·10H₂O; the latter, borax, is very industrially practical and therefore the preferred proportions by weight are related to this compound. These proportions are from 0.01 to 20% and especially from 0.05 to 5% relative to the weight of the hydrophilic polysaccharide of the composition.
Es ist günstig, den verwendeten Mono- und/oder Polyalkohol durch Zugabe eines Viskositätserhöhungsmittels einzudicken, um eine eventuelle Sedimentation des festen Polymers zu vermeiden.It is advisable to thicken the mono- and/or polyalcohol used by adding a viscosity-enhancing agent in order to avoid possible sedimentation of the solid polymer.
Eine in dem erfindungsgemäßen Verfahren verwendete Zusammensetzung umfaßt somit ein hydrophiles Polysaccharid, suspendiert oder gelöst in einer praktisch wasserfreien organischen Flüssigkeit, die jedoch mindestens teilweise mit Wasser mischbar ist. Unter "hydrophil" ist hier ein Polymer zu verstehen, das in den Konzentrationen, die zu einem Gel führen können, in Wasser löslich ist. Die organische Flüssigkeit ist im wesentlichen wasserfrei, d. h. wenn sie Wasser enthält, muß die Wassermenge ausreichend niedrig sein, beispielsweise weniger als 10 Gew.-% betragen, um eine übermäßige Erhöhung der Viskosität vor dem Einführen zu vermeiden. Verschiedene Zusätze, welche die Bildung, die Stabilität und danach das Brechen des Gels begünstigen, werden im allgemeinen dieser Suspension zugesetzt, insbesondere ein Agens zur Kontrolle des pH-Wertes und ein Agens zum Brechen des Gels.A composition used in the process according to the invention thus comprises a hydrophilic polysaccharide suspended or dissolved in an organic liquid which is practically anhydrous but at least partially miscible with water. By "hydrophilic" is meant here a polymer which is soluble in water in concentrations which can lead to a gel. The organic liquid is essentially anhydrous, i.e. if it contains water, the amount of water must be sufficiently low, for example less than 10% by weight, to avoid an excessive increase in viscosity before introduction. Various additives which promote the formation, stability and then breaking of the gel are generally added to this suspension, in particular a pH control agent and a gel breaking agent.
Die organische Flüssigkeit muß mindestens teilweise mit Wasser mischbar sein, wobei diese Mischbarkeit beispielsweise beträgt mindestens 1 Teil auf 100 Teile Wasser, vorzugsweise mindestens 10 Teile auf 100 Teile Wasser. Eine Mischbarkeit in allen Mengenverhältnissen ist jedoch bevorzugt.The organic liquid must be at least partially miscible with water, whereby this miscibility is, for example, at least 1 part to 100 parts water, preferably at least 10 parts to 100 parts water. However, miscibility in all proportions is preferred.
Unter den organischen Flüssigkeiten, die als Träger-Fluids für die das Gel auf bauenden Polymeren verwendet werden und mindestens teilweise mit Wasser mischbar sind, können genannt werden die niederen aliphatischen Monoalkohole, wie z. B. diejenigen mit 1 bis 8 Kohlenstoffatomen, insbesondere Methyl-, Ethyl-, Isopropyl-, Isobutyl-, tert-Butylalkohol, die aliphatischen Dialkohole, beispielsweise solche mit 2 bis 10 Kohlenstoffatomen, insbesondere Ethylenglyckol, Propylenglycol, Diethylenglycol, die aliphatischen Trialkohole, wie z. B. Glycerin, verschiedene aliphatische C&sub1;-C&sub4;-Äther von Ethylenglycol, Diethylenglycol und Triethylenglycol.Among the organic liquids used as carrier fluids for the polymers forming the gel and which are at least partially miscible with water, there may be mentioned the lower aliphatic monoalcohols, such as those containing 1 to 8 carbon atoms, in particular methyl, ethyl, isopropyl, isobutyl and tert-butyl alcohol, the aliphatic dialcohols, for example those containing 2 to 10 carbon atoms, in particular ethylene glycol, propylene glycol and diethylene glycol, the aliphatic trialcohols, such as glycerol, various aliphatic C1-C4 ethers of ethylene glycol, diethylene glycol and triethylene glycol.
