DE69506163T2

DE69506163T2 - Verfahren und Flüssigkeiten die in ein Bohrloch verwendet sind - Verwendung für Bohrung

Info

Publication number: DE69506163T2
Application number: DE69506163T
Authority: DE
Inventors: Jean-Francois F-92150 Suresnes Argillier; Annie F-78110 Le Vesinet Audibert; Louise Comberton Cambridge Cb3 7Eq Bailey; Jacqueline F-92250 La Garenne Colombes Lecourtier; Paul I. St. Neots Cambridgeshire Pe 19 3Rj Reid
Original assignee: Sofitech NV; IFP Energies Nouvelles IFPEN
Current assignee: Sofitech NV; IFP Energies Nouvelles IFPEN
Priority date: 1994-05-04
Filing date: 1995-05-03
Publication date: 1999-04-15
Anticipated expiration: 2015-05-04
Also published as: EP0681016A1; DE69506163D1; NO951722L; CA2148558C; DK0681016T3; FR2719600B1; NO951722D0; NO314410B1; FR2719600A1; EP0681016B1; CA2148558A1; US5597783A

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Flüssigkeit (Fluid) auf Wasserbasis mit einer optimierten Zusammensetzung zur Lösung der Probleme, die bei verschiedenen Operationen, z. B. beim Bohren, bei der Konditionierung oder bei der Intervention in einem Bohrloch, das mindestens eine permeable geologische Formation durchquert, auftreten.
Unter einer Konditionierung ist das zu verstehen, was allgemein als "Kompletion" (Verrohrung oder Casing) bezeichnet wird, d. h. die Vorbereitungs- und Ausrüstungsoperationen, die erforderlich sind für die Aufnahme der Produktion aus einer geologischen Formation aus einem gebohrten Bohrloch. Bei diesen sogenannten "Kompletions"-Operationen werden spezielle Flüssigkeiten (Fluids) eingesetzt, die als "Kompletions-Flüssigkeiten bzw. -Fluids" bezeichnet werden.
Unter Interventionen sind Operationen zu verstehen, die in einem Förder- Bohrloch oder in einem potentiellen Förder-Bohrloch durchgeführt werden. Diese Operationen werden allgemein als "Unterhaltung oder Workover" bezeichnet. Die "Unterhaltungs"-Flüssigkeiten bzw. -Fluids können in dem Förder-Bohrloch im Kreislauf verwendet werden, vergleichbar mit Bohr- Flüssigkeiten bzw. -Fluids oder in Form einer "Pfropf-Flüssigkeit" oder "Spacer- Flüssigkeit".
Alle diese Bohr-, Konditionierungs- oder Interventions-Flüssigkeiten bzw. - Fluids haben gemeinsam insbesondere die physikalisch-chemische Anpassung ihrer Zusammensetzung an die Art der geologischen Formationen, mit denen sie in Kontakt kommen und an die Hauptfunktionen, denen sie dienen sollen. Es ist nämlich bekannt, daß die in einem Bohrloch eingesetzten Flüssigkeiten (Fluids) im allgemeinen die folgenden Funktionen haben:
- Aufrechterhaltung der Stabilität der Wände des Bohrlochs,
- kontrollierte Filtration in den permeablen Formationen,
- gutes Reinigungsvermögen des Bodens des Bohrlochs durch Zirkulation,
- leichte Regulierbarkeit der Volumenmasse,
- Temperatur- und Zeitstabilität,
- keine oder nur geringe Verunreinigung durch Tone oder Elektrolyten,
- leichte Produktion und Behandlung und dgl.
Um diese komplexen kombinierten Funktionen zu erfüllen, die inkompatibel miteinander sein können, müssen die relativen Mengen an Zusätzen, die für die gewünschten Funktionen im Rahmen der Beschränkungen des Bohrlochs geeignet sind, ausgewählt und geregelt werden. Um dies zu erreichen, ist die Zusammensetzung der Bohr-Flüssigkeit bzw. des Bohr-Fluids je nach Art der Probleme, die bei den geologischen Formationen auftreten, je nach ihren Grundbedingungen wie Druck und Temperatur und je nach Hauptfunktionen, die für die Flüssigkeit (das Fluid) unerläßlich sind, im allgemeinen das Ergebnis eines Kompromisses zwischen mehreren Funktionen und den Kosten der unerläßlichen Zusätze.
Die erfindungsgemäße Flüssigkeit (Fluid) weist eine Formulierung auf, die in wäßriger Lösung ein hydrophiles/hydrophobes Polymer, als Hb1 bezeichnet, enthält, das in dem Dokument FR-2 686 892 beschrieben ist, das dem unter der Nr. WO 93/15164 publizierten Dokument PCT/FR93/00090 zugrunde liegt. Das Polymer Hb1 ist in diesen Dokumenten als ein solches definiert, das eine Struktur vom Typ (Hb)-(Hy)- mit einer statistischen Verteilung hat, wobei die genannte Struktur eine Folge der radikalischen Polymerisation von ethylenischen Monomeren ist, welche Carboxyl-Funktionen enthalten, insbesondere ein Acrylat/C&sub1;-C&sub3;&sub0;-Alkylacrylat-Copolymer der folgenden Formel ist:
worin x für eine Zahl zwischen 0,4 und 0,8 steht, M für H oder Na oder K oder irgendein anderes monovalentes Ion steht und worin die Länge der hydrophoben Einheiten R&sub4; eine C&sub1;-C&sub3;&sub0;-Alkyl- oder -Alkylaryl-Kette ist, die ausgewählt wird als Funktion der Molekularmasse des genannten Polymers nach den folgenden Regeln:
- für ein Polymer mit einer Molekularmasse von weniger als etwa 10&sup5; Dalton enthält R&sub4; mindestens zwei Kohlenstoffatome.
- für ein Polymer mit einer Molekularmasse zwischen etwa 10&sup5; und etwa 2,5 · 10&sup6; Dalton enthält R&sub4; mindestens 4 Kohlenstoffatome.
