DE69423086T2

DE69423086T2 - Verfahren unter Verwendung von Gellan zur Filtratreduzierung von wässrigen Bohrflüssigkeiten

Info

Publication number: DE69423086T2
Application number: DE69423086T
Authority: DE
Inventors: Daniel Ballerini; Lionel Choplin; Eric Dreveton; Jacqueline Lecourtier
Original assignee: IFP Energies Nouvelles IFPEN
Current assignee: IFP Energies Nouvelles IFPEN
Priority date: 1993-12-24
Filing date: 1994-11-25
Publication date: 2000-11-02
Anticipated expiration: 2014-11-26
Also published as: NO308807B1; FR2714420B1; NO945002D0; FR2714420A1; BR9405249A; US5744428A; EP0662563A1; NO945002L; DE69423086D1; EP0662563B1

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft das Gebiet der Bohrarbeiten, die mit dem Ziel durchgeführt werden, unterirdische Lagerstätten auszubeuten, die Kohlenwasserstoffe enthalten. Die Erfindung betrifft insbesondere ein Verfahren zum Kontrollieren der Verluste durch Filtration an einer in einem Bohrloch zirkulierenden Flüssigkeit (Fluid), das durch geologische Formationen hindurch gebohrt worden ist.
Die konventionelle Bohrtechnik umfaßt das Zirkulierenlassen einer in den Boden des Bohrloches injizierten Flüssigkeit (Fluid) durch den Kanal für das Bohrgestänge, wobei die Flüssigkeit (Fluid) in dem Ringraum, der durch die Wände des Bohrloches und die Außenseite des Bohrgestänges begrenzt wird, wieder nach oben an die Oberfläche steigt. Während des Hochsteigens und während des Bohrens dringt eine bestimmte Menge Bohrflüssigkeit in die porösen und zerklüfteten geologischen Formationen ein. Diese verlorene Menge an Bohrflüssigkeit (Bohrfluid) wird als "Verlust durch Filtration" oder als "Filtrat" bezeichnet. Es ist im allgemeinen wünschenswert, die Filtratmenge zu begrenzen, da diese einen kostspieligen Verbrauch an Basisprodukten darstellt, zusätzliche Kontrollarbeitsgänge und zusätzliche Konditionierarbeitsgänge in der Anlage zur Behandlung der Bohrschlämme sowie auch Gefahren zur Destabilisierung der Bohrlochwände oder zur Kolmation der geologischen Förderzonen oder potentiellen Förderzonen mit sich bringt.
Es sind auf diesem Gebiet bereits zahlreiche Filtratverminderungsmittel für Flüssigkeiten (Fluids) auf Wasserbasis bekannt, seien es nun Bohrflüssigkeiten (Bohrfluids), eine Komplementierungs-Flüssigkeit bzw. -Fluid oder eine Auf wältigungs-Flüssigkeit bzw. -Fluid (work over fluid). Es können insbesondere genannt werden die Verwendung von organischen Kolloiden wie Stärke, Carboxymethylcellulose (CMC) oder polyanionische Cellulose (PAC).
Aus den Dokumenten US-A-4 326 052, US-A-4 326 053, US-A-4 377 636 und US-AA 385 123 kennt man bereits das Polysaccharid S-60, als Gellan bezeichnet, dessen Verwendung in wäßriger Lösung als Verdickungsmittel, Gelbildungsmittel und Stabilisierungsmittel aus dem Lebensmittelsektor, dem Farbanstrichsektor oder dem Klebstoffsektor bekannt ist.
Aus dem Dokument US-A-5 238 065 sind ein Verfahren und eine Zusammensetzung zur Entfernung des auf den Wänden eines Bohrloches abgelagerten verfestigten Bohrschlammes bekannt. Darin ist angegeben, daß Polymere vom Polysaccharid-Typ, beispielsweise Gellan, in dem verfestigten Bohrschlamm enthalten sein können.
Bekannt ist auch das Dokument EP-A-0 658 612 A1, das Flüssigkeiten (Fluids) auf Wasserbasis betrifft, die Polysaccharide enthalten. Die thermische Beständigkeit von Polymerlösungen wird erhöht insbesondere durch Zugabe von Magnesiumoxid. Unter den Polysacchariden wird das Gellan-Harz genannt.
In diesen Dokumenten ist jedoch keine Rede von nativem Gellan noch von seiner Verwendung zur Filtrat-Reduktion.