Unter den hydrophilen Polysacchariden, die in diesen organischen Fluids in Form eines Pulvers suspendiert werden und welche die Basiskomponente des fertigen Gels darstellen, können die Polysaccharide natürlichen Ursprungs, wie z. B. die Galactomannan-Gummis, wie Guar-Gummi, und ihre Substitutionsderivate, Hydroxypropylguar, Carboxymethylguar, die Tara-, Cassia-, Caruba-Gummis und ihre Substitutionsderivate, synthetische Polysaccharide, wie Xanthan-Gummi und Skleroglucan, sowie Cellulosederivate, wie Hydroxyethylcellulose, Carboxymethylcellulose, Carboxymethylhydroxyethylcellulose und dgl. genannt werden. Vorzugsweise verwendet man 5 bis 40 Gew.-Teile Polymer auf jeweils 95 bis 60 Gew.-Teile der organischen Flüssigkeit.Among the hydrophilic polysaccharides which are suspended in these organic fluids in the form of a powder and which constitute the basic component of the final gel, there may be mentioned polysaccharides of natural origin such as galactomannan gums such as guar gum and their substitute derivatives, hydroxypropyl guar, carboxymethyl guar, tara, cassia, caruba gums and their substitute derivatives, synthetic polysaccharides such as xanthan gum and scleroglucan, and cellulose derivatives such as hydroxyethyl cellulose, carboxymethyl cellulose, carboxymethyl hydroxyethyl cellulose and the like. Preferably, 5 to 40 parts by weight of polymer are used for each 95 to 60 parts by weight of organic liquid.
Man kann Eindickungsmittel für das Trägerfluid verwenden, um die Sedimentation des pulverförmigen Polymers zu vermeiden, wobei spezifische Zusätze für jeden Fluid-Typ dem Fachmann bekannt sind. Für die Alkohole, welche die erfindungsgemäß bevorzugten organischen Fluids (Flüssigkeiten) darstellen, verwendet man vorzugsweise Hydroxypropylderivate oder Carboxymethylderivate von Guar- Gummi, die einen hohen Substitutionsgrad aufweisen, der ihnen eine mindestens partielle Löslichkeit in diesen Fluids verleiht. Man kann so im Gemisch mit diesen Alkoholen 5 bis 40 Gew.-Teile Hydroxypropylguar mit einem Hydroxypropylgruppen-Substitutionsgrad von weniger als 0,5, beispielsweise von 0,2 bis 0,4, und 1 bis 10 Gew.-Teile Hydroxypropylguar mit einem Hydroxypropylgruppen-Substitutionsgrad von mehr als 0,5, beispielsweise von 0,5 bis 0,7, verwenden, wobei letzteres als Eindickungsmittel für den Alkohol verwendet wird.Thickeners can be used for the carrier fluid to prevent sedimentation of the powdered polymer. avoid, specific additives for each type of fluid being known to the person skilled in the art. For the alcohols which represent the preferred organic fluids (liquids) according to the invention, it is preferable to use hydroxypropyl derivatives or carboxymethyl derivatives of guar gum which have a high degree of substitution which gives them at least partial solubility in these fluids. Thus, in a mixture with these alcohols, it is possible to use 5 to 40 parts by weight of hydroxypropyl guar with a degree of hydroxypropyl group substitution of less than 0.5, for example 0.2 to 0.4, and 1 to 10 parts by weight of hydroxypropyl guar with a degree of hydroxypropyl group substitution of more than 0.5, for example 0.5 to 0.7, the latter being used as a thickener for the alcohol.
Eine andere Eindickungsmethode für den Alkohol besteht darin, 1 bis 10 Gew.-Teile Wasser zusammen mit der Zugabe von Hydroxypropylguar zuzugeben, was eine partielle Solubilisierung des letzteren mit sich bringt und seine Sedimentation verhindert. Die genaue Menge an Eindickungsmittel hängt von den klimatischen Bedingungen und von der Lagerungsdauer der Suspension, der Abbindetemperatur (Verfestigungstemperatur) des Gels und der Art der in der Zusammensetzung vorhandenen anderen Zusätze ab.Another method of thickening the alcohol consists in adding 1 to 10 parts by weight of water together with the addition of hydroxypropyl guar, which brings about a partial solubilization of the latter and prevents its sedimentation. The exact amount of thickener depends on the climatic conditions and on the storage period of the suspension, the setting temperature (solidification temperature) of the gel and the nature of the other additives present in the composition.
Es werden auch pH-Wert-Kontrollmittel zugegeben. Sie erlauben die Hinauszögerung der Hydrolyse des Polymers und die Erhöhung der Stabilität des Gels mit der Zeit. Nach dem Mischen der Zusammensetzung mit Wasser erhält man durch Zugabe von Hydroxiden, Carbonaten, Bicarbonaten und Phosphaten von Alkalimetallen und/oder Erdalkalimetallen zu der Zusammensetzung pH-Werte von mehr als 7,5 und vorzugsweise zwischen 8 und 13.pH control agents are also added. They allow the hydrolysis of the polymer to be delayed and the stability of the gel to be increased over time. After mixing the composition with water, pH values of more than 7.5 and preferably between 8 and 13 are obtained by adding hydroxides, carbonates, bicarbonates and phosphates of alkali metals and/or alkaline earth metals to the composition.