Bei einer Variante hat das Polymer Hb1 den Namen H3, wenn x die Zahl 0,8 bedeutet, R&sub4; 4 Kohlenstoffatome enthält und die Molekularmasse des Polymers 10&sup4; bis 5 · 10&sup4; Dalton, vorzugsweise etwa 1,7 · 10&sup4; Dalton, beträgt.
Die erfindungsgemäße Flüssigkeit (Fluid) umfaßt auch ein hydrophob modifiziertes Cellulose-Derivat. Bei einer ersten Variante der Erfindung handelt es sich bei dem Cellulose-Derivat um hydrophob modifizierte Hydroxyethylcellulose (HM HEC).
Die hydrophob modifizierten Hydroxyethylcellulose-Derivate leiten sich hauptsächlich ab von den üblicherweise verwendeten Cellulose-Derivaten, wie der Carboxymethylcellulose (CMC), der Hydroxyethylcellulose (HEC) oder der Hydroxypropylcellulose (HPC). Diese Derivate können durch Einarbeitung von Alkylgruppen durch chemische Reaktion, die bestimmte Cellulose-Einheiten beeinflußt, chemisch modifiziert werden. Diese hydrophob modifizierten Cellulose-Derivate, insbesondere HM HEC, HM CMC, HM HPC, sind in dem Dokument EP-A1-465992 beschrieben.
Das Polymer HM HEC oder die hydrophob modifizierte Hydroxyethylcellulose ist in dem Dokument US-AA 228 277 sowie in der Publikation "Synthesis and solution properties of hydrophobically modified hydroxyethyl cellulose" von A. C. SAU und L. M. LANDOLL in "Polymers in aqueous media: performance through association", J. E. Glass (Ed), "Adv. Chem. Ser." 213, ACS Wash, 1989, beschrieben.
Die nicht-ionische und wasserlösliche HM HEC kann aus der HEC oder Hydroxyethylcellulose hergestellt werden durch chemische Einarbeitung eines langkettigen C&sub4;-C&sub2;&sub5;-Alkyls, vorzugsweise eines solchen mit 8 bis 18 Kohlenstoffatomen, als hydrophobe Einheit.
Die hydrophobe Einheit ist über eine Ether- oder Esterbindung, vorzugsweise eine Ether-Bindung, an die Cellulose gebunden, da dieser Bindungs-Typ stabiler ist, wenn das Polymer in wäßriger Lösung vorliegt.
Der Gehalt an hydrophoben Einheiten kann von 0,2 bis etwa 5%, vorzugsweise von 0,2 bis 1,5% und insbesondere von 0,2 bis 1%, variieren.
Das Polymer HM HEC kann einen molaren Substitutionsgrad der Hydroxyethyl-Einheit von mindestens 1,5, vorzugsweise von 1,5 bis 4, d. h. von 1,5 bis 4 mol Hydroxyethyl-Substituenten pro Anhydroglycose-Einheit, und eine verhältnismäßig niedrige Molekularmasse, d. h. von weniger als 2 000 000 Dalton, vorzugsweise von 20 000 bis 500 000 Dalton (entsprechend einem Polymerisationsgrad von 75 bis 1800), aufweisen.
Die erfindungsgemäße Flüssigkeit (Fluid) umfaßt auch eine geeignete Menge eines Polymers, als HM PAM bezeichnet, das durch Polymerisation von hy drophilen Einheiten mit einer hydrophoben Einheit erhalten wird. Die hydrophile Einheit umfaßt:
- ein Acrylamid der folgenden Formel:
worin R&sub5; für H oder CH&sub3; und Z, für CONH&sub2; stehen, und
- gegebenenfalls Acrylsäure-, Acrylat- oder Sulfonat-Comonomere der folgenden Formel:
worin R'&sub5; für H oder CH&sub3; und 22 für COOH oder COO&supmin;, M&spplus; oder CONHR&sub1;SO&sub3;&supmin;, M&spplus; stehen, worin R&sub1; H oder einen C&sub1;-C&sub3;&sub0;-Alkyl-, -Aryl- oder -Alkyl-Arylrest bedeutet.
Die hydrophobe Einheit des Polymers HM PAM kann mindestens eine der folgenden Formen aufweisen: N-Alkylacrylamid, Alkylacrylat, N-substituiertes Acrylamid oder ein substituiertes Acrylat, wobei der substituierte Abschnitt ein nicht-ionisches Tensid ist und die genannte hydrophobe Einheit die folgende allgemeine Formel hat:
worin R&sub5; für H oder CH&sub3; und Z&sub3; für COOR&sub7;, COOR&sub2;, CONR&sub1;R&sub2; oder CONR&sub1;R&sub7; stehen, worin R&sub7; ein nicht-ionisches Tensid, R&sub2; einen C&sub1;-C&sub3;&sub0;-Alkyl-, -Aryl- oder -Alkylaryl-Rest und R&sub1; H oder einen C&sub1;-C&sub3;&sub0;-Alkyl-, -Aryl- oder -Alkyl-Arylrest bedeuten.
Die wasserlöslichen Polymeren HM PAM werden erhalten durch Copolymerisation von wasserlöslichen Monomeren mit einem hydrophoben Monomer in einem Molverhältnis von hydrophiler Einheit zu hydrophober Einheit von 90 : 10 bis etwa 99,995 : 0,005, vorzugsweise von 95 : 5 bis etwa 99,9 : 0,1. Ihre Molekularmasse liegt oberhalb 106 Dalton.
Das Polymer HM PAM wird als H1PAM bezeichnet, wenn es sich dabei um ein Acrylamid/Nonylmethacrylat-Copolymer (d. h. um ein Polymer, in dem R&sub5; CH&sub3; und Z&sub3; COOR&sub7; mit R&sub7;=C&sub9;H&sub1;&sub9; bedeuten), handelt, wenn es eine Molekularmasse von etwa 8 · 10&sup6; Dalton und einen Gehalt an hydrophoben Einheiten zwischen 0,5 und 1,5% aufweist.
Die Kombination dieser drei Polymeren Hb1, HM PAM und des hydrophob modifizierten Cellulose-Derivats verleiht der erfindungsgemäßen Flüssigkeit (Fluid) gute Eigenschaften als Bohrloch-Flüssigkeit, d. h. man erhält eine Flüssigkeit (Fluid), die zum Bohren, zum Konditionieren und für Interventionen in einem Bohrloch verwendet werden kann. Darüber hinaus wurde von der Anmelderin ein viertes Polymer vom Polysaccharid-Typ ausgewählt, dessen Zugabe zu der erfindungsgemäßen Formulierung es insbesondere erlaubt, die Rheologie der Flüssigkeit (des Fluids) zu optimieren bei gleichzeitiger Verbesserung bestimmter Eigenschaften der Formulierung. Vorzugsweise sind die Polysaccharide, die eine starre oder halbstarre Doppel- oder Dreifachhelix- Molekarstruktur aufweisen, geeignet für die Formulierung, welche die drei anderen Polymeren umfaßt. Es kann sich dabei beispielsweise um Scleroglucan oder Xanthan handeln.
