EP2932025A1

EP2932025A1 - Vorrichtung und verfahren zur stimulation und reinigung eines flüssigkeitsgefüllten bohrlochs

Info

Publication number: EP2932025A1
Application number: EP13799295.4A
Authority: EP
Inventors: Vladimir Stehle; Konrad Siemer
Original assignee: Wintershall Holding GmbH
Current assignee: Wintershall Dea GmbH
Priority date: 2012-12-13
Filing date: 2013-12-03
Publication date: 2015-10-21
Also published as: RU2015127890A; CA2893313A1; WO2014090633A9; US20150292287A1; WO2014090633A1

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Reinigung eines flüssigkeitsgefüllten Bohrlochs (10) umfassend ein rohrförmiges Behältnis (21), in dessen Innerem sich mindestens eine Brennkammer (30) und mindestens eine Hohlkammer (25) befinden, die in Längsrichtung hintereinander angeordnet sind, wobei die Brennkammer (30) zumindest teilweise mit einem Brennstoff (31) gefüllt ist und einen Zünder (32) aufweist, und wobei das Behältnis (21) mindestenseine Einströmöffnung aufweist, durch die Bohrlochflüssigkeit von außen in das Behältnis (21) strömen kann, wobei die mindestens eine Einströmöffnung mit einer Verschlussvorrichtung (42) versehen ist, die mindestens ein Verschlusselement umfasst, das bei Überschreiten einer vorgegebenen Temperatur seine Festigkeit verliert, sodass sich die Verschlussvorrichtung (42) öffnet. Weiterhin betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Stimulation und Reinigung eines flüssigkeitsgefüllten Bohrlochs unter Verwendung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung.

Description

Vorrichtung und Verfahren zur Stimulation und Reinigung eines flüssigkeitsgefüllten Bohrlochs Beschreibung Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Reinigung eines flüssigkeitsgefüllten Bohrlochs umfassend ein rohrförmiges Behältnis, in dessen Innerem sich mindestens eine Brennkammer und mindestens eine Hohlkammer befinden, die in Längsrichtung hintereinander angeordnet sind, wobei die Brennkammer zumindest teilweise mit einem Brennstoff gefüllt ist und einen Zünder aufweist, und wobei das Behältnis mindestens eine Einströmöffnung auf- weist, durch die Bohrlochflüssigkeit von außen in das Behältnis strömen kann. Weiterhin betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Stimulation und Reinigung eines flüssigkeitsgefüllten Bohrlochs unter Einsatz der erfindungsgemäßen Vorrichtung.

Bei der Förderung von Fluiden wie Erdöl oder Erdgas aus unterirdischen Gesteinsschichten hängt die Produktivität einer Förderanlage in hohem Maße von der Permeabilität der Gesteinsschichten ab, die an das Bohrloch angrenzen. Je durchlässiger diese Gesteinsschichten sind, umso wirtschaftlicher lässt sich eine Lagerstätte betreiben. Sowohl bei der Erschließung als auch während der Förderung aus einer Lagerstätte kann es zu einer Verminderung der Permeabilität und somit zu nachteiligen Effekten kommen.

Bei der Herstellung von Bohrlöchern, sowohl für Produktions- als auch für Injektionsbohrungen, kann es während des Bohr- und Zementierungsprozesses zur Verschlammung der porösen Gesteinsschichten kommen, sodass die Permeabilität sinkt. Außerdem verändert sich im Umfeld der Bohrung der Spannungs-, Druck- und Deformationszustand des Gesteins, was dazu führt, dass sich kreisförmig um das Bohrloch herum im Gestein Zonen mit erhöhter Dichte und niedriger Permeabilität bilden. Während der Betriebsphase der Bohrung lagern sich im Gestein häufig Paraffine, Asphaltene und hochviskose Teere ab, die die Produktivität der Bohrung verringern. Zu den bekanntesten Methoden, einer Verringerung der Permeabilität des Bohrlochbereiches entgegenzuwirken, gehören verschiedene Perforierungstechnologien, Vibrations- und Wärmebehandlung, der Einsatz chemisch aktiver Substanzen und das Swabben. Bei einer Art von Per- forierungstechnologie kommen Gasgeneratoren zum Einsatz, die mit festen Brennstoffen betrieben werden. Sie sind als ummantelte oder nicht ummantelte Sprengladungen ausgeführt und erzeugen nach der Zündung heiße Gase, die einen Druckanstieg im Bohrloch und den angrenzenden Gesteinsschichten zur Folge haben. Üblicherweise werden Gasgeneratoren im Bohrloch in Höhe der Förderhorizonte eingesetzt, um aufgrund des Druckanstiegs neue Perforationen im Gestein hervorzurufen oder bestehende Perforationen zu erweitern. Aus der russischen Patentschrift RU 231 1529 C2 ist ein Verfahren zur Bohrlochstimulation mittels eines Gasgenerators bei der Öl- und Gasförderung bekannt. Die Vorrichtung beinhaltet rohrförmige zylindrische Sprengladungen, Zündungsladungen und ein geophysikalisches Kabel, ein sogenanntes Logging-Kabel, mit Befestigungselementen für die Sprengladungen. Beim Abbrennen der zylindrischen Sprengladungen in dem Bohrloch erfolgen eine thermogaschemische Behandlung und eine Luftdruckbehandlung des Gesteins. Wurde eine Perforierung vorab durchgeführt, werden die Perforationskanäle erweitert und gereinigt, und im Gestein bilden sich Risse. Das Dokument RU 2178065 C1 offenbart einen weiteren Gasgenerator, der in flüssigkeitsgefüllten Bohrlöchern eingesetzt wird. Der Gasgenerator enthält Brennstoffladungen, die beim Ab- brand heißes Gas erzeugen, das in die den Gasgenerator umgebende Bohrlochflüssigkeit entweicht. Die Flüssigkeit wird erhitzt und beginnt zu sieden. Nach Abschluss der thermogasche- mischen Behandlung werden Ventile an dem Gasgenerator geöffnet, sodass Flüssigkeit rasch in sein hohles Inneres strömen kann. Dies bewirkt einen rapiden Druckabfall in der bereits siedenden Flüssigkeit, sodass es zu explosionsartigem Verdampfen der Flüssigkeit kommt.

Dadurch werden neue Öffnungen im Gestein erzeugt und bestehende Öffnungen erweitert.

Das Dokument RU 221 1313 C1 beschreibt ebenfalls einen hohlen Gasgenerator, der dazu vor- gesehen ist, nach einer thermogaschemischen Behandlung der ihn umgebenden Bohrlochflüssigkeit diese in sein hohles Inneres aufzunehmen. Der Innenraum dieses Gasgenerators ist durch Membrane in mehrere Kammern unterteilt. Die Bohrlochflüssigkeit strömt zunächst in eine erste Kammer. Durch den sich aufbauenden Druck wird die Membran zerstört, und die Flüssigkeit strömt in die nächste Kammer. Dadurch wird eine Sequenz an Druckstößen hervor- gerufen, die zur Bildung von neuen und erweiterten Rissen und Öffnungen im Gestein führt.

Obwohl bereits etliche Ansätze zur Bohrlochstimulation bekannt sind, besteht noch Bedarf zur Verbesserung und Effizienzsteigerung bei der Förderung von Erdöl oder Erdgas aus unterirdischen Lagerstätten.

Es stellte sich die Aufgabe, eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Bohrlochstimulation bereitzustellen, mittels derer die Permeabilität des Gesteins um einen Bereich des Bohrlochs zielgerichtet und effizient verbessert werden kann. Dabei sollte die Vorrichtung einfach in der Konstruktion und kostengünstig herzustellen sein.

Diese Aufgabe wird durch den Gegenstand der Erfindung gelöst, wie er in Anspruch 1 wiedergegeben ist. Weitere vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung finden sich in den abhängigen Ansprüchen. Ein weiterer Gegenstand der Erfindung ist in dem Verfahrensanspruch 1 1 und den von diesem abhängigen Ansprüchen angegeben.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Reinigung eines flüssigkeitsgefüllten Bohrlochs umfasst ein rohrförmiges Behältnis, in dessen Innerem sich mindestens eine Brennkammer und mindestens eine Hohlkammer befinden, die in Längsrichtung hintereinander angeordnet sind, wobei die Brennkammer zumindest teilweise mit einem Brennstoff gefüllt ist und einen Zünder auf- weist. Das Behältnis weist mindestens eine Einströmöffnung auf, durch die Bohrlochflüssigkeit von außen in das Behältnis strömen kann. Die mindestens eine Einströmöffnung ist mit einer Verschlussvorrichtung versehen, die mindestens ein Verschlusselement umfasst, das bei Über- schreiten einer vorgegebenen Temperatur seine Festigkeit verliert, sodass sich die Verschlussvorrichtung öffnet.

Das erfindungsgemäße Verfahren zur Stimulation und Reinigung eines flüssigkeitsgefüllten Bohrlochs umfasst die folgenden Schritte:

(a) Einbringen einer erfindungsgemäßen Vorrichtung in das Bohrloch,

(b) Zünden des Brennstoffs in der mindestens einen Brennkammer,

(c) thermisches Öffnen des Verschlusselements der mindestens einen Einströmöffnung, sodass Bohrlochflüssigkeit in die mindestens eine Hohlkammer strömen kann,

(d) abhängig von der konkreten Ausgestaltung der Vorrichtung gegebenenfalls Verschließen der mindestens einen Einströmöffnung, und

(e) Entnahme der Vorrichtung aus dem Bohrloch.

Das Behältnis wird vorzugsweise an einem geophysikalischen Kabel, das auch als„Logging- Kabel" bezeichnet wird, befestigt. Mit dessen Hilfe kann das Behältnis mit bekannten Mitteln wie einer Winde von der Oberfläche der Bohrung in das Bohrloch abgesenkt und wieder daraus entnommen werden.

Bei einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird im Schritt (a) die Vorrichtung derart in dem Bohrloch positioniert, dass sich die Brennkammer in Höhe des Perforationsbereichs des Förderhorizonts befindet. Unter dem Perforationsbereich wird hier und im Folgenden der Bereich eines Förderhorizontes verstanden, in dem Perforationslöcher und Perforationskanäle bereits vorhanden sind. Häufig entspricht die axiale Ausdehnung des Perforationsbereichs der Mächtigkeit der Gesteinsschicht, aus der das Fluid, z.B. Erdöl oder Erdgas, gefördert werden soll.