Agentien zum Brechen des Gels, wie z. B. Enzyme, Persulfate, Peroxide, werden im allgemeinen ebenfalls zugegeben.Gel breaking agents such as enzymes, persulfates, peroxides are also generally added.
Sie erlauben die sichere Zerstörung des Gels nach seiner Verwendung. Ihre Konzentration und ihr Anwendungsbereich hängen von der Temperatur des Bodens des Bohrlochs ab.They allow the gel to be safely destroyed after its use. Their concentration and area of application depend on the temperature of the bottom of the borehole.
Das Verfahren zum Einbringen des Gels in die zu isolierende Zone des Bohrloches besteht darin, daß man in diese Zone durch zwei getrennte Durchgänge einführt einerseits die vorstehend beschriebene Zusammensetzung und andererseits ein wäßriges Fluid, insbesondere Wasser. Die beiden Durchgänge, die nur an ihrer Mündung miteinander in Verbindung stehen, können jeweils das Innere und das Äußere (ringförmiger Zwischenraum) eines rohrförmigen Körpers, beispielsweise des Produktionsrohres oder der Bohrstange, sein, das in das Bohrloch eingeführt wird (vgl. die schematische Zeichnung). An der Mündung der beiden getrennten Durchgänge wird die Zusammensetzung hydratisiert unter schneller Bildung eines dauerhaften Gels.The method for introducing the gel into the zone of the well to be isolated consists in introducing into this zone through two separate passages, on the one hand the composition described above and on the other hand an aqueous fluid, in particular water. The two passages, which communicate with each other only at their mouths, can be respectively the interior and the exterior (annular space) of a tubular body, for example the production pipe or the drill rod, which is introduced into the well (see the schematic drawing). At the mouths of the two separate passages the composition is hydrated with rapid formation of a permanent gel.
Auf diese Weise wird beispielsweise das im wesentlichen wasserfreie Fluid, das die Hauptbestandteile des Gels enthält, durch die Rohrleitung eingespritzt, gegebenenfalls nach und vor einem Puffer-Fluid, das es erlaubt, eine vorzeitige Hydratation des Basis-Polymers im Kontakt mit dem gegebenenfalls in der Rohrleitung vorhandenen Wasser zu vermeiden. Andererseits injiziert man in einer an die Bildung des gewünschten Gels angepaßten Durchflußmenge durch den ringförmigen Raum Wasser, in der Weise, daß in jedem Augenblick bei ihrem Fortschreiten in dem Bohrloch die beiden Fluids nicht miteinander in Kontakt kommen. Unterhalb des rohrförmigen Körpers kommen die beiden Fluids, das durch den rohrförmigen Körper injizierte nicht-wäßrige Fluid und das durch den Ringraum injizierte Wasser, miteinander und mit dem Basis-Polymer in Form eines Feststoffes in Kontakt, wobei letzteres zunächst im Kontakt mit Wasser hydratisiert wird, dann im Kontakt mit dem ebenfalls mit dem nicht-wäßrigen Fluid transportierten Vernetzungsmittel geliert.In this way, for example, the substantially anhydrous fluid containing the main components of the gel is injected through the pipe, possibly after and before a buffer fluid which makes it possible to avoid premature hydration of the base polymer in contact with the water possibly present in the pipe. On the other hand, water is injected through the annular space at a flow rate adapted to the formation of the desired gel, in such a way that at any moment during their progression in the borehole the two fluids do not come into contact with each other. Below the tubular body, the two fluids, the non-aqueous fluid injected through the tubular body and the water injected through the annular space, come into contact with each other and with the base polymer in the form of a solid, the latter first being hydrated in contact with water, then gelling in contact with the cross-linking agent also transported with the non-aqueous fluid.
Die beiliegende Zeichnung erläutert in schematischer Form die erfindungsgemäßen Arbeitsgänge.The attached drawing explains in schematic form the working processes according to the invention.
Die Bezugsziffer 1 bezeichnet die Wand des Bohrloches, während die Bezugsziffer 2 einen rohrförmigen Körper bezeichnet, der konzentrisch in diesem Bohrloch angeordnet ist. Die Bezugsziffer 3 repräsentiert eine am oberen Ende der Zone angeordnete Abdichtungsstelle, an der das erfindungsgemäße Schutzgel gebildet werden soll. Das Gel ist durch die Bezugsziffer 4 in der schraffierten Zone der Zeichnung dargestellt.The reference number 1 indicates the wall of the borehole, while the reference number 2 indicates a tubular body which is arranged concentrically in this borehole. The reference number 3 represents a sealing point arranged at the upper end of the zone where the protective gel according to the invention is to be formed. The gel is represented by the reference number 4 in the hatched zone of the drawing.