Die vorliegende Erfindung betrifft somit die Verwendung von nativem Gellan in einer Flüssigkeit (einem Fluid) auf Wasserbasis, die (das) in einem Bohrloch zirkuliert, das durch mindestens eine geologische Formation mit einer bestimmten Permeabilität gebohrt worden ist, als Filtrat-Reduktionsmittel.
Die Flüssigkeit (das Fluid) kann 0,5 bis 10 g Gellan pro Liter, vorzugsweise mindestens 5 g/l, enthalten.
Die Viskosität der genannten Flüssigkeit (des genannten Fluids) kann grundsätzlich kontrolliert werden durch Zugabe mindestens eines Polymers, das ausgewählt werden kann aus der Gruppe, die besteht aus Xanthan, Scleroglucan, Wellan, Hydroxyethylcellulose (HEC), CMC, Guar-Gummi und Polyacrylamiden.
Das Gellan ist ein exozelluläres Polysaccharid, das von dem Bakterium Auromonas elodea (ATCC 31461) (früher als Pseudomonas elodea klassifiziert), gebildet wird. Dieses Bakterium wurde aus Geweben von Pflanzen (Elodea) isoliert, die in Pennsylvanien gesammelt wurden. Das Bakterium wurde von Kang und Veeder charakterisiert und ist in dem Patent US-A-4 326 053 beschrieben. Das Gellan wird durch aerobe Fermentation gebildet. Die Beschreibung des Produkts und eines Verfahrens zu seiner Herstellung sind in den Dokumenten US-A-4 326 052, US-A-4 326 053, US-AA 377 636 und US-A-4 385 123 geoffenbart.
Drei "Haupt-Sorten" von Gellan sind leicht zugänglich und eine einzige Sorte ist derzeit im Handel erhältlich. Die Unterschiede zwischen diesen Produkten sind auf die Art der Behandlung zurückzuführen, die nach der Fermentation durchgeführt wird. Das native Gellan wird direkt erhalten aus der Fermentationsbrühe nach dem Erwärmen derselben für 5 min auf 95ºC und der Ausfällung mit Isopropylalkohol. Das zweite Produkt, das als entestert bezeichnet wird, ist mit dem obengenannten identisch, wenn jedoch die Fermentationsbrühe eine Temperatur von 95ºC hat, wird der pH-Wert mit Natriumhydroxid oder Kaliumhydroxid auf 10 gebracht und 10 min lang bei diesem Wert gehalten. Die Lösung wird anschließend mit Schwefelsäure neutralisiert, dann wird das Produkt mit Alkohol ausgefällt. Diese Behandlung ruft den Bruch der Esterbindungen der Substituenten des nativen Polysaccharids hervor, das ein Acetat und ein Glycerat enthält. Das zuletzt genannte Produkt, das im Handel unter der Bezeichnung GELRITE oder KELCOGEL von der Firma MERK & Co (USA) erhältlich ist, ist das entesterte und gereinigte Gellan. Während das nicht-gereinigte Gellan zu fast 50% aus einem unlöslichen Material besteht, das hauptsächlich aus ganzen Zellen und Zellbruchstücken besteht, werden diese Verunreinigungen in diesem Fall aus dem entesterten Produkt entfernt durch Zentrifugieren oder durch Filtrieren bei 70ºC.
Die drei "Gellan-Sorten" weisen unterschiedliche gelbildende Eigenschaften auf. Das entesterte und gereinigte Produkt und das nur entesterte Produkt weisen keine wesentlichen Unterschiede auf. Dagegen gibt es zahlreiche Unterschiede zwischen dem nativen Gellan und dem entesterten Gellan. Das native Gellan bildet ein elastisches und weiches Gel, während das entesterte Gellan ein sprödes und festes Gel bildet. Darüber hinaus ist das native Gellan, das Seitenketten aufweist, leichter aufzulösen als das entesterte Gellan. Schließlich weist das native Gellan keine Hysterese auf in bezug auf die Temperatur, d. h. die Eigenschaften des Gels sind bei der gleichen Temperatur identisch bei seinem Festwerden oder seinem Schmelzen. Dies wird von Moorhouse et al. (1981) in "PS-60: a new gel-forming polysaccharid in solution properties of polysaccharides" von David A. Brant (ed), American Chemical Society Symposium Series Nr. 150, Washington, D. C., 111-123, USA, beschrieben.