Weiterhin ist es bevorzugt, wenn vor dem Schritt (c) die Vorrichtung derart in dem Bohrloch positioniert wird, dass sich die mindestens eine Einströmöffnung in Höhe des Perforationsbereichs des Förderhorizonts befindet.

Bei einer weiteren vorteilhaften Ausprägung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird der Schritt (c) erst eingeleitet, nachdem sich die Temperatur der Außenwand der erfindungsgemäßen Vorrichtung im Bereich der mindestens einen Brennkammer auf die Siedetemperatur der Bohrlochflüssigkeit in diesem Bereich abgekühlt hat. Die Zeitspanne zwischen der Zündung des Brennstoffs in der Brennkammer und der Abkühlung der Außenwand unter die Siedetemperatur der Bohrlochflüssigkeit kann bereits vor dem Einsatz der Vorrichtung abgeschätzt werden. Eine exakte Temperaturbestimmung ist nicht erforderlich.

Das rohrförmige Behältnis kann einstückig oder mehrteilig ausgeführt sein. Seine Außenwand ist aus einem Material gefertigt, das den Druck- und Temperaturbelastungen während des Ab- brands des Brennstoffs standhält. Die Wahl des Materials und Gestaltungsparameter wie die Wandstärke hängen unter anderem ab von den Bedingungen in dem für den Einsatz vorgesehenen Bohrloch sowie von den Eigenschaften und der Menge des verwendeten Brennstoffs. Einerseits soll das Behältnis unter den geforderten Einsatzbedingungen stabil sein, andererseits ist ein möglichst guter Wärmeübergang vom Inneren des Behältnisses zu seiner Außenwand angestrebt, um die durch den Abbrand des Brennstoffs erzeugte Energie möglichst effizient nutzen zu können.

In einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist die Außenwand des Behältnisses aus einem Stahl gefertigt, insbesondere aus einem hochfesten, zähen Stahl. Besonders bevorzugt werden als erfindungsgemäße Behältnisse Rohre verwendet, wie sie üblicherweise zur Förderung von Öl oder Gas eingesetzt werden. Derartige Rohre sind meist aus Stahl gefertigt mit einem Innendurchmesser von 8 bis 40 cm und einer Länge von 1 bis 15 m. Ihre Wandstärke beträgt üblicherweise 1 bis 10 mm. Der Durchmesser wird vorteilhaft so gewählt, dass er um 10% bis 30% kleiner ist als der Innendurchmesser des Bohrlochs in dem Bereich, in dem die Vorrichtung zum Einsatz kommt. Bevorzugt weist das Behältnis einen kreisrunden Querschnitt auf. Es sind allerdings auch andere Querschnittsformen durch die Erfindung erfasst, wobei in einem solchen Fall der Außendurchmesser als der größte Abstand zweier Punkte auf der Querschnittsfläche verstanden wird.

Im Inneren des Behältnisses befindet sich mindestens eine Brennkammer, die zumindest teil- weise mit einem Brennstoff gefüllt ist. Der Brennstoff kann in unterschiedlicher Form in der Brennkammer vorliegen, beispielsweise als fester Körper, pastöse Masse oder feinteiliges Schüttgut. Der feste Körper kann z.B. durch Pressung mit oder ohne Bindemittel hergestellt sein. In bevorzugten Ausgestaltungen der Erfindung wird als Brennstoff eine metallothermische Mischung eingesetzt. Als„metallothermische Mischungen" werden hier und im Folgenden Gemische von Metallen mit Metalloxiden bezeichnet, die sich nach Aktivierung der Redox-Reaktion exotherm unter Bildung des ursprünglich im Metalloxid enthaltenen Metalls umsetzen. Je nach eingesetztem Brennstoff können beim Abbrand im Inneren der Brennkammer Temperaturen von weit über 1000°C entstehen. Besonders bevorzugt als Brennstoff ist eine Untergruppe der metallothermischen Gemische, bei denen Aluminium als Reaktionspartner der Metalloxide verwendet wird. Derartige Gemische werden im Folgenden als„aluminothermisch" bezeichnet. Insbesondere sind Gemische bevorzugt, die Aluminium als Reduktionsmittel sowie CuO, FeO, Fe203, Fe30₄, ΤΊΟ2, O2O3 und/oder S1O2 als Oxidationsmittel umfassen. Derartige alumi- nothermische Mischungen sind im Vergleich zu anderen metallothermischen Mischungen kostengünstig und decken einen breiten Einsatzbereich ab im Hinblick auf die Zündtemperatur, die beim Abbrand des Brennstoffs sich entwickelnde Maximaltemperatur sowie die Abbrandge- schwindigkeit. Als„Thermit" wird im Folgenden ein Gemisch aus Eisen(lll)-Oxid und Aluminium bezeichnet, das beispielsweise von der Elektro-Thermit GmbH & Co. KG (Halle/Saale) hergestellt wird und dort bezogen werden kann. Der beim Ablauf der Thermitreaktion entstehende Temperaturbereich sowie die freiwerdende Reaktionsenthalpie können durch entsprechende Wahl der Reak- tionspartner sowie gegebenenfalls dem Zusatz von Additiven eingestellt werden. Aus der Patentschrift RU 2291289 C2 sind neben den oben genannten Thermit-Mischungen weitere me- tallothermische Mischungen bekannt wie Nickel(ll)-oxid und Magnesium, Eisen(lll)-oxid und Silizium, Chrom(lll)-oxid und Magnesium, Molybdän(VI)-oxid und Silizium und Aluminium, Va- nadium(V)-oxid und Silizium. Beim Abbrand dieser Mischungen können Temperaturen bis zu 2500°C entstehen. Eine weitere Klasse von metallothermischen Mischungen, welche Eisenoxid, Aluminiumpulver, Tonerde und ein Metall-Phosphat-Bindemittel beinhalten, ist aus dem Dokument RU 2062194 C1 bekannt. Diese Mischungen weisen eine vergleichsweise geringe spezifische Wärmeerzeugung und eine Maximaltemperatur beim Abbrand von etwa 1930°C auf.

In der Brennkammer befindet sich zudem mindestens ein Zünder zum Zünden des Brennstoffs. Die Wahl des Zünders hängt von dem eingesetzten Brennstoff ab. So können beispielsweise elektrische Zünder wie Elektrolichtbogenzünder oder Spiralzünder, oder chemische Zünder eingesetzt werden, solange sie eine ausreichende Aktivierungsenergie aufweisen. Als chemische Zünder sind beispielsweise Mischungen geeignet, die bei Temperaturen zündbar sind, die unterhalb der Zündtemperatur des Brennstoffs liegen. Beispiele geeigneter Zünder sind Mischungen aus (Massenanteile in Prozent in Klammern):

- Si0₂ / Mg (55 / 45),

- Mn0₂ / AI-Puder / AI-Pulver / Mg (68 / 7,5 / 7,5 / 17),

- Ba0₂ / Mg (88 / 12).

Diese Gemische werden mit Hilfe von elektrischen Impulsen gezündet, beispielsweise mit den oben genannten elektrischen Zündern. Die Aktivierung der elektrischen Zünder erfolgt bevorzugt über ein leitfähiges Kabel, das entlang des Logging-Kabels oder in dem Logging-Kabel integriert von der Oberfläche der Bohrung bis zu dem elektrischen Zünder geführt ist.

Besonders bevorzugt ist die Längsausdehnung der Brennkammer so gewählt, dass sie der axialen Ausdehnung der Bohrung durch den Perforationsbereich entspricht. Weiterhin befindet sich im Inneren des Behältnisses mindestens eine Hohlkammer, die geeignet ist, Bohrlochflüssigkeit aufzunehmen. Brennkammer und Hohlkammer sind in Längsrichtung hintereinander angeordnet, wobei unter„Längsrichtung" die Richtung der Achse des rohrförmi- gen Behältnisses verstanden wird. Im Folgenden verwendete Begriffe wie„oben",„oberhalb", „unten",„unterhalb" beziehen sich auf die Ausrichtung des Behältnisses in typischen vertikalen Bohrlöchern. Hohlkammer und Brennkammer können direkt aneinander angrenzen, mit einem Trennelement oder ohne Trennelement zwischen ihnen. Es können auch weitere Kammern zwischen der Brennkammer und der Hohlkammer vorgesehen sein. Anhand der Beispiele werden bevorzugte Ausführungsformen untenstehend näher erläutert. Erfindungsgemäß weist das rohrformige Behältnis mindestens eine Einströmöffnung auf, durch die Bohrlochflüssigkeit von außen in das Behältnis strömen kann. Die Einströmöffnung ist mit einer Verschlussvorrichtung versehen, die wiederum mindestens ein Verschlusselement um- fasst. Das Verschlusselement ist hinsichtlich seiner Konstruktion und der Materialauswahl so ausgelegt, dass es bei Überschreitung einer vorgegebenen Temperatur seine Festigkeit verliert, sodass sich die Verschlussvorrichtung öffnet.

In einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung umfasst die Verschlussvorrichtung neben dem Verschlusselement ein weiteres Bauteil, das die Einströmöffnung verschließt, insbesondere einen Stopfen, der sich in der Einströmöffnung befindet. Das Verschlusselement verbindet die Einströmöffnung mit dem weiteren Bauteil. Sobald das Verschlusselement einer Temperatur ausgesetzt ist, die einen vorgegebenen Grenzwert überschreitet, verliert das Verschlusselement seine Festigkeit, und das weitere Bauteil kann sich unter dem Druck der anstehenden Bohrlochflüssigkeit aus der Einströmöffnung heraus bewegen, sodass die Flüssigkeit ins Innere des Behältnisses gelangt. Vorzugsweise handelt es sich bei dieser Ausgestaltung bei dem Verschlusselement um eine Schweißnaht oder eine Verklebung.

In einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung besteht die Verschlussvorrichtung lediglich aus dem Verschlusselement, bevorzugt in Form eines Stopfens, der die Einströmöffnung verschließt, bei Überschreiten eines vorgegebenen Temperaturgrenzwertes seine Festigkeit verliert und infolgedessen die Einströmöffnung freigibt. Ein derartiges Verschlusselement ist vorteilhaft aus einem Kunststoff oder einem Metall gefertigt, und das Material so gewählt, dass sein Schmelzpunkt dem vorgegebenen Temperaturgrenzwert entspricht. Geeignete Materialien sind beispielsweise Kunststoffe mit einer Schmelztemperatur im Bereich von 150°C bis 500°C oder Aluminiumlegierungen mit Schmelztemperaturen im Bereich von 600°C bis 800°C.