Wie weiter oben erläutert, wird die Dispersion des Polymers, in der Zeichnung als "Pol" bezeichnet, durch den rohrförmigen Körper 2 eingeführt, während das Wasser parallel dazu durch den ringförmigen Raum zwischen dem rohrförmigen Körper 2 und der Wand 1 des Bohrloches zufließt. Die Mischung aus dem Polymer und dem Wasser entsteht am Austritt aus dem Rohr 2, wie durch drei konvergente Pfeile dargestellt, unter Bildung eines Stranges (fil) in der Zone 4.As explained above, the dispersion of the polymer, referred to as "pole" in the drawing, is introduced through the tubular body 2, while the water flows in parallel through the annular space between the tubular body 2 and the wall 1 of the borehole. The mixture of the polymer and the water is formed at the outlet of the tube 2, as shown by three convergent arrows, forming a strand (fil) in zone 4.
Die Abzweigungen 5, die beiderseits der Zone 4 dargestellt sind, erläutern die Art, in der das Gel 4 die Leckstellen des Bohrloches kolmatiert (zuschlämmt), indem es in die Risse des umgebenden Erdbodens eindringt.The branches 5 shown on either side of zone 4 explain the way in which the gel 4 colmates (slurries) the leaks in the borehole by penetrating the cracks in the surrounding soil.
Die wäßrigen Gele, die man auf diese Weise in Bohrlöchern erzeugt, können eine Konzentration an hydrophilem Polymer von beispielsweise 10 bis 250 kg pro m³ Wasser, vorzugsweise von 20 bis 150 kg/m³ Wasser, aufweisen, was jedoch von der Art des hydrophilen Polymers und dem gewünschten Effekt abhängt.The aqueous gels thus produced in boreholes may have a concentration of hydrophilic polymer of, for example, 10 to 250 kg per m³ of water, preferably 20 to 150 kg/m³ of water, depending on the type of hydrophilic polymer and the desired effect.
Die Menge und Durchflußmenge des beispielsweise durch den Ringraum in die Zone der Bildung des Gels einzuführenden Wassers werden errechnet in Abhängigkeit von der Menge des in dem Trägerfluid suspendierten oder gelösten wasserlöslichen Polymers und von der gewünschten Konzentration des herzustellenden Gels.The amount and flow rate of the liquid to be introduced, for example, through the annular space into the gel formation zone Water are calculated depending on the amount of water-soluble polymer suspended or dissolved in the carrier fluid and on the desired concentration of the gel to be produced.
Das Verfahren zum Einbringen des erfindungsgemäßen Gels erlaubt auch eine starke Erhöhung der Konzentration des Gelbildungskatalysators, wie z. B. Borax, und davon ausgehend der Stabilität des Gels, ohne die Verfestigung (das Abbinden) des Gels unendlich lange hinauszuzögern, was ein Nachteil der bekannten Fluids ist. Das gilt auch für die Verwendung von großen Mengen an basischen Agentien, die erforderlich sind, um die Hydratation des pulverförmigen Polymers in den bekannten Fluids hinauszuzögern, was als Folge davon beträchtliche Verzögerungen mit sich bringt hinsichtlich der Verfestigung (des Abbindens) dieses Typs von Gelen und was erfindungsgemäß nicht mehr erforderlich ist. Es kann sich jedoch als nützlich erweisen, insbesondere für Anwendungen bei hoher Temperatur, dem Gel große Mengen an Gelbildungskatalysator und/oder basischem Agens einzuverleiben, um die zeitliche Stabilität dieses Gels zu erhöhen. In diesem Falle besteht eines der bevorzugten Verfahren zum Einbringen des Gels gemäß der vorliegenden Erfindung darin, durch den rohrförmigen Körper zwei aufeinanderfolgende Pfropfen aus dem in dem organischen Fluid suspendierten Polymer einzubringen und gegenüber der zu isolierenden Zone mit dem Wasser reagieren zu lassen. Der erste Pfropfen mit schneller Abbindung enthält nur wenig oder überhaupt keinen Katalysator und/oder basisches Agens, während der zweite Pfropfen, der langsamer abbindet, die gewünschten Mengen an Katalysator und/oder basischem Agens enthält.The method of introducing the gel according to the invention also allows a significant increase in the concentration of the gelling catalyst, such as borax, and hence in the stability of the gel, without delaying the solidification (setting) of the gel indefinitely, which is a disadvantage of the known fluids. This also applies to the use of large quantities of basic agents, which are necessary to delay the hydration of the powdered polymer in the known fluids, which as a result entails considerable delays in the solidification (setting) of this type of gel and which is no longer necessary according to the invention. However, it may prove useful, particularly for high temperature applications, to incorporate large quantities of gelling catalyst and/or basic agent into the gel in order to increase the stability of this gel over time. In this case, one of the preferred methods of introducing the gel according to the present invention consists in introducing, through the tubular body, two successive plugs of the polymer suspended in the organic fluid and allowing them to react with the water opposite the zone to be isolated. The first plug, which sets quickly, contains little or no catalyst and/or basic agent, while the second plug, which sets more slowly, contains the desired amounts of catalyst and/or basic agent.