Eine Mischung von nativem Gellan und entestertem Gellan erlaubt die Herstellung eines ganzen Bereiches von Gelen mit Eigenschaften, die zwischen denjenigen der Gele liegen, die aus diesen beiden Produkten erhalten werden, nach Sanderso et al. (1988), "Gellan gum in combination with other hydrocolloids" in "Gums and stabilisers for the food industry 4", von G. O. Phillips; P. A. Williams und D. J. Wedlock (ed), IRL Press, Oxford Washington D. C. USA, 301-308.
Das Verhalten einer Polysaccharid-Lösung ist eine direkte Funktion des Konformations-Zustandes der Polymer-Ketten.
Die Lösungen von nativem Gellan weisen, wenn man von einer bestimmten Polysaccharid-Konzentration ausgeht, die Eigenschaften eines vorübergehen den "Pseudogel"-Gitters auf, die zu schwachen Assoziationen zwischen den Doppelhelices führen, die durch die Polysaccharid-Verzweigungen gebildet werden. Diese Hypothese läßt die Anwesenheit von Stäbchen-Aggregationen oder Mikrogelen vermuten.
Die rheologischen Eigenschaften einer Gellan-Lösung sind somit stark von der Temperatur der Lösung und den Salz- und Polysaccharid-Konzentrationen abhängig.
Die Anmelderin hat erfindungsgemäß festgestellt, daß das Gellan gute Eigenschaften als Filtrat-Reduktionsmittel in Bohrflüssigkeiten (Bohrfluids) auf Wasserbasis hat. Vorzugsweise verwendet man natives Gellan, das eine interessante Gel-Eigenschaft und eine gute Löslichkeit aufweist. Es sei darauf hingewiesen, daß die in den nachstehend beschriebenen Versuchen verwendeten Gewichtsmengen an nativem Gellan nicht lösliche Zellbruchstücke oder andere Rückstände umfassen. Der tatsächliche Gehalt an Polysaccharid beträgt etwa 50% der zugegebenen Mengen.
Die nachstehend beschriebenen Versuche zeigen die Eigenschaften des nativen Gellans in Lösung unter Bedingungen, die den Vergleich seiner Eigenschaften mit anderen Produkten erlauben, die auf diesem Gebiet zur Erzielung eines Ergebnisses gleicher Art verwendet werden.
Eine als "spezifisches filtriertes Volumen" bezeichnete und als VFS abgekürzte Charakteristik wurde errechnet. Diese stellt die Neigung (a) nach dem Filtrationsgesetz als Funktion der Zeit t (filtriertes Volumen = a.t1/2 + b), dividiert durch die Oberfläche des Filters in cm², dar. Das VFS hat somit die Einheit ml/t1/2/cm².
Die Filtrationstests wurden, wenn nichts anderes angegeben ist, nach den gültigen API-Normen durchgeführt (API RP13B1 Abschnitt 3, Filtrat - Juni 1990). Das filtrierte Volumen oder Filtrat, gemessen in ml nach 30 min und 7,5 min. wird jeweils als 30'-Filtrat und 7,5'-Filtrat bezeichnet. Die Gele 0 und 10 (g0 und g10), welche die thixotropen Eigenschaften der Flüssigkeit (des Fluids) charakterisieren, entsprechen Messungen, die mit einem Viskosimeter vom Fann-Typ, der nach API normalisiert wurde, sowie den angegebenen Verfahren durchgeführt wurden. Die plastische Viskosität (VP) und der "Ausbeutewert" (YV), die das rheologische Verhalten der Formulierungen charakterisieren, werden errechnet aus den Meßwerten bei 600 und 300 UpM mit dem gleichen Typ Fann-Viskosimeter. Die VP und der YV werden üblicherweise jeweils in Centipoise (mPa.s) und in lb/100 ft² (4,8.10&supmin;&sup6; bar) ausgedrückt. Die Charakteristik des verfestigten Bohrkuchens (Filterkuchens) wird durch seine Dicke in mm angegeben.
Die Salzgehalte sind nach der folgenden Norm angegeben: beispielsweise Na10 bedeutet 10 g/l NaCl. Na&sub5;Ca&sub5; bedeutet 5 g/l NaCl und 5 g/l CaCl&sub2;.
Das in den folgenden Versuchen verwendete Gellan wurde unter den in dem Dokument US-A-4 326 052 beschriebenen Bedingungen erhalten. Das native Gellan wird für alle Versuche verwendet.
Der verwendete Ton ist der Green-Bond-Ton der Firma CKS. Die verwendete CMC wird mit R110 bezeichnet, hergestellt von der Firma AQUALON.