Bei Ausführungsformen der Erfindung, bei denen mehrere Einströmöffnungen vorhanden sind, ist jede mit einer Verschlussvorrichtung versehen. Dabei können die Verschlussvorrichtungen auch zusammenhängend ausgeführt sein, beispielsweise in Form einer Auskleidung der Innenwand des Behältnisses, die sich über mehrere Einströmöffnungen erstreckt und aus einem Material gefertigt ist, das bei Überschreiten des vorgegebenen Temperaturgrenzwertes seine Festigkeit verliert. Die Anzahl der Einströmöffnungen beträgt vorzugsweise von 1 bis 10. Die Gesamtquerschnittsfläche aller Einströmöffnungen zusammen ist bevorzugt mindestens so groß wie die Querschnittsfläche des Innenraums der Hohlkammer.

Bei einigen Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Vorrichtung werden Trennelemente verwendet, um benachbarte Kammern voneinander zu trennen. Die Trennelemente erstrecken sich vorzugsweise über den gesamten inneren Querschnitt des Behältnisses und verlaufen im Wesentlichen senkrecht zur Längsachse des Behältnisses. Besonders bevorzugt werden als Trennelemente scheibenförmige oder zylinderförmige Gebilde aus Kunststoff oder Metall verwendet, deren Außendurchmesser geringfügig größer ist als der Innendurchmesser des Behältnisses. Eine Brennkammer kann in diesem Fall beispielsweise dadurch hergestellt werden, dass zunächst Brennstoff in das Behältnis eingefüllt wird und anschließend ein Trennelement in das Behältnis gedrückt wird, sodass die Brennkammer verschlossen ist.

Bei einer Ausgestaltung der Erfindung ist das gesamte Trennelement aus einem Material gefertigt, das beim Überschreiten einer vorgegebenen Temperatur seine Festigkeit verliert. Die Tem- peraturentwicklung beim Abbrand des Brennstoffs führt in diesem Fall dazu, dass das Trennelement als Ganzes seine Festigkeit verliert. In einer weiteren Ausgestaltung sind lediglich die Mittel, mit denen das Trennelement in dem rohrformigen Behältnis befestigt ist, aus einem derartigen Material gefertigt. In diesem Fall verliert beim Abbrand des Brennstoffs lediglich die Be- festigung des Trennelements ihre Festigkeit, sodass das Trennelement frei im Inneren des Behältnisses beweglich ist. Zur Herstellung der Trennelemente bzw. der Mittel für ihre Befestigung für diese Ausführungsform geeignete Materialien sind beispielsweise Kunststoffe mit einer Schmelztemperatur im Bereich von 150°C bis 500°C oder Aluminiumlegierungen mit Schmelztemperaturen im Bereich von 600°C bis 800°C.

In einer bevorzugten Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist das Behältnis als einstückiges Rohr ausgestaltet, bei dem die Kammern durch im Inneren des Rohres über den gesamten Rohrquerschnitt sich erstreckende Trennelemente voneinander getrennt sind. In einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung umfasst das Behältnis zwei oder mehr rohrförmige Behälter, die die Kammern oder Teile der Kammern bilden und deren Stirnseiten über Verbindungselemente verbunden sind. Die Behälter können an ihren Stirnseiten auf unterschiedliche Arten über Verbindungselemente verbunden sein. Eine einfach zu realisierende Art besteht darin, dass die Behälter mittels der Verbindungselemente verschraubt werden, beispielsweise indem die Behälter mit einem Außengewinde versehen sind, auf das ein rohrförmiges Verbindungselement mit Innengewinde geschraubt wird. Eine weitere Möglichkeit der Verbindung ist dadurch gegeben, dass die zu verbindenden Enden der Behälter jeweils mit einem Flansch als Verbindungselement versehen sind, und die Flansche miteinander verbunden werden, z.B. durch Verschraubung. Auch mit Überwurfmuttern oder einem Bajonettverschluss beispielsweise lassen sich Verbindungen zwischen den rohrformigen Behältern leicht herstellen.

Zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Stimulation und Reinigung eines flüssigkeitsgefüllten Bohrlochs wird zunächst eine erfindungsgemäße Vorrichtung in das Bohr- loch eingebracht. Vorzugsweise wird die Vorrichtung dabei derart in dem Bohrloch positioniert, dass sich die Brennkammer in Höhe des Perforationsbereichs des Förderhorizonts befindet. Anschließend wird der Brennstoff in der Brennkammer gezündet. Ausgehend vom Zünder brennt der Brennstoff in der Brennkammer ab, wobei sich eine Reaktionsfront ausbildet, die im Verlauf des Abbrands durch die Brennkammer läuft. In einer bevorzugten Variante des erfin- dungsgemäßen Verfahrens wird das Behältnis kontinuierlich mit einer Geschwindigkeit nach oben gezogen oder nach unten abgelassen, die der Geschwindigkeit der Reaktionsfront in dem in Abbrand befindlichen Segment des Behältnisses entspricht. Aufgrund der Wärmeentwicklung wird die Bohrlochflüssigkeit, die die Vorrichtung im Bereich der im Abbrand befindlichen Brennkammer umgibt, stark erhitzt, vorzugsweise in Temperaturbereiche ihres Siedepunktes. Durch die heiße Flüssigkeit und den entstehenden Dampf wird der angrenzende Perforationsbereich der Bohrung gereinigt. Sobald die Reaktionsfront den Bereich der Brennkammer erreicht, in dem sich das Verschlusselement befindet, verliert das Verschlusselement aufgrund der Temperaturerhöhung in seiner Umgebung seine Festigkeit. Durch dieses thermische Öffnen des Verschlusselements wird die mindestens eine Einströmöffnung des Behältnisses freigegeben, und Bohrlochflüssigkeit strömt ins Innere des Behältnisses, insbesondere in die Hohlkammer. Abschließend wird die Vorrichtung aus dem Bohrloch entnommen. Durch die Anordnung und Ausgestaltung der Einströmöffnungen und gegebenenfalls deren Verschlusselemente ist sichergestellt, dass die ins Innere des Behältnisses aufgenommene Bohrlochflüssigkeit in dem Behältnis eingeschlossen bleibt, während dieses aus dem Bohrloch entnommen wird.

In einer bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung befindet sich die Brennkammer am unteren Ende des rohrförmigen Behältnisses. Die Einströmöffnung mit ihrer Verschlussvorrichtung ist in der unteren Stirnseite des rohrförmigen Behältnisses angeordnet. Die Hohlkammer ist oberhalb der Brennkammer angeordnet, vorzugsweise reicht sie nach oben bis zum oberen Ende des Behältnisses. Bei dieser Ausgestaltung der Vorrichtung ist es vorteilhaft, wenn der Zünder im oder am Brennstoff am oberen Ende der Brennkammer angeordnet ist. Besonders bevorzugt befindet sich der Zünder im oberen Viertel des mit Brennstoff gefüllten Volumens der Brennkammer. Die Hohlkammer kann sich direkt an die Brennkammer anschließen. Bevorzugt ist die Hohlkammer durch ein Trennelement von der Brennkammer getrennt, das aus einem Material gefertigt ist, das beim Abbrand des Brennstoffs seine Festigkeit verliert. In beiden Fällen steht nach dem Abbrand zusätzlich zu der Hohlkammer auch der nicht mit Ab- brandresten gefüllte Teil der Brennkammer zur Aufnahme von Bohrlochflüssigkeit zur Verfügung. Bei einer weiterhin bevorzugten Variante dieser Ausführungsform ist die Einströmöffnung von innen nach außen sich verjüngend ausgestaltet, besonders bevorzugt in Form eines Konus. Die Verschlussvorrichtung umfasst einen in seiner Form an die Einströmöffnung angepassten Stopfen, der mit einer Sicherungsvorrichtung versehen ist, die seine axiale Bewegung von der Einströmöffnung weg begrenzt. Der Stopfen ist mit der Innenseite der Stirnseite durch ein Ver- Schlusselement, insbesondere eine Schweißnaht oder Verklebung, thermisch lösbar verbunden. Der Stopfen ist aus einem Material gefertigt, das den Temperaturen standhält, die beim Abbrand des Brennstoffs herrschen. Lediglich das Verschlusselement verliert beim Abbrand des Brennstoffs seine Festigkeit und gibt den Stopfen frei. In einer besonders bevorzugten Ausgestaltung umfasst die Sicherungsvorrichtung ein Verbindungselement und ein Gewichtelement, das sich außerhalb des Behältnisses befindet. Das Verbindungselement ist mit dem Gewichtelement und dem Stopfen fest verbunden. Das Verbindungselement kann starr oder flexibel sein und ist aus einem Material gefertigt, das den beim Abbrand des Brennstoffs herrschenden Temperaturen standhält. Als starres Verbindungs- element kommt vorzugsweise eine Stange, als flexibles Verbindungselement eine Kette oder ein Seil zum Einsatz. Das Verbindungselement ist bevorzugt aus einem hochfesten Stahl gefertigt. Die radiale Ausdehnung des Gewichtelements ist zumindest in einer Raumrichtung größer als der Durchmesser der Einströmöffnung auf der Außenseite der unteren Stirnseite des Be- hältnisses. Dadurch wird gewährleistet, dass das Gewichtelement nicht ins Innere des Behältnisses gelangen kann.

Zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens gemäß dieser Ausgestaltung wird das rohrförmige Behältnis zunächst in das Bohrloch eingebracht und vorzugsweise derart positioniert, dass sich die Brennkammer in Höhe des Perforationsbereichs des Förderhorizonts befindet. Anschließend wird der Brennstoff in der Brennkammer gezündet. Ausgehend vom Zünder brennt der Brennstoff in der Brennkammer ab, wobei sich eine Reaktionsfront ausbildet, die im Verlauf des Abbrands durch die Brennkammer nach unten läuft. Sofern ein Trennelement zwi- sehen der Brennkammer und der Hohlkammer vorhanden ist, verliert es aufgrund der Temperaturentwicklung beim Abbrand des Brennstoffs seine Festigkeit. Sobald die Reaktionsfront den unteren Bereich der Brennkammer erreicht, in dem sich das Verschlusselement befindet, verliert dieses aufgrund der Temperaturerhöhung in seiner Umgebung seine Festigkeit. Der Stopfen löst sich aus der Einströmöffnung und gibt diese frei, sodass Bohrlochflüssigkeit in die Hohl- kammer einströmen kann. Nach Abschluss des Einströmvorgangs wird das Behältnis nach oben aus dem Bohrloch entnommen. Unter der Wirkung der Schwerkraft sinkt der Stopfen aufgrund seines Eigengewichts wieder in die Einströmöffnung und verschließt diese. Diese Wirkung wird gegebenenfalls verstärkt durch die Gewichtskraft des Gewichtelements, das während der Entnahme des Behältnisses an dem Stopfen nach unten zieht. Die in das Behältnis einge- strömte Bohrlochflüssigkeit ist darin eingeschlossen und kann zur Oberfläche befördert werden. Diese erfindungsgemäße Ausgestaltung eignet sich in besonderer Weise zur Reinigung der Bohrlochsohle.