Weitere Vorteile der erfindungsgemäßen Zusammensetzungen und ihre Einführung gehen aus den folgenden Beispielen hervor, auf welche die Erfindung jedoch nicht beschränkt ist.Further advantages of the compositions according to the invention and their introduction will become apparent from the following examples to which, however, the invention is not limited.
Man bestimmt die Abbindezeiten der folgenden fünf Zusammensetzungen bei 90ºC:The setting times of the following five compositions are determined at 90ºC:
1) Eine erfindungsgemäße Suspension, enthaltend 140 g/l Hydroxypropylguar (HPG), 1 g/l Borax und 2 g/l Natriumcarbonat in Propylenglycol, die man in einem gleichen Volumen Wasser dispergiert unter Bildung eines Gels, das 70 g/l HPG, 0,5 g/l Borax und 1 g/l Natriumcarbonat enthält.1) A suspension according to the invention containing 140 g/l hydroxypropyl guar (HPG), 1 g/l borax and 2 g/l sodium carbonate in propylene glycol, which is dispersed in an equal volume of water to form a gel containing 70 g/l HPG, 0.5 g/l borax and 1 g/l sodium carbonate.
2) Eine erfindungsgemäße Suspension, enthaltend 140 g/l Hydroxypropylguar, 10 g/l Borax und 2 g/l Natriumcarbonat in Propylenglycol, die man in einem gleichen Volumen Wasser dispergiert unter Bildung eines Gels, das 70 g/l HPG, 5 g/l Borax und 1 g/l Natriumcarbonat enthält.2) A suspension according to the invention containing 140 g/l hydroxypropyl guar, 10 g/l borax and 2 g/l sodium carbonate in propylene glycol, which is dispersed in an equal volume of water to form a gel containing 70 g/l HPG, 5 g/l borax and 1 g/l sodium carbonate.
3) Eine Suspension gemäß Stand der Technik in Wasser, enthaltend 70 g/l Hydroxypropylguar zusammen mit 0,5 g/l Borax und 1 g/l Natriumcarbonat (End-pH-Wert 9,3).3) A state-of-the-art suspension in water, containing 70 g/l hydroxypropyl guar together with 0.5 g/l borax and 1 g/l sodium carbonate (final pH 9.3).
4) Eine Suspension gemäß Stand der Technik in Wasser, enthaltend 70 g/l Hydroxypropylguar zusammen mit 1 g/l Natriumcarbonat, wobei der pH-Wert mit Natriumhydroxid (Soda) auf 12,1 gebracht wird. Diese Zusammensetzung enthält kein Borax.4) A state-of-the-art suspension in water, containing 70 g/l hydroxypropyl guar together with 1 g/l sodium carbonate, the pH being brought to 12.1 with sodium hydroxide (soda ash). This composition does not contain borax.
5) Eine Suspension gemäß Stand der Technik in Wasser, enthaltend 70 g/l Hydroxypropylguar. Diese Zusammensetzung enthält weder Borax noch ein basisches Agens und ihr EndpH-Wert beträgt 8,3.5) A state-of-the-art suspension in water, containing 70 g/l of hydroxypropyl guar. This composition contains neither borax nor any basic agent and its final pH is 8.3.
Die Bestimmung erfolgt für jede der Zusammensetzungen mit einer 500 cm³-Probe, die in einem Ölbad auf eine Temperatur von 90ºC erwärmt wird. Die Abbindezeit ist die Zeit, die das Gel braucht, um eine solche Konsistenz zu erreichen, daß es nicht mehr fließt, wenn man den Behälter umdreht.The determination is carried out for each of the compositions using a 500 cm³ sample heated in an oil bath to a temperature of 90ºC. The setting time is the time it takes for the gel to reach such a consistency that it no longer flows when the container is turned over.
In der folgenden Tabelle sind die bei den verschiedenen untersuchten Zusammensetzungen erzielten Ergebnisse zusammengefaßt. Tabelle 1 Messung der Abbindezeit bei 90ºC Zusammensetzung AbbindezeitThe following table summarizes the results obtained for the different compositions studied. Table 1 Measurement of setting time at 90ºC Composition Setting time
Man stellt fest, daß die Zusammensetzungen 1 und 2, die dem Gegenstand der Erfindung entsprechen, trotz der Anwesenheit von Borax in großer Menge viel kürzere Abbindezeiten aufweisen als die konventionellen Zusammensetzungen, 3, 4 und 5.It is found that compositions 1 and 2, which correspond to the subject of the invention, despite the presence of borax in large quantities, have setting times that are much shorter than those of conventional compositions 3, 4 and 5.
