DE69300541T3

DE69300541T3 - Wasserhaltige Lauge.

Info

Publication number: DE69300541T3
Application number: DE69300541T
Authority: DE
Inventors: Johannes Adrianus Cornelis Van Ooijen
Original assignee: Cabot Specialty Fluids Inc
Current assignee: Cabot Specialty Fluids Inc
Priority date: 1992-05-29
Filing date: 1993-04-15
Publication date: 2007-06-21
Anticipated expiration: 2013-04-16
Also published as: DE69300541D1; EP0572113B2; NO302124B1; NO931495D0; EP0572113A1; DE69300541T2; GB9211384D0; EP0572113B1; NO931495L

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Zusammensetzung und ein Verfahren für die Erhöhung der Dichte von wässerigen Laugen und von daraus hergestellten Bohrflüssigkeiten.
Es ist wohlbekannt, dass wässerige Medien, insbesondere diejenigen, welche Ölfeld-Laugen enthalten, gewöhnlich als Bohrflüssigkeiten, wie Bohrspülmittel, Komplettierungsflüssigkeiten, Packerflüssigkeiten, Bohrlochbehandlungsflüssigkeiten, Testflüssigkeiten für unterirdische Formationen, Spacerflüssigkeiten und Flüssigkeiten zur Einstellung von Bohrungen eingesetzt werden. Für alle diese Verwendungen haben derartige Laugen erwünschter Weise eine relative hohe Dichte. Um dies zu erreichen, sind verschiedene Komponenten zu solchen Flüssigkeiten zugesetzt worden. Beispiele derartiger Additive schließen schwere Laugen wie Zinkbromid oder Kombinationen davon mit z.B. hydrophilen polymeren Materialien, wie Hydroxyethylcellulose, ein. Eines der bei solchen Laugen auftretenden Probleme besteht darin, dass sie Halogenatome enthalten die nicht umweltfreundlich sind. Darüber hinaus sind die polymeren Hydroxyethylcellulosen in wässerigen Systemen, welche wasserlösliche Salze von mehrwertigen Metallen enthalten, schlecht hydratisiert, solvatisiert oder dispergiert. Um die Probleme der Toxizität zu überwinden, ist es bekannt, ein Alkalimetallsalz einer Carbonsäure, wie Ameisensäure oder Essigsäure, zu verwenden.
Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Zusammensetzung vorzusehen, welche die gewünschten wässerigen Laugensysteme mit hoher Dichte bereitstellt, die von viel niedrigerer Umwelttoxizität sind.
Demgemäß besteht die vorliegende Erfindung in einer wässerigen Zusammensetzung für die Verwendung als eine Bohrflüssigkeit, wie sie in den Ansprüchen definiert ist.
Ferner bezieht sich die vorliegende Erfindung auf die Verwendung einer wässerigen Zusammensetzung, enthaltend in Lösung eine Mischung der Carbonsäuresalze von Cäsium und zumindest einem anderen Alkalimetall, wobei die Carboxylatanionen in den Salzen sich von Ameisensäure, Essigsäure oder Propionsäure herleiten, wobei die Lösung eine Dichte von mehr als 1,8 g/cm³ aufgrund der Kombination der Carbonsäuresalze aufweist, als Bohrflüssigkeit.
Das überraschende Merkmal der vorliegenden Erfindung besteht darin, dass die nun beanspruchte Kombination von Salzen zu wässerigen Lösungen führt, welche eine höhere Dichte als in dem Fall aufweisen, bei dem ein Salz mit niedriger Dichte allein verwendet wird, und dass das Verhältnis zwischen der Dichte der Lösung und der Konzentration des Salzes von höherer Dichte durch die Konzentration und die Natur des Salzes mit niedriger Dichte beeinflusst wird.
Die Alkalimetalle, welche die Kationen des zweiten Salzes in der Zusammensetzung bilden, sind geeigneter Weise Natrium oder Kalium, wobei Kalium bevorzugt ist.