Die vorliegende Erfindung betrifft somit eine Flüssigkeit (ein Fluid), die (das) in einem Bohrloch verwendet wird, das durch mindestens eine permeable geolo gische Formation hindurchgebohrt worden ist. Die Flüssigkeit (das Fluid) enthält in wäßriger Lösung eine wirksame Menge
a) eines Polymers, vorstehend als Hb1 definiert,
b) eines Polymers, vorstehend als HM PAM definiert,
c) eines hydrophob modifizierten Cellulose-Derivats und
d) eines Polymers vom Polysaccharid-Typ, das eine starre oder halbstarre Doppel- oder Dreifachhelix-Molekularstruktur aufweist.
In dem Polymer Hb1 kann x den Wert von etwa 0,8 haben, R&sub4; kann 4 Kohlenstoffatome aufweisen und das Polymer kann eine Molekularmasse zwischen 10&sup4; und 5 · 10&sup4; Dalton, vorzugsweise von etwa 1,7 · 10&sup4; Dalton, haben.
Das Polymer HM PAM kann eine Molekularmasse zwischen 10&sup6; und 10&sup7; Dalton und einen Gehalt an hydrophoben Einheiten zwischen 0,5 und 5% aufweisen.
In dem Polymer HM PAM, auch als H1PAM bezeichnet, können bedeuten R&sub5;=CH&sub3;, Z&sub3;=COOR&sub7; mit R&sub7;=C&sub9;H&sub1;&sub9;, es kann eine Molekularmasse von etwa 8 · 10&sup6; Dalton und einen Gehalt an hydrophoben Einheiten von 0,5 bis 1,5% aufweisen.
Bei dem Cellulose-Derivat kann es sich um hydrophob modifizierte Hydroxyethylcellulose handeln. Die modifizierte Hydroethylxycellulose kann einen hydrophoben Alkylrest mit 4 bis 25 Kohlenstoffatomen, vorzugsweise 8 bis 18 Kohlenstoffatomen, enthalten. Die Molekularmasse der modifizierten Hydroxyethylcellulose kann unter 2 000 000 Dalton, vorzugsweise zwischen 20 000 und 500 000 Dalton, liegen.
Das Polymer vom Polysaccharid-Typ kann aus der durch Xanthan und Scleroglucan gebildeten Gruppe ausgewählt werden.
Die Flüssigkeit (das Fluid) kann mindestens einen Elektrolyten in Konzentrationen enthalten, die bis zur Sättigung gehen können.
Der Elektrolyt kann aus der Gruppe ausgewählt werden, die gebildet wird aus dem Chlorid, dem Bromid, dem Carbonat, dem Acetat, dem Formiat, dem Sulfat, dem Silicat und dem Phosphat von Natrium, Kalium, Calcium, Magnesium und Zink.
Die Flüssigkeit (das Fluid) kann 0,5 bis 30 g/l, Hb1, hydrophob modifiziertes Cellulose-Derivat, HM PAM und 0,5 bis 20 g/l, Polymer vom Polysaccharid-Typ enthalten.
Die Flüssigkeit (das Fluid) kann 0,5 bis 10 g/l H3, HM HEC und H1PAM, 1 bis 5 g/l Polymer vom Polysaccharid-Typ, vorzugsweise Xanthan, 5 bis 100 g/l KCl oder NaCl und 0 bis 30 g/l reaktiven Ton enthalten.
Die Erfindung betrifft auch ein Verfahren zur Anwendung in einem Bohrloch, das mindestens durch eine geologische Formation mit einer bestimmten Permeabilität (Durchlässigkeit) gebohrt worden ist, wobei das genannte Verfahren mindestens einen der folgenden Arbeitsgänge umfaßt:
Bohren eines Bohrloches, Konditionieren eines Bohrloches und Intervention in einem Bohrloch.
In dem Verfahren verwendet man eine Flüssigkeit (ein Fluid), die (das) in wäßriger Lösung enthält eine wirksame Menge:
a) eines Polymers, vorstehend als Hb1 bezeichnet,
b) eines Polymers, vorstehend als HM PAM bezeichnet,
c) eines hydrophob modifizierten Cellulose-Derivats und
d) eines Polymers vom Polysaccharid-Typ.
Bei dem Verfahren, bei dem die genannte geologische Formation reaktive Tone enthält, kann man die Inhibierung der (Auf)Quellung und/oder die Dispersi on der genannten Tone mit der genannten Flüssigkeit (Fluid) kontrollieren durch Optimierung der Menge an dem Polymer Hb1.
Die Rheologie der Flüssigkeit (des Fluids) kann eingestellt werden durch Optimieren der Menge an Polymer vom Polysaccharid-Typ. Die Filtrations- Reduktion kann man kontrollieren durch Optimieren der Menge an hydrophob modifiziertem Cellulose-Derivat.
Die Fähigkeit der Flüssigkeit (des Fluids), feste Bruchstücke nicht aufzuspalten (nicht zu fragmentieren), kann man einstellen durch Optimieren der Menge an HM PAM in der genannten Flüssigkeit.
In dem Verfahren braucht die Formulierung der genannten Flüssigkeit (Fluid) keine reaktiven Tonzusätze zu enthalten. Das Verfahren kann auf die Erzeugung von Bohrlöchern mit kleinem Durchmesser und mit einer starken Neigung gegenüber der Vertikalen angewendet werden.
Die Vorteile und Eigenschaften der erfindungsgemäßen Flüssigkeit (Fluid) sind besser ersichtlich beim Lesen der nachstehend beschriebenen Tests. Die getesteten Flüssigkeiten (Fluids) wurden in einem Rührer vom Hamilton Beach-Typ systematisch homogenisiert.
Es wurde nachgewiesen, daß die verschiedenen Bestandteile der Formulierung der erfindungsgemäßen Flüssigkeit (Fluid) primäre Eigenschaften und großenteils Verstärkungseffekte auf die primären Eigenschaften mindestens eines anderen Bestandteils aufweisen. Die Anmelderin hat mehrfache synergetische Effekte zwischen den Bestandteilen der Flüssigkeit (des Fluids) nachgewiesen.