Bei den fünf Zusammensetzungen des Beispiels 1 wurde die Lebensdauer des Gels bei 90ºC wie folgt bestimmt:For the five compositions of Example 1, the gel life at 90ºC was determined as follows:
Das Gel wird in einer Stahlzelle mit einem Innendurchmesser von 57 mm und einer Länge von 195 mm hergestellt, die eine Gewindestange mit einer Länge von 180 mm, mit einem Durchmesser von 7 mm und mit einem Gewicht von 55 g enthält, die vertikal im Innern des Gels während des Abbindens angeordnet ist. Man gießt das fließfähige Gel in diese Zelle, wobei man oben 20 mm frei läßt. Mit einem Metalldeckel wird die Zelle verschlossen. Nach dem Abbinden des Gels läßt man einen Stickstoffdruck von 15 bar auf das Gel einwirken und bringt die Zelle vertikal in einen Ofen mit der Versuchstemperatur. Die Zustandsänderung des Gels wird angezeigt, wenn beim Umdrehen der Zelle die Gewindestange, die in dem Gel festgehalten wird, herausfällt und auf den Boden der Zelle aufschlägt, wodurch angezeigt wird, daß das Gel seine Steifigkeit verloren hat.The gel is prepared in a steel cell with an inner diameter of 57 mm and a length of 195 mm, which contains a threaded rod with a length of 180 mm, a diameter of 7 mm and a weight of 55 g, which is placed vertically inside the gel during setting. The flowable gel is poured into this cell, leaving 20 mm free at the top. The cell is closed with a metal lid. After setting After the gel has been dried, a nitrogen pressure of 15 bar is applied to the gel and the cell is placed vertically in an oven at the test temperature. The change in state of the gel is indicated when, when the cell is turned over, the threaded rod held in the gel falls out and hits the bottom of the cell, indicating that the gel has lost its rigidity.
In der Tabelle 2 sind die Ergebnisse der Stabilitätstests der untersuchten Zusammensetzungen zusammengefaßt. Tabelle 2 Lebensdauer von temporären Gelen unterschiedlicher Zusammensetzungen bei 90ºC Zusammensetzung Lebensdauer in TagenTable 2 summarizes the results of the stability tests of the compositions investigated. Table 2 Lifetime of temporary gels of different compositions at 90ºC Composition Lifetime in days
Man stellt fest, daß die Gele mit den Zusammensetzungen 1 und 2, die erfindungsgemäß verwendet werden, eine viel größere Lebensdauer aufweisen als diejenigen mit den Zusammensetzungen 3, 4 und 5 gemäß Stand der Technik.It is found that the gels with compositions 1 and 2 used according to the invention have a much longer life than those with compositions 3, 4 and 5 according to the prior art.
Es wurde ein Versuch in einem Bohrloch (Bodentemperatur 57ºC) durchgeführt, um die Leichtigkeit der Verwendung und die mechanische Beständigkeit eines temporären Gels, das nach einem klassischen Verfahren hergestellt worden ist, mit denjenigen eines erfindungsgemäßen Gels zu vergleichen.A test was carried out in a borehole (soil temperature 57ºC) to compare the ease of use and mechanical resistance of a temporary gel prepared according to a conventional process with those of a gel according to the invention.
1) Die nach dem klassischen Verfahren hergestellte Zusammensetzung ist die folgende: zur Herstellung von etwa 1 m³ Gel gibt man nacheinander zu 960 l Wasser 10 kg Natriumbicarbonat, 7 kg Borax, 70 kg Hydroxypropylguar mit einem Substitutionsgrad von 0,3 und 500 g Agens zum Brechen des Gels (Enzym) zu.1) The composition prepared according to the classical method is as follows: to prepare about 1 m³ of gel, add successively to 960 l of water 10 kg of sodium bicarbonate, 7 kg of borax, 70 kg of hydroxypropyl guar with a degree of substitution of 0.3 and 500 g of gel breaking agent (enzyme).
Die Bedingungen zum Einbringen dieses Gels in das Bohrloch wurden vorher im Laboratorium festgelegt Erhöhung der Temperatur innerhalb von 15 min von 22 auf 48ºC, dann langsamer innerhalb von 80 min von 48 auf 57ºC. Die Abbindezeit bei der Bodentemperatur (57ºC) betrug, wie gefunden wurde, 25 min.The conditions for introducing this gel into the borehole were previously determined in the laboratory: increasing the temperature from 22 to 48ºC in 15 minutes, then more slowly from 48 to 57ºC in 80 minutes. The setting time at ground temperature (57ºC) was found to be 25 minutes.
