DE69208482T2 - Bohrflüssigkeit - Google Patents
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Description
- Die vorliegende Erfindung betrifft Bohrflüssigkeiten auf Wasserbasis, die zur Verwendung in Schiefer- und Tonformationen geeignet sind.
- Die Bohrflüssigkeit wird im Zusammenhang mit dem drehenden System beim Bohren verwendet. Die Bohrflüssigkeit wird von der Oberfläche im Inneren des Bohrgestänges hinabgepumpt, durch Auslässe im Bohrkopf ausgegeben und über den ringförmigen Raum zwischen Bohrgestänge und Loch zur Oberfläche wieder zurückgeführt.
- Die Bohrflüssigkeit dient zur Kühlung und Schmierung des Bohrkopfes und des Bohrgestänges, bringt durch das Bohren Abgetragenes zur Oberfläche, verfestigt die Wand des Bohrlochs, verhindert Einklemmen oder Einsturz der Formation, regelt Tiefbohrlochdrücke, gibt das beim Bohren Abgetragene aus, wenn das Bohrgestänge statisch ausgelegt ist und vermindert die Beschädigung potentieller Nutzzonen, denen man begegnen könnte.
- Bohrflüssigkeiten enthalten im allgemeinen einen Träger, einen Füllstoff und chemische Additive. Sie werden gewöhnlich in zwei Kategorien eingeteilt, Muds (Spülungen) auf Wasserbasis (WBM) und Muds (Spülungen) auf Ölbasis (OBM). Bei ersteren ist der Träger ein flüssiges Medium, bei letzteren ist er ein Öl. Dieselöl wurde in der Vergangenheit als Öl verwendet, jedoch wurden kürzlich Bohröle geringer Toxizität für diesen Zweck entwickelt.
- Obwohl WBM für die Umwelt akzeptabler ist als OBM, (da letzterer problematisch ist im Hinblick auf die Entsorgung großer Mengen von mit Öl verseuchtem, beim Bohren abgehobenen Materials, auch wenn das Öl geringe Toxizität aufweist) werden sie als technisch minderwertig auf einer Vielzahl wichtiger Gebiete, wie thermischer Stabilität, Schmiervermögen und Schieferinhibierung, angesehen.
- Obwohl Schiefer weich ist und daher relativ leicht zu durchbohren ist, bereitet er dem Bohringenieur viele Probleme. Er dispergiert leicht in die Flüssigkeit, große Stücke brechen ab und fallen in das Loch, Poren in dem Schiefer können unter Druck stehende Flüssigkeit einschließen und in extremen Fällen kann die Wand des Bohrlochs zusammenfallen.
- Da Schiefer einen hohen Anteil von dem Gestein ausmacht, das bei der Erschließung und Förderung von Öl- und Gasquellen durchbohrt wird, insbesondere auf wichtigen Fördergebieten, wie der Nordsee, ist es wichtig, daß die Bohrzeiten und die Probleme minimal gehalten werden, wenn durch solche Formationen gebohrt wird.
- Viele WBM-Formulierungen, die Additive einschließen, wurden vorgeschlagen, um reaktiven Schiefem zu begegnen (beispielsweise beschrieben in US-A-2 786 027 und FR-A- 2 624 132). Derartige Additive schließen ein:
- (a) ein Salz, wie Kaliumchlorid, um die Wasseraufnahme einzuschränken, das Quellen des Schiefers zu vermindern und die Auslaugung von Salzablagerungen, denen man begegnet, zu vermindern,
- (b) chemisch modifizierte Stärke oder Cellulosematenahen werden zur Verminderung des Flüssigkeitsverlustes verwendet,
- (c) wasserlösliche Polyacrylamide oder andere wasserlösliche Polymere, die an der Oberfläche des Schiefers adsorbieren, um ihn mit einem Überzug an Polymer zu binden, wodurch die Dispersion des Schiefers vermindert wird,
- (d) Kalk oder Gips, die, obwohl schwer löslich, in ähnlicher Weise wirken wie (a) und
- (e) Asphaltprodukte, die bei dem Flüssigkeitsverlust durch Wirkung als Blockierungsmittel für Risse und Mikrobrüche unterstützend eingreifen.