Versuche

In allen Versuchen wurde die gleiche Art der Herstellung der Versuchsflüssigkeiten, d. h. der Mischung von Wasser, Ton, Elektrolyt und Polymer, angewendet. Das Verfahren besteht insbesondere darin, die Elektrolyte nach dem Aufquellenlassen des Tons oder der Polymeren in destilliertem Wasser zuzugeben.

Versuch 1: Einfluß des Rührens auf die Beständigkeit von Gellan gegen Scherung

Die wäßrige Lösung enthält 1,5 g/l natives Gellan, 30 g/l Green Bond-Ton und 10 g/l NaCl.
HB2, HB5 und HB20 repräsentieren jeweils das 2-, 5- und 20-minütige Rühren in einem Rührer vom Hamilton Beach-Typ. Die Homogenisierungs- Bedingungen nach Hamilton Beach entsprechen API-Norm Abschnitt 11 OCMA, Sorte Bentonit (1970).
Die Struktur des Gellans wird durch die Rühr-Bedingungen nicht verändert.

Versuch 2: Effekte von Salzen in geringer Konzentration auf das Gellan

Die wäßrige Lösung enthält Gellan und 30 g/l Green Bond-Ton.
* Konzentration an Gellan 0 g/l
* Gellan-Konzentration 0,5 g/l.
* Gellan-Konzentration 1,5 g/l.
* Gellan-Konzentration 3 g/l,
Bemerkungen:
- Die Gellan enthaltenden Formulierungen sind homogen und nach mehreren Wochen stabil.
- Das Gellan erlaubt die Verminderung des Filtrat-Volumens. Diese Kapazitäten sind unabhängig von der Ionen-Stärke bei Formulierungen mit geringen Salzgehalten.
- Die Zugabe von Gellan erlaubt die signifikante Herabsetzung der Dicke des durch Filtration gebildeten Filterkuchens.
- Die Flüssigkeiten weisen einen ausgeprägten thixotropen Charakter auf, der mit dem Salzgehalt zunimmt.

Versuch 3: Effekte von Salzen in hohen Konzentrationen auf Gellan enthaltende Formulierungen

Die wäßrige Lösung enthält Gellan und 30 g/l Green Bond-Ton.
* Polymer-Konzentration 0 g/l.
* Gellan-Konzentration 3 g/l.
* Gellan-Konzentration: 6,3 g/l.
Bemerkung:
- Bei hoher Ionen-Stärke oder in Gegenwart von Calcium nehmen die filtrierten Volumina zu, der Anstieg der Filtration, bezogen auf eine Flüssigkeit ohne Polymer, ist jedoch groß (70 bis 80%).