Das Gel wurde, wenn es am Boden des Bohrloches einmal gebildet worden war, für Zeiträume von 1 bis 3 h einem Überdruck von 50 bar ausgesetzt mit einer Leckage-Ab- bzw. Durchflußmenge in der Größenordnung von 30 l/h. 44 h nach seinem Einbringen war der Druck innerhalb von 3 h mit einer Durchflußmenge von 25 l/h von 50 auf 23 bar abgefallen. Diese Durchflußmengen (Abflußmengen) entsprechen einer Absenkung des Flüssigkeitsniveaus in der Rohrleitung in der Größenordnung von 1 bis 1,5 m/h. Unter dem Einfluß des Agens zum Brechen des Gels zerbricht das Gel nach 3 bis 4 Tagen und die Reste (Rückstände) werden durch einfache Zirkulation von Wasser an die Oberfläche ausgetragen.Once the gel had formed at the bottom of the borehole, it was subjected to an overpressure of 50 bar for periods of 1 to 3 hours with a leakage or flow rate of the order of 30 l/h. 44 hours after its introduction, the pressure had dropped from 50 to 23 bar within 3 hours with a flow rate of 25 l/h. These flow rates (discharge rates) correspond to a reduction in the liquid level in the pipeline of the order of 1 to 1.5 m/h. Under the influence of the gel-breaking agent, the gel breaks after 3 to 4 days and the residues (residues) are carried to the surface by simple circulation of water.
2) Die erfindungsgemäße Zusammensetzung enthielt auf 500 l Propylenglycol 130 kg Hydroxypropylguar mit einem Substitutionsgrad von 0,3 in Form eines Pulvers und 10 kg Hydroxypropylguar mit einem Substitutionsgrad von 0,6 als Eindickungsmittel für das Fluid. Am oberen Ende des Bohrloches gibt man 14 kg Borax und 1 kg Agens zum Brechen des Gels (Enzym) zu. Dieses Gemisch wird durch das Produktionsrohr gepumpt und am Boden des Bohrloches hydratisiert gegenüber der zu isolierenden Formation im Kontakt mit Wasser, das im gleichen Augenblick durch den Ringraum gepumpt wird. Das Gel, dessen Abbindezeit vorher im Laboratorium bestimmt worden ist und die, wie gefunden wurde, in der Größenordnung von einigen Minuten bei der Temperatur des Bohrloches liegt, enthält schließlich pro m³ Wasser 70 kg Guar-Gummi, 7 kg Borax und 500 g Agens zum Brechen des Gels (Enzym).2) The composition according to the invention contained, per 500 l of propylene glycol, 130 kg of hydroxypropyl guar with a degree of substitution of 0.3 in the form of a powder and 10 kg of hydroxypropyl guar with a degree of substitution of 0.6 as a thickening agent for the fluid. At the top of the well, 14 kg of borax and 1 kg of agent for breaking the gel (enzyme) are added. This mixture is pumped through the production pipe and hydrated at the bottom of the well opposite the formation to be isolated in contact with water which is flowing through the annulus at the same time. The gel, whose setting time was previously determined in the laboratory and which was found to be of the order of a few minutes at the temperature of the borehole, finally contains per m³ of water 70 kg of guar gum, 7 kg of borax and 500 g of agent for breaking the gel (enzyme).
Das Gel hält, wenn es einmal gebildet worden ist, einen Überdruck in der Größenordnung von 63 bar aus, der innerhalb von 7 Stunden abnimmt auf 25 bar bei einer Leckage-Abflußmenge von 6 l/h. Diese Abflußmenge entspricht einer Absenkung des Flüssigkeitsniveaus in der Rohrleitung (Verrohrung) in der Größenordnung von 0,3 m/h. Unter dem Einfluß des Agens zum Brechen des Gels zerbricht das Gel nach 3 Tagen; Messungen der Injektionsfähigkeit in die Formation zeigen, daß keine bleibende Beschädigung durch das Gel hervorgerufen wurde.Once formed, the gel can withstand an overpressure of the order of 63 bar, which decreases to 25 bar within 7 hours at a leakage flow rate of 6 l/h. This flow rate corresponds to a reduction in the liquid level in the pipeline (casing) of the order of 0.3 m/h. Under the influence of the gel-breaking agent, the gel breaks after 3 days; measurements of the injectability into the formation show that no permanent damage was caused by the gel.