In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung befindet sich die Brennkammer am unteren Ende des rohrförmigen Behältnisses. Oberhalb der Brennkammer ist die Hohlkammer angeordnet. Wiederum oberhalb der Hohlkammer ist eine Öffnungskammer angeordnet, die von der Hohlkammer durch ein Trennelement getrennt ist. In der Wand der Öffnungskammer befindet sich mindestens eine Einströmöffnung mit ihrer Verschlussvorrichtung. In der Öffnungskammer ist ein weiterer Zünder und weiterer Brennstoff vor- handen, der bei seinem Abbrand eine Temperatur erzeugt, bei der sowohl das mindestens eine Verschlusselement als auch das Trennelement zur Hohlkammer ihre Festigkeit verlieren.

Besonders bevorzugt ist die Brennkammer bei dieser Variante komplett mit Brennstoff gefüllt, und der Zünder ist im oder am Brennstoff am oberen Ende der Brennkammer angebracht. Die Hohlkammer kann sich direkt an die Brennkammer anschließen. Bevorzugt ist die Hohlkammer durch ein Trennelement von der Brennkammer getrennt, das aus einem Material gefertigt ist, das beim Abbrand des Brennstoffs seine Festigkeit verliert. In beiden Fällen steht nach dem Abbrand zusätzlich zu der Hohlkammer auch der nicht von Abbrandresten erfüllte Teil der Brennkammer zur Aufnahme von Bohrlochflüssigkeit zur Verfügung. Besonders bevorzugt ist die Öffnungskammer am oberen Ende des rohrförmigen Behältnisses angebracht und die mindestens eine Einströmöffnung ist am oberen Ende der Öffnungskammer vorgesehen. Ganz besonders bevorzugt sind mehrere Einströmöffnungen vorgesehen. Zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird die erfindungsgemäße Vorrichtung zunächst in das Bohrloch eingebracht und vorzugsweise derart positioniert, dass sich die Brennkammer in Höhe des Perforationsbereichs des Förderhorizonts befindet. Anschließend wird der Brennstoff in der Brennkammer gezündet. Ausgehend vom Zünder brennt der Brenn- stoff in der Brennkammer ab, wobei sich eine Reaktionsfront ausbildet, die im Verlauf des Ab- brands durch die Brennkammer nach unten läuft. Sofern ein Trennelement zwischen der Brennkammer und der Hohlkammer vorhanden ist, verliert es aufgrund der Temperaturentwicklung beim Abbrand des Brennstoffs seine Festigkeit. Nach Abschluss des Abbrands in der Brennkammer wird der weitere Brennstoff mit Hilfe des weiteren Zünders in der Öffnungskam- mer gezündet. Durch den Abbrand wird eine Temperatur erzeugt, bei der sowohl die Verschlusselemente als auch das Trennelement zur Hohlkammer ihre Festigkeit verlieren. Die Einströmöffnungen werden dadurch freigegeben, und Bohrlochflüssigkeit strömt in das Innere des Behältnisses. Bei dieser Ausführungsform ist das Verschließen der Einströmöffnungen nach dem Einströmen der Bohrlochflüssigkeit nicht erforderlich, da sich die Einströmöffnungen am oberen Ende des Behältnisses befinden. Die Bohrlochflüssigkeit ist im Inneren des Behältnisses eingeschlossen und kann mit dem Behältnis nach oben aus dem Bohrloch entnommen werden.

In bevorzugten Ausgestaltungen sind die Zünder der Brennkammer und der Öffnungskammer unabhängig voneinander zündbar. Dies ermöglicht zeitlich versetzte Phasen der Bohrlochstimu- lation durch Abbrand des Brennstoffs in der Brennkammer einerseits und der Reinigung des Bohrlochs durch Einströmen von verschmutzter Bohrlochflüssigkeit andererseits. Die beiden Phasen können flexibel den jeweiligen örtlichen Gegebenheiten angepasst werden. Die an die Bohrlochflüssigkeit abgegebene Wärme während der Abbrennphase führt in aller Regel dazu, dass sich die Bohrlochflüssigkeit über ihren Siedepunkt hinaus erhitzt und zu sieden beginnt. In einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird die thermische Öffnung der Einströmöffnungen erst eingeleitet, nachdem sich die Temperatur der Außenwand der Vorrichtung im Bereich der mindestens einen Brennkammer auf die Siedetemperatur der Bohrlochflüssigkeit in diesem Bereich abgekühlt hat. In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung befindet sich die mindestens eine Einströmöffnung mit ihrem Verschlusselement in einem mittleren Bereich des Behältnisses. Unterhalb der mindestens einen Einströmöffnung ist auf der Außenseite des Behältnisses ein Anschlagelement angeordnet. Am oberen Ende des Behältnisses ist um das Behältnis ein Mantelrohr angeordnet, das mit einem thermisch lösbaren Befestigungsele- ment an der Außenwand des Behältnisses befestigt ist. In Höhe des Befestigungselements befindet sich in dem Behältnis eine obere Brennkammer, die einen weiteren Zünder und weiteren Brennstoff enthält, der bei seinem Abbrand eine Temperatur erzeugt, bei der das Befestigungselement seine Festigkeit verliert. Zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird die erfindungsgemäße Vorrichtung zunächst in das Bohrloch eingebracht und vorzugsweise derart positioniert, dass sich die Brennkammer in Höhe des Perforationsbereichs des Förderhorizonts befindet. Anschließend wird der Brennstoff in der Brennkammer gezündet. Ausgehend vom Zünder brennt der Brenn- stoff in der Brennkammer ab. Nach dem Abbrand des Brennstoffs in der Brennkammer wird das Verschlusselement der mindestens einen Einströmöffnung thermisch geöffnet, sodass Bohrlochflüssigkeit in das Innere des Behältnisses strömt. Da sich die mindestens eine Einströmöffnung im mittleren Bereich des Behältnisses befindet, ist es vorteilhaft, die Einströmöffnung vor der Entnahme der Vorrichtung aus dem Bohrloch zu verschließen. Dies erfolgt dadurch, dass der weitere Brennstoff in der oberen Brennkammer gezündet wird. Durch den Abbrand des weiteren Brennstoffs erwärmt sich die Außenwand des Behältnisses im Bereich der oberen Brennkammer so weit, dass das Befestigungselement an der Außenwand seine Festigkeit verliert. Das Mantelrohr wird frei und gleitet aufgrund der Schwerkraft an der Außenwand des Behält- nisses entlang nach unten bis zum Anschlagelement. Die Länge des Mantelrohres ist so bemessen, dass sämtliche Einströmöffnungen verschlossen sind, wenn das Mantelrohr auf dem Anschlagelement aufsitzt. Da die obere Brennkammer mit eigenem Brennstoff und Zünder ausgestattet ist, kann das Schließen der Einströmöffnungen zeitlich unabhängig von dem Abbrennvorgang und dem Einströmen der Bohrlochflüssigkeit erfolgen. Nach dem Schließen der Ein- Strömöffnungen ist die Bohrlochflüssigkeit im Inneren des Behältnisses eingeschlossen und kann mit dem Behältnis nach oben aus dem Bohrloch entnommen werden.

Das Befestigungselement, das das Mantelrohr an der Außenwand des Behältnisses befestigt, kann außen auf die Außenwand aufgebracht sein, beispielsweise als Verklebung oder Schweiß- Verbindung. In einer weiteren Ausgestaltung handelt es sich bei dem Befestigungselement um mindestens eine Steck- oder Schraubverbindung zwischen dem Mantelrohr und der Wand des Behältnisses, die aus einem Material gefertigt ist, das bei Überschreiten eines vorgegebenen Temperaturgrenzwertes seine Festigkeit verliert, beispielsweise ein Kunststoff. In einer weiteren Ausgestaltung ist ein Stützring in oder an der Außenwand des Behältnisses befestigt, der das Mantelrohr hält. In diesem Fall ist der Stützring aus einem Material gefertigt, das bei Überschreiten eines vorgegebenen Temperaturgrenzwertes seine Festigkeit verliert, beispielsweise ein Kunststoff.

Das Anschlagelement ist fest mit der Außenwand des Behältnisses verbunden, beispielsweise verschraubt, vernietet oder verschweißt. Es ist derart gestaltet, dass es die Kräfte, die beim Aufprall des herabgleitenden Mantelrohres auf es wirken, aufnehmen kann, ohne dass es zu einer Beschädigung des Anschlagelements kommt. Vorzugsweise ist das Anschlagelement aus einem Stahl gefertigt. In einer bevorzugten Ausgestaltung handelt es sich bei dem Anschlagelement um ein Bauteil, das sich in Form eines Kragens von der Außenfläche des Behältnisses radial nach außen erstreckt. Der Kragen kann aus einzelnen Bauteilen bestehen oder als umlaufendes Bauteil gestaltet sein.

Bei einer ersten Variante dieser Ausführungsform sind zwischen der unteren Stirnseite des Behältnisses und der oberen Brennkammer von unten nach oben die Brennkammer und die Hohl- kammer angeordnet, wobei die Brennkammer durch ein Trennelement von der Hohlkammer getrennt ist. Weiterhin sind die mindestens eine Einströmöffnung am oberen Ende der Brennkammer und der Zünder am unteren Ende der Brennkammer angeordnet. Der Brennstoff ist derart ausgewählt, dass er nach Zündung von unten nach oben abbrennt und beim Abbrand des Brennstoffs am oberen Ende der Brennkammer eine Temperatur erzeugt, bei der sowohl das mindestens eine Verschlusselement als auch das Trennelement zur Hohlkammer ihre Festigkeit verlieren. Bei dieser Variante werden die Einströmöffnungen aufgrund des Abbrands des Brennstoffs in der Brennkammer geöffnet, sobald die Reaktionsfront den Bereich der Ein- Strömöffnungen erreicht.