Die verwendeten Salze sind bevorzugter Weise die Formiate und/oder die Acetate, besonders bevorzugt die Formiate von Cäsium und Kalium.
In dem Fall, wo das Cäsiumsalz ein Formiat und das andere Salz Kaliumformiat ist, liegen die relativen Verhältnisse des anderen Salzes in der Zusammensetzung bezüglich des Cäsiumformiats geeigneter Weise im Bereich von 5 bis 55% Gew./Gew., bevorzugter Weise von 10 bis 30% Gew./Gew. Das relative Verhältnis der zwei Salze würde mit der Natur der Salze variieren, jedoch sollte die Unkompliziertheit der Erfindung sicherstellen, dass diese Werte leicht durch einfache Versuche festgestellt werden können. Eine wichtige Folge dieser Erfindung besteht darin, dass sie niedrigere Konzentrationen der in der Zusammensetzung zu verwendenden relativ kostspieligen Cäsiumsalze ermöglicht, um die gewünschten Dichten in den wässerigen Laugen zu erreichen.
Durch Variieren der relativen Konzentrationen der Carbonsäuresalze in der Zusammensetzung ist es möglich, die gewünschte Dichte der Lauge oder der endgültigen Bohrflüssigkeit, in welcher die Lauge verwendet wird, zu erzielen. Demzufolge können die Dichten bis zu 2,46 g/cm³ unter Verwendung der Zusammensetzungen der vorliegenden Erfindung erreicht werden.
Die Zusammensetzungen der vorliegenden Erfindung können durch Mischen der wässerigen Lösungen der einzelnen Salze hergestellt werden. Andererseits kann eine Mischung der wässerigen Lösungen der entsprechenden Basen von Cäsium und dem Alkalimetall zuerst hergestellt und eine Carbonsäure, wie Ameisensäure, zu der wässerigen Mischung der Basen zur Bildung der entsprechenden Formiate zugesetzt werden. Die gewünschte Konzentration der entsprechenden Salze in der so gebildeten wässerigen Lösung kann durch Verdampfen des Wassers aus der Mischlösung eingestellt werden.
Die vorliegende Erfindung wird ferner unter Bezugnahme auf die nachfolgenden Beispiele erläutert.
A. Herstellung von Kaliumformiat-Lösung:
Eine Lösung von Kaliumformiat wurde durch langsame Zugabe von Ameisensäure (328 g, 98%) aus einem Trichter zu Kaliumhydroxid (800 g, 50%) in einem Behälter unter heftigem Rühren der Mischung mit einem magnetischen Rührer hergestellt. Nach Beendigung der Reaktion hatte die Lösung einen pH-Wert von 8,4.
Diese Lösung wurde durch Eindampfen auf einem Wasserbad eingeengt, bis die Kristallisation einsetzte. Die Lösung wurde dann abgekühlt und bis zu 77,4% Gew./Gew. verdünnt, und dies bildete die Stammlösung des Kaliumformiats. Bei dieser Konzentration blieb die Lösung bei Raumtemperatur (ca. 21°C) klar. Aus dieser Stammlösung wurden verdünnte Lösungen nach Bedarf durch Zusatz von entmineralisiertem Wasser hergestellt.
Die Dichten der Kaliumformiat-Lösungen bei variierenden Verdünnungen wurden gemessen (durch Wiegen von 1 ml-aliquoten Teilen, dreifach) und ihr Verhalten bei Lagerung bei –10°C überwacht. Der Siedepunkt von einer der Lösungen bei dieser Konzentration wurde bestimmt. Die erhaltenen Ergebnisse sind in der nachstehenden Tabelle 1 aufgeführt:
Tabelle I Dichte einer HCOOK-Lösung in Wasser als eine Funktion der Konzentration (T = 21°C)
B. Herstellung von Cäsiumformiat:
Eine Lösung von Cäsiumformiat wurde durch langsame Zugabe von Ameisensäure (39,2 g, 98%) aus einem Trichter zu Cäsiumhydroxid (250 g, 50%) in einem Behälter unter heftigem Rühren unter Verwendung eines magnetischen Rührers hergestellt. Nach Beendigung der Reaktion wurde die Lösung 10fach verdünnt, und diese verdünnte Lösung hatte einen pH-Wert von 9,1.