Versuch 1: Inhibierung des (Auf)Quellens

Das Polymer Hb1 ist in der Patentanmeldung FR-A-2 686 892 beschrieben und sein Aufquellungs-Inhibierungsvermögen wurde durch Versuche mit dem Polymer H3 nachgewiesen.
Der nachstehend beschriebene Versuch wurde in einer Einrichtung zur Messung der Quellung eines Gesteins durchgeführt. Sie umfaßt einen mit der getesteten Flüssigkeit gefüllten Behälter, in den man eine etwa 3 cm lange Probe aus Tonmaterial mit einem Durchmesser von 2 cm legt. Die Probe taucht vollständig in die Flüssigkeit ein. Ein Verschiebungssensor, der an dem Trageelement der Einrichtung befestigt ist, mißt die Verschiebung eines Punktes als Funktion der Temperatur, wobei der Punkt auf der Probe markiert wird. Die Versuche dauern etwa 8 bis 10 h. Man stellt eine Stabilisierung der Aufquellung der Probe nach etwa 3 bis 4 h fest. Die Probe besteht aus einem Tonmaterial, das als "Schiefergestein I" bezeichnet wird, das etwa 10% Smektit, 30 % Illit und 1% Kaolinit enthält, dessen Aktivität etwa 0,9 beträgt.
In der nachstehenden Tabelle sind die in Gegenwart von vier Lösungen erhaltenen Ergebnisse vergleichend angegeben:
- S1: destilliertes Wasser,
- S2: Lösung, die Xanthan (2 g/l), HM HEC (2 g/l) und H1PAM (2 g/l), KCl (50 g/l) enthält,
- S3: Lösung; die H3 (4 g/l), Xanthan (2 g/l), HM HEC (82 g/l) und H1PAM (2 g/l), KCl (50 g/l) enthält;
- S4: Lösung, die H3 (4 g/l), KCl (5 g/l) enthält.
Die Ergebnisse bestätigen, daß die Formulierung S3, die einer erfindungsgemäßen Variante entspricht, gute Eigenschaften in bezug auf die Inhibierung des Aufquellens hat. Darüber hinaus stellt man fest, daß die Probe in der Flüssigkeit S1 keine mechanische Beständigkeit mehr hat.
Es wurde ein weiterer Versuch unter viel reaktiveren Bedingungen durchgeführt. Man bringt eine Probe aus Montmorrilonit Green Bond mit verschiedenen Lösungen in Kontakt. Die Probe liegt in Form einer Ton-Tablette vor, die unter einem Druck von 100 bis 1500 bar gepreßt worden ist und 43% Calcium enthält. Die verwendete Tablette hat eine Aktivität von 0,5. Der verwendete Elektrolyt hat eine Aktivität zwischen 1 und 0,96. Die Versuchs-Bedingungen sind folgende: Temperatur: 30ºC, Feststoff/Flüssigkeits-Volumen-Verhältnis = 0,1, leichtes Rühren und nachfolgende Kinetik nach 3 h.
Man mißt die Ausdehnung der Tablette, wobei die erhaltenen Ergebnisse in angegeben werden.
Die Formulierungen S1, S3 und S4, wie sie weiter oben definiert sind, wurden für diesen Versuch ebenfalls verwendet sowie eine Formulierung S5, die nur 50 g/l KCl enthielt:
* völliger Zerfall der Tabletten.
Die Ergebnisse zeigen, daß bei einer viel reaktiveren Tablette als die Probe des ersten Versuchs, die nur 10% Smektit enthält, und unter Ungleichgewichts-Aktivitäts-Bedingungen zwischen der Tablette und dem Elektrolyten die Fähigkeiten der Inhibierung der Aufquellung der Formulierung 53 mindestens ebenso gut sind wie für H3 allein, wenn man sie auf die gleichen Salzgehalt- Bedingungen bezieht. In Gegenwart von destilliertem Wasser oder einer Lösung, die 50 g/l KCl enthält, zerfällt die Tablette vollständig, wodurch ihre sehr starke Reaktionsfähigkeit nachgewiesen wird.

Versuch 2: Beständigkeit der Bohrungs-Bruchstücke

Dieser Versuch erlaubt die Messung der Fähigkeiten, die eine Bohr-, Konditionier- oder Interventions-Flüssigkeit hat, den Zusammenhalt eines in der Flüssigkeit suspendierten Feststoffes, insbesondere eines Bruchstücks der geologischen Formation (Bohrungs-Bruchstücke) nicht zu zerstören. Im allgemeinen wird diese Funktion bezeichnet als die Fähigkeiten einer Flüssigkeit, Bruchstücke (feste Bruchstücke) nicht zu fragmentieren. Der Vorteil dieser Funktion ist insbesondere die Begrenzung des Gehaltes an Feinteilchen, um nicht die rheologischen Eigenschaften der Flüssigkeit zu modifizieren, die Abtrennung der Feststoffe in den Oberflächen-Installationen zu erleichtern und die Reinigung des Bohrlochs zu beschleunigen.