Bei einer zweiten Variante dieser Ausführungsform sind zwischen der unteren Stirnseite des Behältnisses und der oberen Brennkammer von unten nach oben die Brennkammer, eine Trennkammer, eine Öffnungskammer und die Hohlkammer angeordnet. Die Hohlkammer ist nach oben und unten von Trennelementen begrenzt. Die Öffnungskammer ist in Höhe der mindestens einen Einströmöffnung angeordnet und weist einen weiteren Zünder sowie weiteren Brennstoff auf, der bei seinem Abbrand eine Temperatur erzeugt, bei der sowohl das mindestens eine Verschlusselement als auch das Trennelement zur Hohlkammer ihre Festigkeit verlieren. Bei dieser Variante lassen sich der Abbrand des Brennstoffs in der Brennkammer und die Öffnung der Einströmöffnungen zeitlich unabhängig voneinander steuern. Ermöglicht wird dies durch die Trennkammer, die keinen Brennstoff enthält und dadurch eine thermische Entkopplung zwischen dem in Abbrand befindlichen Brennstoff und dem weiteren Brennstoff in der Öffnungskammer gewährleistet. Die Trennkammer kann durch Trennelemente von der Brennkammer und der Öffnungskammer getrennt sein. Bei der Trennkammer kann es sich auch um einen Bereich der Brennkammer handeln, der nicht mit Brennstoff gefüllt ist.

Bei einer dritten Variante dieser Ausführungsform sind zwischen der unteren Stirnseite des Behältnisses und der oberen Brennkammer von unten nach oben die Hohlkammer, die Brennkammer und eine Trennkammer angeordnet. Die Hohlkammer ist durch ein Trennelement von der Brennkammer getrennt. Die mindestens eine Einströmöffnung ist am unteren Ende der Brennkammer angeordnet. Der Brennstoff in der Brennkammer ist derart ausgewählt, dass er beim Abbrand im unteren Ende der Brennkammer eine Temperatur erzeugt, bei der sowohl das mindestens eine Verschlusselement als auch das Trennelement zur Hohlkammer ihre Festigkeit verlieren. Wie in der vorgenannten Variante kann die Trennkammer als separate, mit Trenn- elementen abgetrennte Kammer sein oder als Teil der Brennkammer realisiert sein, der nicht mit Brennstoff gefüllt ist. Bei dieser Variante erfüllt die Trennkammer die Funktion der thermischen Entkopplung der Brennkammer und der oberen Brennkammer.

In einer Fortbildung der Erfindung wird das thermische Öffnen der Einströmöffnungen durch eine Sprengladung bewirkt. Die Sprengladung kann im Brennstoff eingebettet sein und aufgrund der Wärmeentwicklung zünden. In einer bevorzugten Ausführungsform wird die Sprengladung anstelle des Brennstoffs eingesetzt und wird durch einen separaten Zünder gezündet. Diese Gestaltungsvariante ist insbesondere bei Ausführungsformen mit einer separaten Öffnungskammer vorteilhaft. Bei Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Vorrichtung mit einer Sprengladung sind die mindestens eine Einströmöffnung und ihre Verschlussvorrichtung derart gestaltet, dass das Verschlusselement durch den Druck- und Temperaturanstieg nach der Sprengung aus der Einströmöffnung gepresst wird. In einer vorteilhaften Ausgestaltung ist die Einströmöffnung von innen nach außen sich erweiternd ausgestaltet, besonders bevorzugt in Form eines Konus. Gegebenenfalls vorhandene Trennelemente sind so zu gestalten, dass sie aufgrund des Druck- und Temperaturanstieg nach der Sprengung ihre Festigkeit verlieren

Die erfindungsgemäße Vorrichtung kann vorab in Einzelteilen gefertigt und zum Bohrloch trans- portiert werden, beispielsweise einzelne Rohrabschnitte, die mit Brennstoff gefüllt sind oder die Hohlkammer bilden. Vor Ort können die Einzelteile einfach montiert und auf die konkreten Anforderungen angepasst werden, beispielsweise indem je nach Bedarf eine entsprechende Anzahl an Rohrabschnitten miteinander verschraubt werden. Längen einzelner Rohrabschnitte von einem bis drei Metern sind aus fertigungstechnischer Sicht und im Hinblick auf einen einfachen Transport zum Bohrloch bevorzugt. Die Gesamtlänge der Vorrichtung hängt von den jeweiligen Anforderungen ab und kann beispielsweise von zwei bis ca. fünfzig Metern betragen. Die Vorrichtung kann mit bekannten Mitteln wie Winde und Loggingkabel in das Bohrloch eingebracht und wieder daraus entnommen werden. Neben den genannten bevorzugten Ausführungsformen sind von der Erfindung auch weitere Ausgestaltungen erfasst, beispielsweise Kombinationen oder Abwandlungen der dargestellten Ausführungsformen.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung zeichnet sich durch eine einfache Konstruktion aus, die kos- tengünstig herzustellen und leicht anzuwenden ist. Ein Großteil der Bauteile lässt sich mehrfach wiederverwenden. Die Vorrichtung lässt sich auf Vorrat anfertigen, gegebenenfalls in Einzelteilen, und ohne Probleme über längere Zeit lagern. Insbesondere beim Einsatz einer alumino- thermischen Mischung als Brennstoff treten beim Abbrand des Brennstoffs keine potenziell schädlichen Gase aus.

Bei der Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird die Bohrlochflüssigkeit, die die Vorrichtung im Bereich der im Abbrand befindlichen Brennkammer umgibt, stark erhitzt. Die Bohrlochflüssigkeit beginnt zu sieden und verdampft zumindest teilweise. Die heiße Flüssigkeit und der entstehende Dampf dringen in die Perforationskanäle ein und erzeugen Turbulenzen und Druckimpulse im Gestein. Dadurch werden Verkrustungen und/oder hochviskose Ablagerungen aus dem Gestein gelöst und die Perforationskanäle somit gereinigt. Verstärkt wird dieser Effekt, sobald die Einströmöffnungen geöffnet werden und der Druck im Nahbereich um die Einströmöffnungen drastisch sinkt. Die abgelösten Verschmutzungen werden aus den Perforationsöffnungen in die Bohrlochflüssigkeit ausgetragen, in das Innere der erfindungsgemäßen Vorrichtung aufgenommen und aus der Bohrung an die Oberfläche transportiert.

Das erfindungsgemäße Verfahren bewirkt eine zielgerichtete und effiziente Stimulation und Reinigung des Perforationsbereichs des Förderhorizonts. In der Folge können die zu fördernden Fluide wie Erdöl oder Erdgas wieder leichter durch die Perforationskanäle in das Bohrloch strömen und gefördert werden. Anhand der Zeichnungen wird im Folgenden die Erfindung weiter erläutert, wobei die Zeichnungen als Prinzipdarstellungen zu verstehen sind. Sie stellen keine Beschränkung der Erfindung, beispielsweise im Hinblick auf konkrete Abmessungen oder Ausgestaltungsvarianten von Bauteilen dar. Der besseren Darstellbarkeit halber sind sie insbesondere im Hinblick auf Längen- und Breitenverhältnisse in der Regel nicht maßstäblich. Es zeigen:

Fig. 1 : Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Vorrichtung mit einer Einströmöffnung in der unteren Stirnseite des Behältnisses

Fig. 2: Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Vorrichtung mit einer Einströmöffnung am oberen Ende des Behältnisses

Fig. 3: Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Vorrichtung mit einer Einströmöffnung im mittleren Bereich des Behältnisses

Fig. 4: Variante der Ausführungsform mit einer Einströmöffnung im mittleren Bereich des Behältnisses

Fig. 5: Variante der Ausführungsform mit einer Einströmöffnung im mittleren Bereich des Behältnisses

Liste der verwendeten Bezugszeichen

10 . . Bohrloch

1 1 . . Auskleidung

12 . . Perforationsöffnungen

13 . . Perforationskanäle

14 . . Förderhorizont

15 . . Bohrlochsohle

16 . . Bohrlochflüssigkeit

20 . . Logging-Kabel

21 . . rohrförmiges Behältnis

22 . . Rohrsegment

23 . . Segmentverbinder

24 . . Trennelement

25 . . Hohlkammer

26 . . Trennkammer

30 . . Brennkammer

31 . . Brennstoff

32 . . Zünder

33 . . Reaktionsfront

34 . . Rückstand

40 . . Öffnungskammer

41 . . Einströmöffnung

42 . . Verschlussvorrichtung

43 . . Verschlusselement

44 . . Stopfen 45 Sicherungsvorrichtung

46 Gewichtelement

47 Verbindungselement

48 weiterer Brennstoff

49 weiterer Zünder

50 Obere Brennkammer

51 weiterer Brennstoff

52 weiterer Zünder

53 Mantelrohr

54 Befestigungselement

55 Anschlagelement

Die Fig. 1 bis 5 stellen schematische Schnittzeichnungen einer Bohrung in einer unterirdischen Lagerstätte dar. Das Bohrloch 10 ist mit einer Auskleidung 1 1 versehen, beispielsweise einem Stahlrohr. Die Auskleidung 1 1 verhindert, dass an das Bohrloch angrenzendes loses Gestein in das Bohrloch fällt und üblicherweise unter Druck stehende Formationsfluide wie Formationswasser in großen Mengen in das Bohrloch durchbrechen. Die Auskleidung 1 1 weist mehrere Perforationsöffnungen 12 auf. Durch bekannte Verfahren wie Kugelperforation oder Jetperforation wurden Perforationskanäle 13 im Förderhorizont 14 erzeugt. Über die Perforationskanäle 13 strömen zu fördernde Fluide, z.B. Erdgas oder Erdöl, durch die Perforationsöffnungen 12 in das Bohrloch 10 und können an die Oberfläche gefördert werden.

Die Innenwand der Auskleidung 1 1 ist zylindrisch oder stufenweise zylindrisch ausgestaltet mit einem kreisrunden Querschnitt. Bei einer stufenweise zylindrischen Ausgestaltung verringert sich der Durchmesser des kreisrunden Querschnitts stufenweise in axialer Richtung nach unten. Das rohrförmige Behältnis 21 ist über eine Aufhängung mit dem Logging-Kabel 20 verbunden, das über eine Winde an der Oberfläche bewegt werden kann. Letztere ist in den Abbildungen nicht dargestellt, entsprechende Vorrichtungen sind dem Fachmann bekannt. Mit Hilfe der Winde kann das Behältnis 21 in dem Bohrloch 10 in axialer Richtung bewegt werden. Der Au- ßendurchmesser des Behältnisses 21 ist vorzugsweise um 10% bis 30% kleiner ist als der Innendurchmesser der Auskleidung 1 1 im Bereich des Förderhorizonts 14.