Es wurde ein zweiter Versuch in einem Bohrloch unter viel strengeren Bedingungen, insbesondere bei einer Temperatur von 130ºC am Boden, durchgeführt unter Verwendung eines erfindungsgemäß hergestellten Gels. Vorher wurden Vorversuche durchgeführt in Bohrlöchern des gleichen Typs mit konventionellen Zusammensetzungen, welche die Schwierigkeit des Einbringens des Gels und seine geringe mechanische Beständigkeit gezeigt hatten. Es wurden 2500 l einer Suspension, bestehend aus 79 Teilen Propylenglycol, 10 Teilen Hydroxypropylguar mit einem Substitutionsgrad von 0,3 und 4 Teilen Hydroxypropylguar mit einem Substitutionsgrad von 0,6 als Eindickungsmittel für das Propylenglycol, hergestellt. Zu dieser Suspension wurden am Kopfende des Bohrloches 1,25 kg Borax zugegeben. Die Suspension wurde durch die Bohrstangen in einer Durchflußmenge von 250 l/min gepumpt und hydratisiert beim Kontakt mit 2500 l Wasser, das im gleichen Augenblick und in der gleichen Durchflußmenge durch den Ringraum gepumpt wurde. Auf diese Weise erhielt man gegenüber der Formation, die in einer Tiefe von 3750 m angeordnet war, ein Gel mit einem Volumen von 5 m³, das etwa 7 Gew.-% Polymer enthielt.A second test was carried out in a borehole under much more severe conditions, in particular at a temperature of 130ºC at the bottom, using a gel prepared according to the invention. Previously, preliminary tests had been carried out in boreholes of the same type with conventional compositions, which had shown the difficulty of introducing the gel and its low mechanical resistance. 2500 l of a suspension were prepared consisting of 79 parts of propylene glycol, 10 parts of hydroxypropyl guar with a degree of substitution of 0.3 and 4 parts of hydroxypropyl guar with a degree of substitution of 0.6 as a thickener for the propylene glycol. 1.25 kg of borax were added to this suspension at the head of the borehole. The suspension was pumped through the drill rods at a flow rate of 250 l/min and hydrated on contact with 2500 l of water which was added at the same time and in the The same flow rate was pumped through the annulus. In this way, a gel with a volume of 5 m³ containing about 7 wt.% polymer was obtained compared to the formation located at a depth of 3750 m.
Nach dem Abstoppen der Injektion wurden die Bohrstangen 350 m herausgezogen unter Zuführung von Wasser, um das Volumen des herausgezogenen Metalls auf dem gleichen Niveau zu kompensieren, innerhalb von 30 min, das sich bei 2424 m als stabil erwies. Durch Pumpen von Wasser in den Ringraum wird der Druck auf das Gel ständig erhöht und der Wasserspiegel wird durch das Produktionsrohr weiterhin kontrolliert. Dabei zeigt sich, daß bis zu einem Überdruck von 135 bar das Gel vollständig stabil ist und unter der Einwirkung der Temperatur bis zum Ende von 9 h nicht zerstört wird, was seiner vorher im Laboratorium gemessenen Lebensdauer entspricht.After stopping the injection, the drill rods were withdrawn 350 m while adding water to compensate for the volume of extracted metal at the same level, which proved to be stable at 2424 m. By pumping water into the annulus, the pressure on the gel is constantly increased and the water level is still controlled by the production pipe. It is shown that up to an overpressure of 135 bar the gel is completely stable and is not destroyed under the influence of temperature until the end of 9 hours, which corresponds to its lifetime previously measured in the laboratory.
Man stellt eine Zusammensetzung her, die analog zur Zusammensetzung (1) des Beispiels 1 ist, wobei diesmal jedoch das Borat durch ZrCl&sub4; ersetzt wird.A composition is prepared which is analogous to composition (1) of Example 1, but this time the borate is replaced by ZrCl₄.
Auf diese Weise dispergiert man in einer Suspension von 140 g Hydroxypropylguar (HPG) pro Liter Propylenglycol 2 g ZrCl&sub4; pro Liter. Die Suspension wird mit einem gleichen Volumen Wasser verdünnt zur Bildung eines Gels, das 70 g/l HPG und 1 g/l Zirkoniumchlorid enthält.In this way, 2 g of ZrCl₄ per liter are dispersed in a suspension of 140 g of hydroxypropyl guar (HPG) per liter of propylene glycol. The suspension is diluted with an equal volume of water to form a gel containing 70 g/l of HPG and 1 g/l of zirconium chloride.
Die Abbindezeit beträgt 3 min 48 s und die Lebensdauer des Gels beträgt 23 Tage.The setting time is 3 min 48 s and the shelf life of the gel is 23 days.
Dieses Gel ist daher zufriedenstellend im Vergleich zu den Gelen (1) und (2) der weiter oben beschriebenen Beispiele 1 und 2.This gel is therefore satisfactory in comparison with the gels (1) and (2) of Examples 1 and 2 described above.
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