Beschreibung des Versuchsablaufs

Die Mehrzahl der Versuche wurde durchgeführt mit "Cuttings (Bohrungs- Bruchstücken)" oder Ton-Bruchstücken, die als "London-Clay" bezeichnet werden, mit einer Teilchengrößen zwischen 1 mm und 2,8 mm, die in einem Exsikkator in der Weise aufbewahrt wurden, daß ihre Aktivität in Wasser in der Größenordnung von 0,9 liegt. Der Ton London-Clay enthält etwa 23% Smektit, 29% Illit und 11% Kaolinit.
3 g Ton werden in eine 300 cm³-Zelle eingeführt, die 100 cm³ der zu testenden Flüssigkeit enthält. Anschließend werden vier Stahlkugeln mit einem Durchmesser von 16 mm in die Zelle eingeführt. Diese Zelle wird 1 h lang bei einer Temperatur von 30ºC auf einem rotierenden System angeordnet.
Die Flüssigkeit wird anschließend durch zwei hintereinander geschaltete Filter filtriert, deren Maschengröße jeweils 1 mm und 0,25 mm beträgt. Auf jedem der Siebe gewinnt man den Ton zurück. Nach dem Trocknen wird der zurückgewonnene Ton gewogen.
Die Ergebnisse sind als Gewichtsprozentsatz des zurückgewonnenen (abgetrennten) Tons auf jedem Sieb, bezogen auf das Ausgangsgewicht des suspendierten Tons, angegeben.

Test 1: Vergleich verschiedener Formulierungen

In der nachstehenden Tabelle sind die Ergebnisse angegeben, die mit vier Formulierungen erhalten wurden. Im Vergleich zu einer einfachen Standard- Formulierung F1 zeigt der Test eindeutig die guten Ergebnisse, die mit der Formulierung F2 und vor allem mit der Formulierung F3, die H3, H1PAM und HM HEC enthält, erhalten werden.

Formulierungen:

F1: Xanthan (4 g/l), CMC LV (10 g/l), KCl (50 g/l)
F2: Xanthan (4 g/l), H3 (4 g/l), CMC LV (10 g/l), H1PAM (2 g/l), KCl (50 g/l)
F3: Xanthan (4 g/l), H3 (4 g/l), HM HEC (4 g/l), H1PAM (3 g/l), KCl (50 g/l)
F4: Xanthan (4 g/l), CMC LV (10 g/l), H3 (4 g/l), KCl (50 g/l)

Formulierungen F1 F2 F3 F4

% abgetrennte Bohrungs-Bruchstücke einer Teilchengröße d > 1 mm 16 42 84 16
% abgetrennte Bohrungs-Bruchstücke einer Teilchengrößen d (1 mm > d > 0,25 mm) 80 50 10 80
Der Vergleich zwischen den Versuchen 1 und 4 zeigt, daß H3 keinen merklichen Einfluß auf die Beständigkeit der Bohrungs-Bruchstücke hat.
Der Vergleich zwischen den Versuchen 2 und 3 zeigt, daß die Kombination von HM HEC mit H1PAM eine höhere Beständigkeit der Bohrungs- Bruchstücke erlaubt. Dies scheint insbesondere auf die Wechselwirkungen zwischen den beiden Polymeren zurückzuführen zu sein, die auf diese Weise eine bessere Verkapselung der Bohrungs-Bruchstücke erlauben und somit ihre Dispersion vermeiden.

Test 2: Einfluß der Konzentration an hydrophob modifiziertem Polyacrylamid (H1PAM)

In dieser Versuchsreihe wurde der Einfluß der Konzentration an H1PAM untersucht.
Grundformulierung: H3 (4 g/l), Xanthan (2 g/l), HM HEC (4 g/l), KCl (50 g/l)
Zu dieser Grundformulierung wurden verschiedene Konzentrationen H1PAM zugegeben.

Konzentration an H1PAM (g/l) 0 0,5 1 2 3

% abgetrennte Bohrungs-Bruchstücke einer Teilchengrößen d > 1 mm 2 45 55 71 84
% abgetrennte Bohrungs-Bruchstücke einer Teilchengrößen d (1 mm > d > 0,25 mm) 97 50 39 18 10
Es ist klar, daß der Einfluß von H1PAM auf die in diesem Versuchs-Typ erhaltenen guten Ergebnisse stark ist. Die optimale Konzentration an H1PAM scheint unter diesen Bedingungen zwischen 2 und 4 g/l zu liegen.

Test 3: Versuch zur Fragmentierung der Bohrungs-Bruchstücke, durchgeführt mit nachpepreßten Bentonit-Tabletten (100% Wyoming-Montmorillonit): sehr reaktives System

In dieser Versuchsreihe wurden Bohrungs-Bruchstücke verwendet, bestehend aus nachgepreßten Bentonit-Tabletten. Die Zelle, welche die Suspension von Ton + Formulierung enthält, wird 16 h lang in Rotation gehalten. Es wird keine Kugel in die Zelle eingeführt. Der verwendete Ton ist ein Wyoming- Montmorrilonit mit der Zusammensetzung 70% Na, 30% Ca. Die Ausgangs- Tabletten haben eine zylindrische Form (Höhe = 5 mm, Durchmesser = 5 mm), hergestellt durch Pressen von Ton in einer Presse mit 4 bis 5 t/cm². Sie haben danach eine Aktivität in Wasser von etwa 0,5. Die Ergebnisse sind angegeben in Gewichtsprozent abgetrennte Bohrungs-Bruchstücke mit einer Teilchengröße von über 3,15 mm.
Grundformulierung: Xanthan (2 g/l), KCl (50 g/l)
Zu dieser Grundformulierung werden die verschiedenen Agentien zugegeben, wie sie in der folgenden Tabelle angegeben sind.