Das unverdünnte Reaktionsprodukt wurde als die Stammlösung verwendet. Die Stammlösung wurde dann durch Eindampfen konzentriert. Während dieses Verfahrens wurden aliquote Teile der verdampfenden Lösung entnommen und gleichzeitig die Temperatur der siedenden Lösung überwacht. Die Proben wurden dann auf Raumtemperatur abgekühlt und anschließend die Konzentration (% Gew./Gew.) und die Dichten dieser Probelösungen bestimmt. Bei einer Temperatur von 135°C begann die Kristallisation der Lö-sung, und der Versuch wurde beendet. Die Proben von verschiedenen Konzentrationen wurden bei –3°C eine Woche lang gelagert und deren entsprechendes Verhalten studiert. Die Ergebnisse dieser Untersuchung sind in der nachfolgenden Tabelle II angegeben.
Tabelle II Dichte und Siedepunkt von HCOOCs-Lösungen in Wasser als eine Funktion der Konzentration (T = 21°C)
Nach einwöchiger Lagerung bei –3°C kristallisierte die Lösung mit einer Konzentration von 86,9%, die anderen Lösungen blieben klar.
Aus obigen Versuchen (A) und (B) ist zu ersehen, dass beide Salze für die Herstellung von Flüssigkeiten mit einer Dichte von > 1,5 g/cm³ geeignet sind.
Wenn jedoch Flüssigkeiten mit einer Dichte von mehr als 1,8 g/cm³ gebraucht werden, ist die Verwendung von Kaliumformiat allein ungeeignet. Wenn auch Cäsiumformiat als solches Flüssigkeiten mit einer Dichte von über 1,8 g/cm³ liefert, ist Cäsium ein kostspieliges Material. Es wurde, wie oben angegeben, gefunden, dass durch Mischen von zwei Alkalimetallsalzen, z.B. von Cäsiumformiat und Kaliumformiat, Flüssigkeiten mit einer Dichte von > 1,8 g/cm³ leicht und unerwartet erhalten werden können, wobei in Betracht zu ziehen ist, dass Kaliumformiat allein diesen Wert niemals erreichen kann. Diese neue Entwicklung wird unten beschrieben.
Beispiel 1
Die oben in (B) beschriebenen Cäsiumformiat-Stammlösungen wurden in verschiedenen Konzentrationen mit Stammlösungen von Kaliumformiat (zwei Proben: (a) Konzentration 71,9% Gew./Gew., Dichte 1,53 und (b) Konzentration 78% Gew./Gew., Dichte 1,604) beschrieben vorstehend in (A), gemischt.
Bei einem Verhältnis von Cäsiumformiat (82,4% Gew./Gew.): Kaliumformiat (71,9% Gew./Gew.), was einem Gew./Gew.-Verhältnis von 80 : 20 der Reihe nach entspricht, hatte eine gemischte Lösung der zwei eine Dichte von 2,03 g/cm³. Im Gegensatz hierzu hatte eine Stammlösung von Cäsiumformiat (82,4% Gew./Gew.), falls mit Wasser allein verdünnt, ein Cäsiumformiat-zu-Wasser-Verhältnis von 87 : 13 Gew./Gew. anzuwenden, um eine Lösung mit einer Dichte von 2,03 g/cm³ zu erzielen. Daher wurde eine Reduktion im Cäsiumformiat-Verbrauch von 7% durch Ersatz von Wasser mit Kaliumformiat-Lösung als Verdünnungsmittel erzielt.
Beispiel 2
Unter Verwendung der oben in (A) und (B) beschriebenen Verfahren wurde eine Lösung von Kaliumformiat (71,9% Gew./Gew., Lösung 2) und eine Lösung von Cäsiumformiat (82,4% Gew./Gew., Lösung 1) hergestellt.
Die zwei Lösungen wurden in verschiedenen Gewichtsverhältnissen gemischt, wie dies in der nachstehenden Tabelle III gezeigt wird. Die Dichten der resultierenden Mischung wurden durch Wiegen von 1 ml-Proben an einer Analysenwaage bestimmt. Jeder Versuch und jede Messung wurde zweifach durchgeführt.
Tabelle III Dichten von Mischungen von HCOOK/HCOOCs-LÖsungen in Wasser als Funktion von HCOOCs