- Bislang war jedoch keine dieser Formulierungen in der Lage, Schieferinhibierung in dem Umfang bereitzustellen, der mit OBM erreicht wird.
- Der Grund dafür beruht darauf, daß OBM mit Schiefer nicht reagiert. Ein üblicher WBM wird jedoch in größerem oder geringerem Ausmaß mit vielen Schieferarten reagieren, sie zum Quellen veranlassen und Probleme aufwerfen, wie Verstopfen der Leitung, schwer gängiges Loch, überkalibriges Loch, schlechte Richtungssteuerung, schlechte Zementierung und schlechte Spülungsbedingungen, (was zu übermäßigem Austrag führt und zu Verdünnung und somit hohen Kosten für den Mud).
- Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist die Entwicklung eines WBM, der die technische Leistung eines OBM erreicht, ohne jedoch seine Vorteile für die Umwelt einzubüßen.
- Wie bereits gewürdigt, ist die Verwendung von Kaliumchlorid als Additiv für WBM bekannt, seine Wirkung ist aber nicht immer widerspruchsfrei und hängt in beträchtlichem Maße von anderen Bestandteilen der Bohrflüssigkeit ab.
- Wir fanden, daß dieser Widerspruch im Fall von Polyalkylenglycoladditiven bemerkt wird und in dieser Art insbesondere bei Mono-, Di-, Tri- und Polyalkylenglycoladditiven. Im Fall dieser Verbindungen hat die Zugabe eines Kaliumsalzes zu den Mono-, Di- und Triethylenglycolen eine geringe positive Wirkung und kann tatsächlich eine negative Wirkung aufweisen und kann die Dispersion bestimmter Tone und Schiefer unterstützen, beispielsweise London-Ton (London-clay) oder in geringerem Ausmaß auch Oxford-Ton (Oxford-Clay). Im Fall von Polyalkylenglycolen mit Tetra- oder höherem Molekulargewicht fanden wir, daß es einen synergistischen Ton-stabilisierenden Effekt zwischen diesen Verbindungen und dem Kaliumsalz gibt.
- Somit stellen wir gemäß vorliegender Erfindung eine Bohrflüssigkeit auf Wasserbasis bereit, umfassend:
- (a) ein wässeriges Medium,
- (b) ein Polyalkylenglycol der allgemeinen Formel:
- worin R H oder OH&sub3; bedeutet, R¹ H oder eine Alkylgruppe mit 1 bis 4 Kohlenstoffatomen bedeutet und n eine Zahl im Bereich von 4 bis 200 bedeutet, in einer Menge von 0,5 bis 60 Volumen-%, vorzugsweise 1 bis 20 Volumen-%, der Flüssigkeit und
- (c) ein Kaliumsalz in einer Menge von 5 bis 50, vorzugsweise 10 bis 30 ppb (Pounds per Barrel), d.h. 14,3 bis 143 g/l, vorzugsweise 28,6 bis 85,7 g/l.
- Die Konzentration an Polyalkylenglycol, die erforderlich ist, um den gewünschten Effekt zu erreichen, hängt vom Molekulargewicht des Glycols ab. Im allgemeinen kann gesagt werden, daß bei geringem Molekulargewicht die erforderliche Konzentration höher ist und umgekehrt.
- Geeignete Polyalkylenglycole sind Polyethylenglycole.
- Polyalkylenglycole, die verschiedene Verhältnisse von Ethylenoxid (EO)- zu Propylenoxid (PO)-Einheiten enthalten, sind ebenfalls geeignet, beispielsweise 75 % EO, 25 % PO; 50 % EO, 50 % PO; und 25 % EO, 75 % PO.
- Das Salz ist ein Kaliumsalz, vorzugsweise Kaliumchlorid. Jedoch sind andere Kaliumsalze, wie Formiat, Acetat, Carbonat und Phosphat ebenfalls geeignet.