Zu der Grumdformulierung % abgetrennte

zugegeben Produkte Bohrungs-Bruchstücke (d > 3,15 mm)

nichts 0
CMC LV (10 g/l) + H3 (4 g/l) 3
Glycol (40 g/l) 2
PHPA (2 g/l) 17
H1PAM (2 g/l) + H3 (4 g/l) 18
HM HEC (4 g/l) + H3 (4 g/l) 4
H1PAM (2 g/l) 17
CMC LV ist ein von der Firma Aqualon hergestelltes Produkt PHPA ist ein von der Firma SNF Floerger hergestelltes teilweise hydrolysiertes Polyacrylamid
Diese Ergebnisse bestätigen, daß selbst bei einem sehr reaktiven System das Verhalten einer H1PAM enthaltenden Flüssigkeit gut ist.

Versuch 3: Verunreinigung durch Feststoffe

In diesen Versuchen wird das Verhalten der erfindungsgemäßen Flüssigkeit in Gegenwart von nicht vorhydratisiertem Bentonit bewertet. In ihnen wird die Entwicklung der Viskosität (mPa.s) der Flüssigkeit für verschiedene Scherungsgradienten (s&supmin;¹) und verschiedene Gehalte an Bentonit (g/l) gemessen. Diese Messungen werden mit einem konventionellen Viskosimeter vom FANN- Typ durchgeführt.
Die Flüssigkeit enthält: Xanthan (2 g/l), H3 (4 g/l), HM HEC (4 g/l), H1PAM (2 g/l), KCl (5%)
Der folgende Versuch erlaubt den Vergleich mit einer Formulierung einer klassischen Flüssigkeit auf Basis von Wasser, die Xanthan (4 g/l), CMC (10 g/l) und KCl (50 g/l) enthält.
Wenn man die beiden Formulierungen miteinander vergleicht, so stellt man fest, daß die erste Formulierung, die einer der erfindungsgemäßen Varianten entspricht, ein besseres Verhalten bei der Verunreinigung durch Feststoffe aufweist. Insbesondere die Zunahme der Viskosität mit der Zunahme des Pro zentsatzes an verunreinigenden Feststoffen, gemessen bei einem geringen Gradienten der Scherung, ist viel geringer und ergibt ein ebenes (konstantes) Niveau mit der ersten Formulierung im Gegensatz zu der zweiten Formulierung, die einer klassischen Formulierung auf Basis von Wasser entspricht. Dadurch ist es möglich, eine Nachbehandlung (Wiederaufarbeitung) der Flüssigkeit an der Oberfläche, insbesondere die Verdünnung, zu vermeiden oder mindestens zu beschränken. Die Betriebskosten können auf diese Weise herabgesetzt werden.

Versuch 4: Kontrolle des Filtrat

Test 1: Vergleich mit Formulierungen, die klassische Filtrat-Reduktionsmittel (CMC LV und HEC) enthalten

Die Grundflüssigkeit enthält Xanthan (4 g/l), H3 (4 g/l), KCl (5%) und ein Filtrat-Reduktionsmittel: CMC LV, HEC oder HM HEC.
Die Viskosität VP ist in mPa·s angegeben, die Schwellenwerts-Belastung YV (Yield Value) ist in üblichen Einheiten in lb/100 ft² angegeben, die YV-Ergebnisse sind mit 0,4788 zu multiplizieren, um einen Wert in Pa zu erhalten.
Es ist festzustellen, daß die Verwendung von HM HEC die starke Reduktion des Filtrats in den Formulierungen ohne Feststoffe erlaubt.

Test 2: Einfluß der Konzentration an HM HEC:

Die Grundflüssigkeit enthält Xanthan (2 g/l), H3 (4 g/l), HM HEC (0,2 oder 4 g/l), H1PAM (2 g/l) und Chaillac-Baryt zur Erzeugung einer Dichte von d = 1,2.
Man verläßt nicht den Rahmen der vorliegenden Erfindung, wenn man außer Baryt konventionelle Beschwerungsmittel (Füllstoffe), wie Calciumcarbonat, Pyrit und Galenit, verwendet-
In den Versuchen liegt die Dicke des Filterkuchen unter 1 mm. Die Anwesenheit von HM HEC erlaubt die Reduktion des Filtrats und dies für eine Konzentration zwischen 2 und 4 g/l.
Man stellt fest, daß der Wert für das Filtrat-Volumen besonders klein ist und dies trotz des Fehlens von Ton. Es ist bekannt, daß ein Filterkuchen auf einer verhältnismäßig undurchlässigen Wand aus einem Netz (Gitter) von Tonteilchen und Polymerteilchen besteht. Die hier getestete Formulierung erlaubt nun unter den angegebenen Bedingungen den Aufbau eines solchen Netzes (Gitters) und dies in Abwesenheit von Ton. Die hydrophoben Polymer/Polymer-Wechselwirkungen erlauben die Entstehung eines solchen Netzes (Gitters) und dies in Abwesenheit von Ton.

Test 3: Einfluß der Anwesenheit von H1PAM

Die Flüssigkeit enthält Xanthan (2 g/l), H3 (4 g/l), HM HEC (2 g/l), HM PAM (0 und 2 g/l) und Chaillac-Baryt zur Erzielung einer Dichte von d = 1,2.
Bei den beiden Versuchen liegt die Dicke des Filterkuchens unter 1 mm.
Man stellt fest, daß die Kombination von HM HEC mit HM PAM die Erzielung einer besseren Kontrolle der Reduktion des Filtrats erlaubt.

Versuch 5: Einfluß der Konzentration eines Viskositäts-Modifizierungsmittels

Die Flüssigkeit enthält Xanthan als Zusatz zur Einstellung der Viskosität, H3 (4 g/l); HM HEC (4 g/l), H1PAM (2 g/l), KCl (5%).
Die Anwesenheit von H1PAM erlaubt die Verminderung der Xanthan-Menge in der Formulierung. Dies ist ein besonderer Vorteil in bezug auf die Kosten für den Schlamm.