Versuch 4: Vergleich mit einer CMC enthaltenden Formulierung

Die wäßrige Lösung enthält 3 g/l CMC und 30 g/l Ton.
Die Ergebnisse ähneln denjenigen, die mit Gellan erhalten werden. Das Gellan ist dennoch weniger empfindlich für divalente Ionen und ergibt viskosere und thixotropere Flüssigkeiten. Darüber hinaus sind die mit Gellan gebildeten Filterkuchen feiner als mit CMC bei hohen Ionen-Stärken.

Versuch 5: Einfluß der Temperatur

Die wäßrige Lösung enthält 3 g/) Gellan, 10 g/l NaCl und 30 g/l Green Bond- Ton. Die Filtration wird in einer HP-HT-Filterpresse gemessen, wie sie beispielsweise von der Firma Baroid hergestellt wird. Die Oberfläche des Filters ist gleich der Hälfte derjenigen der API-Filterpresse. Der Differential-Testdruck beträgt 35 bar bei einem Gegendruck von 15 bar.
Bemerkungen:
- Das Filtrat-Volumen ist unabhängig von dem angewendeten Differentialdruck.
- Das VFS nimmt mit der Temperatur zu, bleibt jedoch selbst bei 110ºC niedrig.
Die folgenden Versuche wurden nicht in Gegenwart von Ton durchgeführt.

Versuch 6: Lösung ohne Ton, nur Gellan mit Scleroglucan oder Xanthan oder Wellan

* Nur Gellan, NaCl-Konzentration: 10 g/l
* Scleroglucan-Konzentration: 4,5 g/l, NaCl 10 g/l.
* Wellan-Konzentration: 3 g/l, NaCl 10 g/l.
* Xanthan-Konzentration: 3 g/l.
Bemerkungen:
- Die Gellan und ein Viskositätserhöhungsmittel enthaltenden Flüssigkeiten ergeben VFS, die vergleichbar mit denjenigen sind, die mit Ton erhalten wurde.
- Die gebildeten Filterkuchen sind dünn und homogen.
- Die erhaltenen Lösungen sind thixotrop.
- Die Zugabe von Gellan erlaubt die Bildung eines Filterkuchens ohne anfänglichen Filtrat-Verlust.

Versuch 7: Lösung ohne Ton, Gellan mit Scleroglucan

* Gellan-Konzentration 3 g/l, NaCl 10 g/l.
Das VFS nimmt mit der Scleroglucan-Konzentration ab und bleibt ab 4,5 g/l konstant.

Versuch 8: Lösung ohne Ton, Einfluß des Salzgehaltes

Die wäßrige Lösung enthält 3 g/l Gellan und 4,5 g/l Scleroglucan.
Bemerkungen:
- Bei geringem Salzgehalt (5 g/l NaCl) bildet sich der Filterkuchen mit Verzögerung.
- Bei hohem Salzgehalt oder in Gegenwart von Calcium ist kein " Spurt- Verlust" festzustellen und das VFS und die Thixotropie sind unabhängig von dem Salzgehalt der Lösungen. Man kann den "Spurt-Verlust" definieren als das Flüssigkeitsvolumen, das in die Formation filtriert vor der Bildung eines ausreichend undurchlässigen Filterkuchens.

Versuch 9: Einfluß der Temperatur auf eine Lösung ohne Ton mit Gellan und Scleroglucan bei verschiedenen Salzgehalten

Die Versuchsbedingungen sind identisch mit denjenigen des Versuchs Nr. 5.
* Die wäßrige Lösung enthält 3 g/l Gellan, 4,5 g/l Scleroglucan und 10 g/l NaCl.
* Die wäßrige Lösung enthält 3 g/l Gellan, 4,5 g/l Scleroglucan, 5 g/l NaCl und 5 g/l CaCl&sub2;.
* Die wäßrige Lösung enthält 3 g/l, Gellan, 4,5 g/l Scleroglucan, 5 g/l, NaCl und 5 g/l FeCl3.
Bemerkungen:
- Das VFS nimmt mit der Temperatur der Filtration zu.
- Das VFS nimmt ab, wenn man von einem monovalenten Ion zu einem divalenten Ion und dann zu einem trivalenten Ion übergeht.
- Ein "Spurt-Verlust"-Phänomen ist bei 90ºC festzustellen bei den Formulierungen, die mono- und divalente Ionen enthalten und bei 110ºC bildet sich kein Filterkuchen.
- Mit den trivalenten Ionen ist ein "Spurt-Verlust" bei 100ºC festzustellen und es bildet sich bei 110ºC kein Filterkuchen.