- Die Flüssigkeit kann auch zusätzlich übliche Stoffe enthalten, wie Füllstoffe, z.B. Baryt, Hämatit oder Bleiglanz; Viskositätsmittel, z.B. Xanthangummi, Flüssigkeitsverlustregelungsmittel, z.B. Stärke und Cellulosederivate, Schieferinhibitoren, z.B. Polyacrylamid und pH-Steuerungsmittel, z.B. Natrium- und Kaliumhydroxid.
- Der pH-Wert wird geeigneterweise auf einen Wert im Bereich von 7 bis 13 eingestellt.
- Das wässerige Medium kann Süß- oder Salzwasser sein.
- Die Erfindung wird mit Hinweis auf die nachstehenden Beispiele erläutert.
- In jedem Versuch beinhaltete das Verfahren zur Bewertung der inhibierenden Eigenschaften einer Polyalkylenglycol enthaltenden Flüssigkeit die Herstellung verschiedener Wasser- und Lösungsmittelkonzentrationen, Zugabe einer bekannten Menge an dispersivem Ton (2 bis 4 mm Fraktion) und Wälzen des erhaltenen Gemisches bei Raumtemperatur und 20 U/min für 16 Stunden. Am Ende dieses Zeitraums wurde die nichtdispergierte Tonfraktion (> 0,5 mm) isoliert, getrocknet, gewogen und eine Korrelation zwischen Lösungsmitteltyp, Konzentration und Schieferinhibierung notiert.
- In einigen Versuchen wurde Kaliumchlorid oder anderes Salz zu dem Gemisch gegeben.
- Die Versuche wurden an London-Ton, einem Tertiärton, reich an quellenden Mineralien und repräsentativ für Nordseegumbo, ausgeführt.
- Schiefer kann als feinkörniges Sedimentgestein bezeichnet werden, zusammengesetzt aus verfestigtem Schlick und Ton oder Schlamm.
- Tests an Tonproben sind äquivalent zu Tests an Schiefern.
- London-Ton wurde in Seewasser, enthaltend verschiedene Konzentrationen an Polyethylenglycolmaterialien, Mono-, Di-, Tri- und Tetraethylenglycol und in Gegenwart oder Abwesenheit von Kaliumchlorid (10 ppb) dispergiert. Die Ergebnisse sind in Tabelle 1 dargestellt. Die Zahlen in Klammern geben die Ergebnisse der Versuche wieder, bei denen Kaliumchlorid vorlag. Die Ergebnisse weisen aus, daß die Zugabe von Kaliumchlorid zu Seewasser die Dispersion von London-Ton für die Mono-, Di- und Triethylenglycole zu unterstützen scheint. Für Tetraethylenglycol wird dieser Effekt jedoch umgekehrt und die Zugabe von Kaliumchlorid inhibiert die Dispersion von London - Ton. Tabelle 1 % wiedergewonnener Schiefer (mit KCL @ 10 ppb) Volumen-% Lösungsmittel in Seewasser Lösungsmittel EG = Ethylenglycol n = Wert für n in der Formel von Anspruch 1.
- London-Ton wurde in Seewasser dispergiert, enthaltend unterschiedliche Konzentrationen an Polyethylenglycolen mit Werten von n größer als 4. Diese Ergebnisse sind in Tabelle 2 dargestellt, wie in Tabelle 1. Die Ergebnisse weisen aus, daß für diese Materialien mit höherem Molekulargewicht wesentlich geringere Mengen an Glycolmaterial erforderlich sind, um die Dispersion von London-Ton zu inhibieren und daß die Leistung dieser Additive in Gegenwart von Kaliumchlorid bis zu dem Punkt erhöht ist, bei dem London-Ton vollständig vor Dispersion bewahrt werden kann. Tabelle 2 % wiedergewonnener Schiefer (mit KOL @ 10 ppb) Volumen-% Lösungsmittel in Seewasser Lösungsmittel
- Lösungsmittel A ist ein Gemisch von Polyethylenglycolen mit einem mittleren Molekulargewicht von 280. Lösungsmittel B, C und D sind Polyethylenglycole, die unter dem Warenzeichen Breox von BP Chemicals Ltd. vertrieben werden.