Die Fig. 1 a bis 1 d zeigen eine erste bevorzugte Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Reinigung eines flüssigkeitsgefüllten Bohrlochs. An einem Logging-Kabel 20 ist über eine Aufhängung ein rohrförmiges Behältnis 21 befestigt. Das Behältnis 21 ist als mehrteiliges Rohr ausgestaltet, von dem in der Abbildung zwei Rohrsegmente 22 dargestellt sind. Die Rohrsegmente 22 sind über Segmentverbinder 23 miteinander verbunden, beispielsweise durch Flanschverbindungen oder Gewindeverbindungen. Die Rohrsegmente 22 können aus Stahlrohren hergestellt sein, wie sie üblicherweise in der Erdölförderung eingesetzt und als„Tubing" bezeichnet werden, beispielsweise vom Typ H-40, C-75, N-80 oder P-105.

Von der Innenfläche der unteren Stirnseite nach oben erstreckt sich eine Brennkammer 30, die mit einem Brennstoff 31 gefüllt und nach oben durch ein Trennelement 24 abgeschlossen ist. Bei dem Brennstoff handelt es sich bevorzugt um eine aluminothermische Mischung, die die Komponenten AI, FeO, Fe203, Fe30₄ und/oder S1O2 umfasst und als Schüttung oder gepresste Blöcke in der Brennkammer vorliegt. Besonders bevorzugt handelt es sich um eine Ther- mitschüttung oder gepresste Thermitblöcke. Die Menge des Brennstoffs 31 kann von wenigen Kilogramm bis zu mehreren hundert Kilogramm betragen und wird danach festgelegt, wie groß die in die Bohrlochflüssigkeit einzutragende Wärmemenge sein soll. Das Trennelement 24 erstreckt sich über den gesamten Rohrquerschnitt und ist aus einem Material gefertigt, das beim Abbrand des Brennstoffs seine Festigkeit verliert. Geeignete Materialien sind beispielsweise Kunststoffe, Aluminium oder eine Eisenlegierung mit niedrigem Schmelzpunkt. Das Trennele- ment schließt die Brennkammer 30 ab und schützt so den Brennstoff beispielsweise vor Feuchtigkeit. Der Raum oberhalb des Trennelements 24 bis zum oberen Ende des Behältnisses ist nicht mit Brennstoff gefüllt und bildet eine Hohlkammer 25. Am oberen Ende der Brennkammer 30 ist im Brennstoff ein Zünder 32 angeordnet, der geeignet ist, den Brennstoff 31 zu entzünden, beispielsweise ein elektrischer Zünder wie Lichtbogenzünder oder Spiralzünder, oder ein chemischer Zünder. Die Aktivierungs- bzw. Zündtemperatur ist abhängig von der Zusammensetzung des Brennstoffs und kann bei einer aluminothermischen Mischung beispielsweise von 600°C bis 1300°C betragen. Der Zünder kann über eine Leitung gezündet werden, die vom Zünder über das Logging-Kabel 20 bis zur Oberfläche geführt ist. In der unteren Stirnseite des rohrformigen Behältnisses 21 ist eine Einströmöffnung 41 mit ihrer Verschlussvorrichtung 42 angeordnet. Fig. 1 b zeigt eine detailliertere Ansicht des unteren Endes des Behältnisses. In dem dargestellten Beispiel ist die Einströmöffnung 41 als von innen nach außen sich verjüngender Konus gestaltet. Die Verschlussvorrichtung 42 umfasst einen in seiner Form an die Einströmöffnung angepassten Stopfen 44, der mit einer Sicherungsvorrich- tung 45 versehen ist, die seine axiale Bewegung von der Einströmöffnung weg begrenzt. Die Sicherungsvorrichtung 45 umfasst ein Gewichtelement 46, das sich außerhalb des rohrformigen Behältnisses 21 befindet und über ein Stahlseil als flexibles Verbindungselement 47 fest mit dem Stopfen verbunden ist. Das Gewichtelement besteht in diesem Beispiel aus einem kegel- stumpfförmigen Grundkörper, an dem radial nach außen abstehend, gleichmäßig über den Um- fang verteilt drei Stangen angebracht sind. Die Länge der Stangen ist so bemessen, dass der Durchmesser des Umkreises um die Stangenenden größer ist als der äußere Durchmesser der Einströmöffnung 41 .

Das Gewichtelement 46 kann auch anderweitig gestaltet sein, beispielsweise mit einem kugel- förmigen oder scheibenförmigen Grundkörper mit oder ohne seitliche Vorsprünge. Der Grundkörper kann auch aus Stangen bestehen, die vorzugsweise gekreuzt fest miteinander verbunden sind. Vorzugsweise ist das Gewichtelement aus einem Metall, insbesondere Eisen oder Stahl, gefertigt und hat eine Masse von 20 bis 40 kg. Das flexible Verbindungselement 47, insbesondere Stahlseil, hat vorzugsweise eine Länge von 0,5 m bis 2 m.

Der Stopfen 44 ist mit der Innenseite der Stirnseite durch ein Verschlusselement 43 thermisch lösbar verbunden. Das Verschlusselement 43 ist vorzugsweise als Schweißnaht oder Verklebung ausgeführt. Bezüglich der Festigkeit wird das Verschlusselement 43 derart ausgelegt, dass die Verbindung zwischen der Innenseite der Stirnseite und dem Stopfen 44 zumindest dem hydrostatischen Druck der das Behältnis umgebende Bohrlochflüssigkeit standhält, solange der Brennstoff in der Brennkammer nicht gezündet ist. Dabei kann die Gewichtskraft, die die Brennstoffmasse auf den Stopfen 44 ausübt, Berücksichtigung finden. Der Stopfen 44 selbst ist aus einem Material gefertigt, das den Temperaturen standhält, die beim Abbrand des Brennstoffs herrschen.

Zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird das rohrförmige Behältnis 21 zunächst in das Bohrloch eingebracht. Wenn die Säuberung der Bohrlochsohle 15 im Vordergrund steht, wird das Behältnis derart positioniert, dass sich sein unteres Ende von 0,5 m bis 5 m oberhalb der Bohrlochsohle befindet. Das Verbindungselement 47 ist in diesem Fall vorzugsweise so bemessen, dass das Gewichtelement 46 nach der Positionierung des Behältnisses auf der Bohrlochsohle aufliegt. Steht hingegen die Reinigung des Perforationsbereichs des Förderhorizonts 14 im Vordergrund, wird das Behältnis 21 derart positioniert, dass sich die Brenn- kammer 30 in Höhe des Perforationsbereichs des Förderhorizonts 14 befindet. In dem dargestellten Beispiel liegen beide Anforderungen in Kombination vor, die Bohrlochsohle 15 befindet sich knapp unterhalb des Förderhorizonts 14. Das Gewichtelement 46 der Sicherungsvorrichtung 45 liegt auf der Bohrlochsohle 15 auf. Nach der Positionierung des Behältnisses 21 wird der Brennstoff 31 in der Brennkammer 30 gezündet. Ausgehend vom Zünder 32 brennt der Brennstoff in der Brennkammer ab, wobei sich eine Reaktionsfront 33 ausbildet, die im Verlauf des Abbrands durch die Brennkammer nach unten läuft. Während des Abbrands des Brennstoffs im oberen Bereich der Brennkammer 30 werden Temperaturen erreicht, die dazu führen, dass das Trennelement 24 seine Festigkeit verliert, insbesondere thermisch zerstört wird. Aufgrund der Wärmeentwicklung wird die Bohrlochflüssigkeit, die die Vorrichtung im Bereich der im Abbrand befindlichen Brennkammer 30 umgibt, stark erhitzt, sodass sie zumindest teilweise zu sieden beginnt. Die heiße Flüssigkeit und der entstehende Dampf dringen durch die Perforationsöffnungen 12 in die Perforationskanäle 13 ein und erzeugen Druckimpulse in dem Gestein. Dadurch werden Verkrustungen und/oder hochviskose Ablagerungen aus dem Gestein gelöst und die Perforationskanäle somit gereinigt. In der Folge können die zu fördernden Fluide wie Erdöl oder Erdgas wieder leichter durch die Perforationskanäle in das Bohrloch strömen. Durch die angeregten Turbulenzen werden die abgelösten Verschmutzungen aus den Perforationskanälen in das Bohrloch transportiert und befinden sich in der Bohrlochflüssigkeit.

Sobald die Reaktionsfront 33 den unteren Bereich der Brennkammer 30 erreicht, in dem sich das Verschlusselement 43 befindet, verliert auch dieses aufgrund der Temperaturerhöhung in seiner Umgebung seine Festigkeit. Der Stopfen 44 löst sich aus der Einströmöffnung 41 und gibt diese frei, sodass Bohrlochflüssigkeit in die Hohlkammer einströmen kann. Dieser Zustand ist in Fig. 1 c dargestellt. Der Stopfen 44 wird durch die Strömung nach oben gedrückt. Seine axiale Bewegung von der Einströmöffnung weg wird jedoch durch das Verbindungselement 47 begrenzt. Der aus dem Abbrand des Brennstoffs resultierende Rückstand 34 wird mit der Strömung mitgerissen und verteilt sich in dem Innenraum des Behältnisses 21. Zur Aufnahme von Bohrlochflüssigkeit steht das gesamte Volumen der Brennkammer 30 und der Hohlkammer 25 zur Verfügung abzüglich des Volumens, das der Rückstand 34 einnimmt. Mit der Bohrlochflüssigkeit werden aus den Perforationskanälen abgelöste Partikel sowie Sand und Schlamm von der Bohrlochsohle in das Innere des Behältnisses transportiert. Abhängig von den Abmessun- gen des Behältnisses sowie der Druckdifferenz zwischen dem Inneren des Behältnisses und der Bohrlochflüssigkeit kann der Einströmvorgang von einer bis ca. zehn Minuten dauern.