Versuch 10: Einfluß der Temperatur auf eine Lösung ohne Ton, mit Gellan und Scleroglucan in Gegenwart einer hohen Konzentration an CaCl&sub2; oder K&sub2;CO&sub3;.

* Die wäßrige Lösung enthält 3 g/l Gellan, 4,5 g/l, Scleroglucan und 50 g/i CaCl&sub2;.
* Die wäßrige Lösung enthält 3 g/l Gellan, 4,5 g/l Scleroglucan und 50 g/l K&sub2;CO&sub3;.
In Gegenwart einer hohen Salzkonzentration ist ein "Spurt-Verlust" ab 115ºC festzustellen und bei 130ºC bildet sich kein Filterkuchen.

Versuch 11: Einfluß der Temperatur auf eine Lösung ohne Ton, mit Gellan und Xanthan oder Wellan in Gegenwart einer hohen CaCl&sub2;- Konzentration

* Die wäßrige Lösung enthält 3 g/l Gellan, 4,5 g/l Xanthan und 50 g/l CaCl&sub2;. Temperatur
* Die wäßrige Lösung enthält 3 g/l Gelfan, 4,5 g/l Wellan und 50 g/l CaCl&sub2;.
Bemerkungen:
- Das "Spurt-Verlust"-Phänomen ist bei höheren Temperaturen festzustellen als mit Scleroglucan, bei 130ºC mit Xanthan und bei 150ºC mit Wellan. Bei 130ºC bildet sich kein Filterkuchen mit Xanthan.
- Bei 30ºC zeigen diese Formulierungen einen ausgeprägten Rheofluidisierungscharakter.

Versuch 12:

Diese ergänzenden Versuche wurden mit handelsüblichem gereinigtem und entestertem Gellan (Gelrite) durchgeführt.
Die wäßrige Lösung enthält 20 g/l Ton und 2 g/l Gelrite, das durch Zugabe eines Sequestriermittels vom EDTA-Typ oder vom Tetraammoniumethylendiamin-Typ solubilisiert wurde.
In einer Lösung ohne Salz beträgt das 30'-Filtrat 15 ml bei Umgebungstemperatur. In einer Salzlösung, beispielsweise in Meerwasser, erreicht das 30'- Filtrat den Wert 275 ml.
Das Gelrite weist Kapazitäten auf, die viel weniger hoch sind als diejenige von nativem Gellan, insbesondere wegen seiner hohen Empfindlichkeit für Salze.

Claims

1. Verwendung von nativem Gellan in einer Flüssigkeit (Fluid) auf Wasserbasis, die in einem Bohrloch zirkuliert, das durch eine geologische Formation mit einer bestimmten Permeabilität gebohrt worden ist, als Filtrat- Reduktionsmittel.

2. Verwendung nach Anspruch 1, bei der die genannte Flüssigkeit (Fluid) 0,5 bis 10 g/l natives Gellan und vorzugsweise weniger als 5 g/l, natives Gellan enthält.

3. Verwendung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der die Viskosität der (des) genannten Flüssigkeit (Fluids) hauptsächlich kontrolliert wird durch Zugabe einer ausreichenden Menge mindestens eines weiteren Polymers.

4. Verwendung nach Anspruch 3, bei der das genannte weitere Polymer ausgewählt wird aus der Gruppe, die besteht aus Xanthan, Scleroglucan, Wellan, Hydroxyethylcellulose (HEC), CMC, Guar-Gummi und Polyacrylamiden.