- Um zu bewerten, ob die vorteilhafte Wirkung der Zugabe von Kaliumchlorid in der Anwesenheit von Kalium oder einfach von der Anderung der Ionenstärke des Seewassers herrührt, wurde eine Vielzahl anderer Salze mit molaren Konzentrationen, identisch mit 10 ppb KCL (0,4 M) zu Seewasser gegeben. Das verwendete Polyglycol war Lösungsmittel C in Tabelle 2 in einer Konzentration von 0,5 Volumen-%. Die Ergebnisse von Beispiel 3 sind in Tabelle 3 dargestellt, die die vorteilhafte Wirkung aufgrund Kalium zeigt. Tabelle 3 Lösungsmittel wiedergewonnener Schiefer in % Seewasser (SW)
- Um die Wirkung der chemischen Zusammensetzung auf die Dispersion von London-Ton zu bewerten, wurden zwei Polyalkylenglycolflüssigkeiten, die verschiedene Verhältnisse von Ethylen- und Propylenoxid enthielten, bewertet. Die Ergebnisse sind in Tabelle 4 dargelegt. Die Ergebnisse weisen aus, daß geringe Mengen an Polyalkylenglycolmaterial erforderlich sind, um die Dispersion von London-Ton zu inhibieren und daß die Leistung dieser Additive erhöht ist in Gegenwart von Kaliumchlorid bis zu dem Punkt, bei dem London-Ton vollständig vor Dispersion bewahrt werden kann. Tabelle 4 % wiedergewonnener Schiefer (mit KCL @ 10 ppb) Volumen-% Lösungsmittel in Seewasser Lösungsmittel
- Lösungsmittel E und F sind Polyethylen/Polypropylenglycole, vertrieben unter der Marke Breox von BP Chemicals Ltd.
- Nach Feststellung der inhibierenden Beschaffenheit der Grundflüssigkeit können andere Komponenten zugegeben werden, um ein vollständiges Mud-System bereitzustellen.
- Beispiele 5 bis 9 sind erläuternd für Mud-Formulierungen und für die Wirkung der Zugabe eines Polyglycols. Das nachstehende Verfahren wurde zur Herstellung von Muds verwendet und zur Bewertung der Wirkung der Zugabe eines Polyglycols.
- Die Muds wurden durch Auflösung der Polymere in Seewasser (mit Ausnahme von Beispiel 6) und Belassen des Gemisches zum Altern für minimal 30 Minuten hergestellt. Alle Mischvorgänge wurden mit einem Hamilton-Beach-Mischer ausgeführt. Kaliumchlorid wurde zu der Lösung von Polymeren gegeben und der pH-Wert wurde schließlich mit Kaliumhydroxid auf pH 9 eingestellt.
- Zur Bewertung der stark inhibierenden, vollständig formulierten Mud-Systeme auf Wasserbasis wurde ein aggressiverer Dispersionstest verwendet als jener in den vorstehend genannten Versuchen übernommene. Im Test werden etwa 100 g London-Tonstückchen mit einer Größe im Bereich von 4 bis 8 mm verwendet. Die Stückchen werden innerhalb einer zylindrischen Trommel angeordnet, deren gekrümmte Oberfläche ein 5 mm Messing- oder Stahlnetz umfaßt. Die Schiefer enthaltende Trommel wird teilweise (zur Hälfte des Durchmessers der Trommel) in den zu prüfenden Mud getaucht und die Trommel für 4 h bei Umgebungstemperatur gedreht. Nach diesem Zeitraum wird der verbliebene Schiefer gewonnen, gewaschen, getrocknet und die Menge an Schieferverlust durch Dispersion in die Flüssigkeit berechnet. Prüfung der Menge an gewonnenem Schiefer in verschiedenen Mud-Systemen liefert Vergleiche der relativ inhibierenden Natur der geprüften Mud-Systeme.
- Die Ergebnisse sind in der nachstehenden Tabelle 5 dargestellt. Tabelle 5 Komponente Beispiel Seewasser Xanthangummi anionisches Polyacrylamid Polyglycol (Typ/Menge) Gewinnung aus dem Austrag beim Dispersionstest
- - Alle Konzentrationen sind in ppb (pounds per barrel), sofern nicht anders ausgewiesen
- - % sind Volumen-%
- Öl = Low Toxicity Bohröl (BP 83HF von BP Chemicals Ltd.).