Bei einer erfindungsgemäßen Variante ist die Gesamtlänge des Behältnisses 21 so gewählt, dass das oberste Segment über den Flüssigkeitsspiegel der Bohrlochflüssigkeit hinausragt. In dem flüssigkeitsfreien Teil des Behältnisses ist eine Öffnung vorgesehen, über die das Innere des Behältnisses mit der Umgebungsluft in Verbindung steht, sodass im Inneren des Behältnisses Atmosphärendruck herrscht. Während des Einströmvorgangs kann die im Inneren des Behältnisses befindliche Luft entweichen, wodurch sich die Einströmzeit verkürzt. Bei einer weiteren Variante ist das erfindungsgemäße Behältnis 21 als Steigrohrstrang ausgebildet. Diese Variante wird vorteilhaft eingesetzt, wenn die Flüssigkeitssäule im Bohrloch mehr als 100 Meter hoch ist. In diesem Fall wird weiterhin vorteilhaft knapp oberhalb der Perforationszone des Förderhorizonts 14 eine Packung um das Behältnis 21 eingesetzt, die sich in radialer Richtung von der Behältnisaußenwand bis zur Bohrlochinnenwand erstreckt. Dadurch wird der durch den Abbrand des Brennstoffs in der Brennkammer stimulierte Bereich der Bohrlochflüssigkeit begrenzt, was zu einer intensiveren Stimulation der Perforationskanäle führt.

Bei einer Variante dieser Ausführungsform zur Reinigung der Bohrlochsohle ist die Masse des Gewichtelements 46 so bemessen, dass die Gewichtskraft größer ist als die Strömungskräfte, sodass das das Gewichtelement während des Einströmvorgangs auf der Bohrlochsohle liegen bleibt. Bei einer alternativen Variante ist die Gesamtmasse von Stopfen 44, Verbindungselement 47 und Gewichtelement 46 so gewählt, dass nach dem thermischen Lösen des Verschlusselements 43 der Stopfen und das über das Verbindungselement an ihm befestigte Gewichtelement durch den Druck der angrenzenden Bohrlochflüssigkeit in Richtung des Inneren des Behältnisses 21 gezogen werden. Da die radiale Ausdehnung des Gewichtelements 46 in zumindest einer Raumrichtung größer ist als der Durchmesser der Einströmöffnung 41 auf der Außenseite der unteren Stirnseite des Behältnisses, kann das Gewichtelement nicht ins Innere des Behältnisses gelangen. Dadurch wird die axiale Bewegung des Stopfens von der Einströmöffnung weg begrenzt. In diesem Fall ist das Gewichtelement 46 derart gestaltet, dass es die Einströmöffnung 41 nicht komplett blockiert, sondern die Bohrlochflüssigkeit um das an der Einströmöffnung anliegende Gewichtelement herum in das Behältnis strömen kann.

Nach Abschluss des Einströmvorgangs wird das Behältnis 21 nach oben aus dem Bohrloch entnommen. Unter der Wirkung der Schwerkraft sinkt der Stopfen 44 aufgrund seines Eigenge- wichts wieder in die Einströmöffnung 41 und verschließt diese. Diese Wirkung wird verstärkt durch die Gewichtskraft des Gewichtelements 46, das während der Entnahme des Behältnisses 21 an dem Stopfen nach unten zieht. Diese Situation ist schematisch in Fig. 1 d dargestellt. Die in das Behältnis 21 eingeströmte Bohrlochflüssigkeit mit den darin enthaltenen Schmutzparti- kein und/oder dem Sand und Schlamm ist darin eingeschlossen und kann zur Oberfläche befördert werden. Dieser Vorgang kann nach Bedarf mehrmals wiederholt werden. Auf diese Weise werden die Perforationskanäle 13 sowie die Bohrlochsohle 15 effektiv gereinigt.

Die Fig. 2a und 2b zeigen eine zweite bevorzugte Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Reinigung eines flüssigkeitsgefüllten Bohrlochs. An einem Logging-Kabel 20 ist über eine Aufhängung ein rohrförmiges Behältnis 21 befestigt, das als mehrteiliges Rohr ausgestaltet ist, von dem in der Abbildung zwei Rohrsegmente 22 dargestellt sind. Die Rohrseg- mente 22 sind über Segmentverbinder miteinander verbunden, beispielsweise durch Flanschverbindungen oder Gewindeverbindungen. Beide Stirnseiten des Behältnisses 21 sind verschlossen und aus einem Material gefertigt, das den beim Abbrand des Brennstoffs entstehenden Temperaturen standhält. Von der Innenfläche der unteren Stirnseite nach oben erstreckt sich eine Brennkammer 30, die mit einem Brennstoff 31 gefüllt und nach oben durch ein Trennelement 24 abgeschlossen ist. Es werden vorzugsweise dieselben Brennstoffe verwendet wie oben bezüglich Fig. 1 beschrieben. Das Trennelement 24 erstreckt sich über den gesamten Rohrquerschnitt und ist aus einem Material gefertigt, das beim Abbrand des Brennstoffs seine Festigkeit verliert. Das Trennele- ment schließt die Brennkammer 30 ab und schützt so den Brennstoff beispielsweise vor Feuchtigkeit. Am oberen Ende der Brennkammer 30 ist im Brennstoff ein Zünder 32 angeordnet, der geeignet ist, den Brennstoff zu entzünden, beispielsweise ein elektrischer Zünder wie Lichtbogenzünder oder Spiralzünder, oder ein chemischer Zünder. Der Zünder kann über eine Leitung gezündet werden, die vom Zünder über das Logging-Kabel 20 bis zur Oberfläche geführt ist. Die Länge der Brennkammer entspricht vorzugsweise der axialen Ausdehnung des Perforationsbereiches des Förderhorizonts 14 und kann mehrere Meter betragen.

Der Raum oberhalb des Trennelements 24 ist nicht mit Brennstoff gefüllt und bildet eine Hohlkammer 25. Deren Länge kann deutlich länger sein als die Länge der Brennkammer und bei- spielsweise von wenigen Metern bis ca. 50 Meter betragen. Die Hohlkammer 25 ist nach oben durch ein weiteres Trennelement 24 verschlossen. Der Raum oberhalb des weiteren Trennelements bis zur oberen Stirnseite des Behältnisses 21 ist mit weiterem Brennstoff 48, insbesondere einer Thermitmischung, und einem weiteren Zünder 49 versehen und bildet die Öffnungskammer 40. Deren Länge kann bis ca. einen Meter betragen. In der Außenwand des Behältnis- ses 21 sind im Bereich der Öffnungskammer 40 mehrere Einströmöffnungen 41 mit ihren Verschlussvorrichtungen 42 angeordnet. In dem dargestellten Beispiel sind die Einströmöffnungen 41 in zwei Reihen übereinander gleichmäßig über den Umfang des Behältnisses verteilt angeordnet. Jede Einströmöffnung 41 ist als von innen nach außen sich verjüngender Konus gestaltet. Die Verschlussvorrichtungen 42 umfassen in diesem Beispiel jeweils lediglich ein Ver- Schlusselement, das als Stopfen in seiner Form an die Einströmöffnung angepasst und aus einem Material gefertigt ist, das beim Abbrand des weiteren Brennstoffs 48 seine Festigkeit verliert. Die Verschlussvorrichtungen können auch analog zur Ausführungsform gemäß Fig. 1 als Stopfen mit zusätzlichem Verschlusselement, das thermisch lösbar mit der Innenseite der Wand der Öffnungskammer und dem Stopfen verbunden ist, gestaltet sein.

Zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird das rohrförmige Behältnis 21 zu- nächst in das Bohrloch eingebracht und derart positioniert, dass sich die Brennkammer 30 in Höhe des Perforationsbereichs des Förderhorizonts 14 befindet. Anschließend wird der Brennstoff 31 in der Brennkammer 30 gezündet. Ausgehend vom Zünder 32 brennt der Brennstoff in der Brennkammer ab, wobei sich eine Reaktionsfront ausbildet, die im Verlauf des Abbrands durch die Brennkammer nach unten läuft. Während des Abbrands des Brennstoffs im oberen Bereich der Brennkammer 30 werden Temperaturen erreicht, die dazu führen, dass das Trennelement 24 zwischen der Brennkammer und der Hohlkammer 25 thermisch zerstört wird. Je nach Einsatzfall kann die Brennstoffmenge von 10 kg bis 300 kg betragen. Bei Verwendung einer Thermitmischung als Brennstoff reagiert diese in wenigen Minuten ab unter Bildung flüssigen Metalls und einer Schlacke als Rückstand. Die in dem Metall und der Schlacke gespeicher- te Wärme wird über einen Zeitraum von einer bis ca. fünf Stunden an die Bohrlochflüssigkeit abgegeben. Aufgrund dieser Wärmeentwicklung wird die Bohrlochflüssigkeit, die die Vorrichtung im Bereich der im Abbrand befindlichen Brennkammer 30 umgibt, stark erhitzt, sodass sie zumindest teilweise zu sieden beginnt. Die heiße Flüssigkeit und der entstehende Dampf dringen durch die Perforationsöffnungen 12 in die Perforationskanäle 13 ein und reinigen diese.

Nach Abschluss des Abbrands in der Brennkammer 30 wird der weitere Brennstoff 48 mit Hilfe des weiteren Zünders 49 in der Öffnungskammer 40 gezündet. In einer bevorzugten Variante wird mit dieser Zündung abgewartet, bis die Außentemperatur des Behältnisses die Siedetemperatur der Bohrlochflüssigkeit wieder unterschreitet. Durch den Abbrand wird eine Temperatur erzeugt, bei der sowohl die Verschlusselemente als auch das Trennelement 24 zur Hohlkammer 25 ihre Festigkeit verlieren. Die Einströmöffnungen 41 werden dadurch freigegeben, und Bohrlochflüssigkeit mit den darin enthaltenen Verschmutzungs- und/oder Sandpartikeln strömt in das Innere des Behältnisses 21 . Neben dem Volumen der Hohlkammer 25 steht auch das nicht mit Rückständen 34 des Abbrands gefüllte Volumen der Brennkammer 30 zur Aufnahme von Bohrlochflüssigkeit zur Verfügung. Fig. 2b zeigt die erfindungsgemäße Vorrichtung nach Abschluss des Einströmvorgangs. Bei dieser Ausführungsform ist das Verschließen der Einströmöffnungen 41 nach dem Einströmen der Bohrlochflüssigkeit nicht erforderlich, da sich die Einströmöffnungen am oberen Ende des Behältnisses 21 befinden. Die Bohrlochflüssigkeit ist im Inneren des Behältnisses eingeschlossen und kann mit dem Behältnis nach oben aus dem Bohrloch entnommen werden.