"-" bedeutet "Nicht bestimmt"

Beispiel 3
Allquote Teile von einer Cäsiumformiat-Lösung (82,4% Gew./Gew., Lösung 3) und einer Kaliumformiat-Lösung (78,0% Gew./Gew., Lösung 4), hergestellt wie oben in (A) und (B), wurden in den in der nachstehenden Tabelle IV gezeigten volumetrischen Verhältnissen gemischt. Die Dichten dieser Mischung wurden bestimmt und die erzielten Ergebnisse sind ebenfalls in der nachfolgenden Tabelle IV angegeben.
Tabelle IV Dichten von Kalium/Cäsium-Formiat-Mischlösungen in Wasser
Die obigen Ergebnisse zeigen, dass eine Flüssigkeit der Dichte von etwa 2,0 bei einer wesentlich reduzierten Cäsiumkonzentration durch Mischen einer Cäsiumformiat-Lösung (82,4% Gew./Gew.) mit einer Kaliumformiat-Lösung hergestellt werden kann. Weitere nachfolgend angegebene Ergebnisse zeigen, dass das obige Konzept sich eben so gut für andere Anfangskonzentrationen von Cäsiumformiat anwenden lässt.
Beispiel 4
Um die Zusammensetzung der gemischten Cäsiumformiat/Kaliumformiat-Lösungen zur Erzielung von Flüssigkeiten mit einer Dichte im Bereich von 2,0 +/- 0,1 g/cm³ weiter zu optimieren, und zu zeigen, dass in diesen Fällen auch die Menge an eingesetztem Cäsium wesentlich reduziert werden kann, wurde die nachfolgende Versuchsreihe durchgeführt. In diesen Versuchen wurden Cäsiumformiat-Lösungen in einem Konzentrationsbereich von 74 bis 82% Gew./Gew. (Lösung 5) mit Kaliumformiat-Lösungen (79% Gew./Gew., Lösung 6) in verschiedenen Verhältnissen gemischt. Die Dichten der resultierenden Mischungen wurden doppelt bestimmt.
Tabelle V Dichten von Mischlösungen von Kalium/Cäsium-Formiaten
Die obigen Ergebnisse zeigen, dass die Verwendung von gemischten Alkalimetallsalzen von Carbonsäuren eine Minimierung von kostspieligen Alkalimetallen in solchen Formulierungen ermöglicht, ohne einen Verlust der Fähigkeit, die Dichten der wässerigen Systeme, welche dieselben enthalten, zu erhöhen. Es ist klar, dass diese Fähigkeit mit guter Wirkung zur Formulierung von Bohrflüssigkeiten in der Bohrindustrie angewandt werden kann.

Claims

Wässerige Zusammensetzung für die Verwendung als Bohrflüssigkeit, enthaltend in Lösung eine Mischung der Carbonsäuresalze von Cäsium und zumindest einem anderen Alkalimetall, wobei die Carboxylatanionen in den Salzen sich von Ameisensäure, Essigsäure oder Propionsäure herleiten, wobei die Lösung eine Dichte von mehr als 1,8 g/cm³ aufgrund der Kombination der Carbonsäuresalze aufweist, mit der Maßgabe, dass Mischungen, die aus Lithiumformiat, Cäsiumformiat und Wasser bestehen, ausgeschlossen sind.
Zusammensetzung nach Anspruch 1, worin das Alkalimetallsalz Natrium- oder Kaliumsalz ist.
Zusammensetzung nach einem der Ansprüche 1 oder 2, worin das Carboxylatanion ein Formiat ist.
Zusammensetzung nach irgendeinem der vorhergehenden Ansprüche, worin die Zusammensetzung entweder durch (i) Mischen von wässerigen Lösungen der einzelnen Salze, oder (ii) Mischen von wässerigen Lösungen der entsprechenden Basen von Cäsium und dem Alkalimetall und Zugabe einer Carbonsäure zu der wässerigen Mischung der Basen, hergestellt wird.
Verwendung einer wässerigen Zusammensetzung, enthaltend in Lösung eine Mischung der Carbonsäuresalze von Cäsium und zumindest einem anderen Alkalimetall, wobei die Carboxylatanionen in den Salzen sich von Ameisensäure, Essigsäure oder Propionsäure herleiten, wobei die Lösung eine Dichte von mehr als 1,8 g/cm³ aufgrund der Kombination der Carbonsäuresalze aufweist, als Bohrflüssigkeit.