Versuch 6: Einfluß des Salzgehaltes

Die Flüssigkeit enthält Xanthan (2 g/l), H3 (4 g/l), HM HEC (2 g/l), H1PAM (2 g/l), KCl (5%) und Chaillac-Baryt zur Erzielung einer Dichte von d = 1,2.
Zusammensetzung des Leitungswassers: Ca 150 ppm Zusammensetzung des künstlich hergestellten Meerwassers: NaCl (26,62 g/l), KCl (0,75 g/l), CaCl&sub2;·2H&sub2;O (1,616 g/l), MgCl&sub2;·6H&sub2;O (5,27 g/l), MgSO&sub4;·7H&sub2;O (7,394 g/l). Die Polymeren werden direkt in dem künstlich hergestellten Meerwasser dispergiert.
(A): destilliertes Wasser + KCl 5%
(B): Leitungswasser + KCl 5%
(C): künstlich hergestelltes Meerwasser
Die Dicke des Filterkuchens liegt in allen Fällen unter 1 mm. Die Filtrat- Reduktion ist gut unabhängig vom Salzgehalt.

Versuch 7: Einfluß des Baryts (d = 1,2, KCl 5%)

Die Flüssigkeit enthält Xanthan (2 g/l), H3 (4 g/l), HM HEC (2 g/l), H1PAM (2 g/l).
Die mittlere Korngröße der für den Test verwendeten Baryte beträgt 20 um für den Chaillac-Baryt, 8 um für den von der Firma IDF im Handel vertriebenen Baryt.
In den beiden Fällen liegt die Dicke des Filterkuchens in der Größenordnung von 0,5 mm.

Versuch 8: Einfluß des Baryt-Gehaltes

Die Grundflüssigkeit enthält Xanthan (2 g/l), H3 (4 g/l), HM HEC (2 g/l), H1PAM (2 g/l). Bei dem verwendeten Baryt handelt es sich um Chaillac-Baryt.
In beiden Fällen liegt die Dicke des Filterkuchen in der Größenordnung von 0,5 mm.
Dieser Test zeigt, daß in Gegenwart einer geringen Menge Feststoff-Teilchen wie Baryt das Filtrat-Volumen sehr klein ist. In gleicher Weise erlaubt die Anwesenheit eines Gehaltes an Bohrungs-Feststoffen, auch wenn er gering ist, die Erzielung eines geringen Filtrat-Volumens.

Versuch 9: Einfluß der Temperatur der Filtration

Die Grundflüssigkeit enthält Xanthan (2 g/l), H3 (4 g/l), HM HEC (2 g/l), H1PAM (2 g/l) und Chaillac-Baryt zur Erzielung einer Dichte von d = 1,2.
Es ist bekannt, daß die meisten Flüssigkeiten auf Polymer-Basis eine Viskosität haben, die mit der Temperatur abnimmt, was eine Zunahme des Filtrationsvolumen mit der Erhöhung der Temperatur, insbesondere bei 50ºC, mit sich bringt. Dagegen zeigt die erfindungsgemäße Formulierung, daß das filtrierte Volumen selbst bei 120ºC akzeptabel bleibt. Es scheint, daß die Zunahme der hydrophoben Wechselwirkungen mit der Erhöhung der Temperatur diesen Effekt herabsetzt.

Versuch 10: Einfluß der Temperatur

Die Flüssigkeit enthält Xanthan (2 g/l), H3 (4 g/l), HM HEC (4 g/l), H1PAM (2 g/l), KCl 5%.
Die Alterung findet unter statischen Bedingungen in einer Zelle vom Baroid- Typ 24 h lang und in Gegenwart von Sauerstoff statt.
Änderung der relativen Viskosität Pr gegenüber der anfänglichen Viskosität ur0, gemessen bei 30ºC:
Man stellt so eine sehr gute Stabilität der bei 120ºC getesteten Formulierung fest. Die beobachtete Abnahme bei höheren Temperaturen ist auf die allgemein bekannte Eigenschaft des Xanthans zurückzuführen, bei hoher Temperatur zu dissoziieren. Der Abbau von Xanthan tritt in der Nähe von 120ºC als Funktion des Salzgehaltes auf.

Claims

1. Flüssigkeit (Fluid), wie sie in einem Bohrloch verwendet wird, das durch mindestens eine permeable geologische Formation gebohrt worden ist, dadurch gekennzeichnet, daß sie in Form einer wäßrigen Lösung enthält eine wirksame Menge

a) eines Polymers, als Hb1 bezeichnet, mit einer Struktur vom Typ (Hb)-(Hy)- mit einer statistischen Verteilung, wie sie erhalten wird bei der radikalischen Polymerisation von ethylenischen Monomeren, die Carboxyl-Funktionen enthalten, insbesondere eines Acrylat/C&sub1;-C&sub3;&sub0;- Alkylacrylat-Copolymers mit der folgenden Formel:

worin bedeuten: x eine Zahl zwischen 0,4 und 0,8, M H oder Na oder K oder irgendein anderes monovalentes Ion und worin die Länge der hydrophoben Einheiten R&sub4; eine C&sub1;-C&sub3;&sub0;-Alkyl- oder Alkylaryl-Kette ist, die ausgewählt wird als Funktion der Molekularmasse des genannten Polymers nach den folgenden Regeln:

- für ein Polymer mit einer Molekularmasse von weniger als etwa 10&sup5; Dalton enthält R&sub4; mindestens zwei Kohlenstoffatome,

- für ein Polymer mit einer Molekularmasse zwischen etwa 10&sup5; und etwa 2,5 · 10&sup6; Dalton enthält R&sub4; mindestens 4 Kohlenstoffatome,

b) eines Polymers, als HM PAM bezeichnet, wie es bei der Polymerisation von hydrophilen Einheiten mit einer hydrophoben Einheit erhalten wird, wobei die hydrophile Einheit umfaßt:

- ein Acrylamid der folgenden Formel:

worin R&sub5; für H oder CH&sub3; und Z&sub1; für CONH&sub2; stehen, und

- gegebenenfalls Acrylsäure-, Acrylat- oder Sulfonat-Co-Monomere der folgenden Formel:

worin R'&sub5; für H oder CH&sub3; und Z&sub2; für COOH oder COO&supmin;, M&spplus; oder