- Xanthan = XC Polymer (von Kelco).
- CMC = Natriumcarboxymethylcellulose - CMC LoVis (von Baroid).
- Anionisches Polyacrylamid - Alcomer 120L - von Allied Colloids.
- A = Lösungsmittel A von Beispiel 2.
- F = Lösungsmittel F von Beispiel 4.
- Beispiel 5 = basischer WBM, der nicht zur vorliegenden Erfindung gehört.
- Beispiel 6 erläutert einen Mud auf Ölbasis.
- Beispiel 7 erläutert einen verbesserten Mud auf Wasserbasis, der nicht zur vorliegenden Erfindung gehört.
- Beispiel 8 ist ein Mud gemäß Beispiel 7 mit zugegebenen 3 % Polyglycol A.
- Beispiel 9 ist ein Mud gemäß Beispiel 7 mit zugegebenen 3 % Polyglycol F.
- Beispiele 8 und 9 sind gemäß vorliegender Erfindung und zeigen größtenteils verbesserte Eigenschaften im Vergleich mit anderen WBM und nähern sich dem Standard des OBM.
Claims (11)
1. Bohrflüssigkeit auf Wasserbasis, umfassend:
(a) ein wässeriges Medium, dadurch gekennzeichnet,
daß es auch die Kombination von
(b) einem Polyalkylenglycol der allgemeinen Formel:
R¹O(CH&sub2; - H - O)n H
worin R H oder CH&sub3; bedeutet, R¹ H oder eine
Alkylgruppe mit 1 bis 4 Kohlenstoffatomen bedeutet und n eine Zahl
im Bereich von 4 bis 200 bedeutet, in einer Menge von 0,5 bis
60 Volumen-% der Flüssigkeit und
(c) einem Kaliumsalz in einer Menge von 14,3 bis 143
g/l, enthält.
2. Bohrflüssigkeit auf Wasserbasis nach Anspruch 1,
wobei die Konzentration des Polyalkylenglycols im Bereich von
1 bis 20 Volumen-% der Flüssigkeit liegt.
3. Bohrflüssigkeit auf Wasserbasis nach einem der
vorangehenden Ansprüche, wobei die Konzentration des
Kaliumsalzes im Bereich von 28,6 bis 85,7 g/l liegt.
4. Bohrflüssigkeit auf Wasserbasis nach einem der
vorangehenden Ansprüche, wobei das Polyalkylenglycol
Polyethylenglycol ist.
5. Bohrflüssigkeit auf Wasserbasis nach einem der
Ansprüche 1 bis 4, wobei das Polyalkylenglycol Ethylenoxid- und
Propylenoxideinheiten mit einem Verhältnis im Bereich von 1:3
bis 3:1 enthält.
6. Bohrflüssigkeit auf Wasserbasis nach einem der
vorangehenden Ansprüche, wobei das Kaliumsalz Kaliumchlorid
ist.
7. Bohrflüssigkeit auf Wasserbasis nach einem der
Ansprüche 1 bis 5, wobei das Kaliumsalz ein Formiat, Acetat,
Carbonat oder Phosphat ist.
8. Bohrflüssigkeit auf Wasserbasis nach einem der
vorangehenden Ansprüche, enthaltend zusätzlich eine oder
mehrere Komponente(n), ausgewählt aus der Gruppe, bestehend aus
Füllstoffen, Viskositätsmitteln, Mitteln gegen
Flüssigkeitsverlust, Schieferinhibitoren und pH-Regelungsmitteln.
9. Bohrflüssigkeit auf Wasserbasis nach Anspruch 8,
enthaltend einen Schieferinhibitor, nämlich ein
Polyacrylamid.
10. Bohrflüssigkeit auf Wasserbasis nach Anspruch 6,
wobei das Polyalkylenglycol Polyethylenglycol oder
Polyethylen/Polypropylenglycol ist und n 4 bis 12 ist.
11. Bohrflüssigkeit auf Wasserbasis nach Anspruch 6
oder 10, wobei die Menge an Polyalkylenglycol 2 bis 10 % ist.
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