CONHR&sub1;SO&sub3;&supmin;, M&spplus; stehen, wobei R&sub1; H oder einen C&sub1;-C&sub3;&sub0;-Alkyl-, -Aryl- oder - Alkyl-Arylrest bedeutet, und

die hydrophobe Einheit des genannten Polymers HM PAM mindestens eine der folgenden Formen aufweist: N-Alkylacrylamid, Alkylacrylat, N-substituiertes Acrylamid oder ein substituiertes Acrylat, wobei der substituierte Abschnitt ein nicht-ionisches Tensid ist und die genannte hydrophobe Einheit die folgende allgemeine Formel hat:

worin R&sub5; für H oder CH&sub3; und Z&sub3; für COOR&sub7;, COOR&sub2;, CONR&sub1;R&sub2; oder CONR&sub1;R&sub7; stehen, wobei R&sub7; ein nicht-ionisches Tensid, R&sub2; einen C&sub1;-C&sub3;&sub0;-Alkyl-, -Aryl- oder -Alkylaryl-Rest und R&sub1; H oder einen C&sub1;-C&sub3;&sub0;-Alkyl-, -Aryl- oder -Alkyl-Arylrest bedeuten,

c) eines hydrophob modifizierten Cellulose-Derivats und

d) eines Polymers vom Polysaccharid-Typ, das eine steife oder halbsteife Doppel- oder Dreifachhelix-Molekülstruktur aufweist.

2. Flüssigkeit nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in dem Polymer Hb1 x den Wert 0,8 hat und R&sub4; 4 Kohlenstoffatome aufweist und daß das genannte Polymer eine Molekularmasse zwischen 10&sup4; und 5 · 10&sup4; Dalton, vorzugsweise etwa 1,7 · 10&sup4; Dalton, aufweist.

3. Flüssigkeit nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Polymer HM PAM eine Molekularmasse zwischen 10&sup6; und 10&sup7; Dalton und einen Gehalt an hydrophoben Einheiten zwischen 0,5 und 5% aufweist.

4. Flüssigkeit nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Polymer HM PAM, jetzt als H1PAM bezeichnet, worin R&sub5;=CH&sub3;, Z&sub3;=COOR, mit R&sub7;= C&sub9;H&sub1;&sub9;, eine Molekularmasse von etwa 8 · 10&sup6; Dalton und einen Gehalt an hydrophoben Einheiten zwischen 0,5 und 1,5% aufweist.

5. Flüssigkeit nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das genannte Cellulose-Derivat hydrophob modifizierte ethylierte Hydroxyethylcellulose ist.

6. Flüssigkeit nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die modifizierte ethylierte Hydroxycellulose einen hydrophoben Alkylrest mit 4 bis 25 Kohlenstoffatomen, vorzugsweise 8 bis 18 Kohlenstoffatomen, enthält.

7. Flüssigkeit nach einem der Ansprüche 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Molekularmasse der modifizierten ethylierten Hydroxycellulose unter 2000000 Dalton und vorzugsweise zwischen 20 000 und 500 000 Dalton liegt.

8. Flüssigkeit nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Polymer vom Polysaccharid-Typ ausgewählt wird aus der Gruppe, die besteht aus Xanthan und Scleroglucan.

9. Flüssigkeit nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß sie mindestens einen Elektrolyten in Konzentrationen, welche die Sättigung erreichen können, enthält.

10. Flüssigkeit nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß der genannte Elektrolyt ausgewählt wird aus der Gruppe, die besteht aus einem Chlorid, Bromid, Carbonat, Acetat, Formiat, Sulfat, Silicat und Phosphat von Natrium, Kalium, Calcium, Magnesium oder Zink.

11. Flüssigkeit nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß sie 0,5 bis 30 g/l Hb1, eines hydrophob modifizierten Cellulose- Derivats und HM PAM und 0,5 bis 20 g/l Polymer vom Polysaccharid-Typ enthält.

12. Flüssigkeit nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß sie 0,5 bis 10 g/l H3, HM HEC und H1PAM, 1 bis 5 g/l Polymer vom Polysaccharid-Typ, vorzugsweise Xanthan, 5 bis 100 g/l KCl oder NaCl und 0 bis 30 g/l reaktionsfähigen Ton enthält.

13. Verfahren zur Anwendung in einem Bohrloch, das mindestens durch eine geologische Formation mit einer bestimmten Permeabilität (Durchlässigkeit) gebohrt worden ist, wobei das genannte Verfahren mindestens einen der folgenden Arbeitsgänge umfaßt:

Bohren eines Bohrloches, Konditiionieren eines Bohrloches und Behandeln eines Bohrloches,

dadurch gekennzeichnet, daß man eine Flüssigkeit (ein Fluid) nach einem der Ansprüche 1 bis 12 verwendet.

14. Verfahren nach Anspruch 13, bei dem die genannte geologische Formation reaktionsfähige Tone umfaßt, dadurch gekennzeichnet, daß man die Inhibierung der Aufquellung und/oder Dispersion der genannten Tone durch die genannte Flüssigkeit steuert (kontrolliert), indem man die Menge an Polymer Hb1 optimiert.

15. Verfahren nach einem der Ansprüche 13 oder 14, dadurch gekennzeichnet, daß man die Rheologie der genannten Flüssigkeit einstellt, indem man die Menge des Polymers vom Polysaccharid-Typ optimiert.

16. Verfahren nach einem der Ansprüche 13 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß man die Abnahme der Filtration steuert (kontrolliert) durch Optimierung der Menge an hydrophob modifiziertem Cellulose-Derivat.

17. Verfahren nach einem der Ansprüche 13 bis 16, dadurch gekennzeichnet, daß man die Fähigkeit der Flüssigkeit, feste Bruchstücke nicht aufzuspalten (zu fragmentieren), dadurch einstellt (regelt), daß man die Menge an HM PAM in der genannten Flüssigkeit optimiert.

18. Verfahren nach einem der Ansprüche 13 bis 17, dadurch gekennzeichnet, daß die Formulierung der genannten Flüssigkeit keine Zusätze an reaktionsfähigen Tonen umfaßt.

19. Anwendung des Verfahrens nach Anspruch 18 zur Erzeugung eines Bohrlochs mit einem kleinen Durchmesser oder mit einer starken Neigung gegenüber der Vertikalen.