Durch Anheben oder Absenken des Behältnisses 21 im Bohrloch vor der Öffnung der Einströmöffnungen oder während der Einströmphase kann gezielt beeinflusst werden, aus welchem Bereich des Förderhorizonts 14 die Bohrlochflüssigkeit abgezogen wird. Das erfindungs- gemäße Verfahren ermöglicht eine zielgerichtete und effiziente Stimulation und Reinigung des Perforationsbereichs einer Bohrung. In den Fig. 3a bis 3c ist eine dritte bevorzugte Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Reinigung eines flüssigkeitsgefüllten Bohrlochs dargestellt. An einem Logging- Kabel 20 ist über eine Aufhängung ein rohrförmiges Behältnis 21 befestigt, das als mehrteiliges Rohr ausgestaltet ist, von dem in der Abbildung zwei Rohrsegmente 22 dargestellt sind. Die Rohrsegmente 22 sind über Segmentverbinder miteinander verbunden, beispielsweise durch Flanschverbindungen oder Gewindeverbindungen. Beide Stirnseiten des Behältnisses 21 sind verschlossen und aus einem Material gefertigt, das den beim Abbrand des Brennstoffs entstehenden Temperaturen standhält. Von der Innenfläche der unteren Stirnseite des Behältnisses 21 nach oben erstreckt sich eine Brennkammer 30, die mit einem Brennstoff 31 gefüllt und nach oben durch ein Trennelement 24 abgeschlossen ist. Das Trennelement 24 erstreckt sich über den gesamten Rohrquerschnitt und ist aus einem Material gefertigt, das beim Abbrand des Brennstoffs seine Festigkeit verliert. Das Trennelement 24 schließt die Brennkammer 30 ab und schützt so den Brennstoff beispielsweise vor Feuchtigkeit. Unterhalb des Trennelements befinden sich am oberen Ende der Brennkammer 30 mehrere Einströmöffnungen 41 mit ihren Verschlussvorrichtungen 42. Bezüglich der axialen Ausdehnung des Behältnisses 21 befinden sich die Einströmöffnungen 41 im mittleren Bereich des Behältnisses 21. In dem dargestellten Beispiel sind die Einströmöffnungen 41 in zwei Reihen übereinander gleichmäßig über den Umfang des Behältnisses 21 verteilt angeordnet. Jede Einströmöffnung 41 ist als von innen nach außen sich verjüngender Konus gestaltet. Die Verschlussvorrichtungen 42 umfassen in diesem Beispiel jeweils lediglich ein Verschlusselement, das als Stopfen in seiner Form an die Einströmöffnung angepasst und aus einem Material gefertigt ist, das beim Abbrand des Brennstoffs 31 in diesem Bereich seine Festigkeit verliert. Die Verschlussvorrichtungen 42 können auch analog zur Ausführungsform gemäß Fig. 1 als Stopfen mit zusätzlichem Verschlusselement, das thermisch lösbar mit der Innenseite der Wand des Behältnisses und dem Stopfen verbunden ist, gestaltet sein. Am unteren Ende der Brennkammer 30 ist im Brennstoff ein Zünder 32 angeordnet, der geeignet ist, den Brennstoff zu entzünden, beispielsweise ein elektrischer Zünder wie Lichtbogenzünder oder Spiralzünder, oder ein chemischer Zünder. Der Zünder kann über eine Leitung gezündet werden, die vom Zünder über das Logging-Kabel 20 bis zur Oberfläche geführt ist. Die Länge der Brennkammer entspricht vorzugsweise der axialen Ausdehnung des Perforati- onsbereiches des Förderhorizonts 14 und kann mehrere Meter betragen. Der Brennstoff 31 ist derart ausgewählt, dass er nach Zündung von unten nach oben abbrennt und beim Abbrand am oberen Ende der Brennkammer eine Temperatur erzeugt, bei der sowohl die Verschlusselemente der Verschlussvorrichtungen 42 als auch das Trennelement 24 ihre Festigkeit verlieren. Der Raum oberhalb des Trennelements 24 ist nicht mit Brennstoff gefüllt und bildet eine Hohlkammer 25. Die Hohlkammer ist nach oben durch ein weiteres Trennelement 24 verschlossen. Der Raum oberhalb des weiteren Trennelements bis zur oberen Stirnseite des Behältnisses 21 ist mit weiterem Brennstoff 51 , insbesondere einer Thermitmischung, und einem weiteren Zün- der 52 versehen und bildet die obere Brennkammer 50. Die axiale Ausdehnung der oberen Brennkammer beträgt vorzugsweise von 0,5 m bis 1 m.

Am oberen Ende des Behältnisses 21 ist um das Behältnis ein Mantelrohr 53 angeordnet, das mit einem thermisch lösbaren Befestigungselement 54 an der Außenwand des Behältnisses befestigt ist. Im Inneren des Behältnisses befindet sich in Höhe des Befestigungselements 54 die obere Brennkammer 50. Der Brennstoff 51 in der oberen Brennkammer 50 erzeugt bei seinem Abbrand eine Temperatur, bei der das Befestigungselement seine Festigkeit verliert. In dem dargestellten Beispiel handelt es sich bei dem Befestigungselement 54 um eine Reihe von Punktschweißverbindungen, die das Mantelrohr 53 in seiner axialen Position am oberen Ende des Behältnisses 21 halten. Die Schweißpunkte sind derart ausgeführt, dass sie bei den beim Abbrand des Brennstoffs 51 in der oberen Brennkammer 50 vorherrschenden Temperaturen schmelzen. Unterhalb der Einströmöffnungen 41 ist auf der Außenseite des Behältnisses 21 ein Anschlagelement 55 angeordnet und fest mit dieser verbunden. Das Anschlagelement 55 ist in diesem Beispiel als umlaufender Kragen aus Stahl ausgeführt, der mit der Außenwand des Behältnisses verschweißt ist. Zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird das rohrförmige Behältnis 21 zunächst in das Bohrloch eingebracht und derart positioniert, dass sich die Brennkammer 30 in Höhe des Perforationsbereichs des Förderhorizonts 14 befindet. Anschließend wird der Brennstoff 31 in der Brennkammer 30 gezündet. Ausgehend vom Zünder 32 brennt der Brennstoff in der Brennkammer ab, wobei sich eine Reaktionsfront ausbildet, die im Verlauf des Abbrands durch die Brennkammer von unten nach oben läuft. Während des Abbrands des Brennstoffs im oberen Bereich der Brennkammer 30 werden Temperaturen erreicht, die dazu führen, dass das Trennelement 24 zwischen der Brennkammer und der Hohlkammer 25 thermisch zerstört wird. Je nach Einsatzfall kann die Brennstoffmenge von 10 kg bis 300 kg betragen. Bei Verwendung einer Thermitmischung als Brennstoff reagiert diese in wenigen Minuten ab unter Bildung flüssi- gen Metalls und einer Schlacke als Rückstand. Aufgrund der Wärmeentwicklung durch den Abbrand wird die Bohrlochflüssigkeit, die die Vorrichtung im Bereich der im Abbrand befindlichen Brennkammer 30 umgibt, stark erhitzt, sodass sie zumindest teilweise zu sieden beginnt. Die heiße Flüssigkeit und der entstehende Dampf dringen durch die Perforationsöffnungen 12 in die Perforationskanäle 13 ein und reinigen diese.

Sobald die Reaktionsfront das obere Ende der Brennkammer 30 erreicht, werden die Verschlusselemente der Verschlussvorrichtungen 42 thermisch geöffnet. Die Einströmöffnungen 41 werden dadurch freigegeben, und Bohrlochflüssigkeit mit den darin enthaltenen Verschmut- zungs- und/oder Sandpartikeln strömt in das Innere des Behältnisses 21. Neben dem Volumen der Hohlkammer 25 steht auch das nicht mit Rückständen 34 des Abbrands gefüllte Volumen der Brennkammer 30 zur Aufnahme von Bohrlochflüssigkeit zur Verfügung. Fig. 3b zeigt die erfindungsgemäße Vorrichtung nach Abschluss des Einströmvorgangs. Da sich Einströmöffnungen 41 im mittleren Bereich des Behältnisses 21 befindet, ist es vorteilhaft, die Einströmöffnungen vor der Entnahme der Vorrichtung aus dem Bohrloch zu verschließen. Dies erfolgt dadurch, dass der weitere Brennstoff 51 in der oberen Brennkammer 50 gezündet wird. Durch den Abbrand des weiteren Brennstoffs 51 erwärmt sich die Außenwand des Behältnisses im Bereich der oberen Brennkammer so weit, dass das Befestigungselement 54 an der Außenwand seine Festigkeit verliert. Das Mantelrohr 53 wird frei und gleitet aufgrund der Schwerkraft an der Außenwand des Behältnisses entlang nach unten bis zum Anschlagelement 55. Dieser Zustand ist in Fig. 3c dargestellt. Die Länge des Mantelrohres 53 ist so bemessen, dass sämtliche Einströmöffnungen 41 verschlossen sind, wenn das Mantelrohr auf dem An- schlagelement aufsitzt. Vorzugsweise beträgt die Länge des Mantelrohres das 1 ,5-Fache bis Doppelte der axialen Ausdehnung der Einströmöffnungen auf der Außenseite des Behältnisses, beispielsweise zwei Meter bei einer Ausdehnung der Einströmöffnungen von einem Meter.

Da die obere Brennkammer 50 mit eigenem Brennstoff 51 und Zünder 52 ausgestattet ist, kann das Schließen der Einströmöffnungen zeitlich unabhängig von dem Abbrennvorgang und dem Einströmen der Bohrlochflüssigkeit erfolgen. Nach dem Schließen der Einströmöffnungen ist die Bohrlochflüssigkeit im Inneren des Behältnisses eingeschlossen und kann mit dem Behältnis nach oben aus dem Bohrloch entnommen werden. Durch Anheben oder Absenken des Behältnisses 21 im Bohrloch vor der Öffnung der Einströmöffnungen oder während der Einströmphase kann gezielt beeinflusst werden, aus welchem Bereich des Förderhorizonts 14 die Bohrlochflüssigkeit abgezogen wird. Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht eine zielgerichtete und effiziente Stimulation und Reinigung des Perforationsbereichs einer Bohrung.

Fig. 4 zeigt eine Variante der dritten bevorzugten Ausführungsform, bei der zwischen der unte- ren Stirnseite des Behältnisses 21 und der oberen Brennkammer 50 von unten nach oben die Brennkammer 30, eine Trennkammer 26, eine Öffnungskammer 40 und die Hohlkammer 25 angeordnet sind. Die Hohlkammer 25 ist nach oben und unten von Trennelementen 24 begrenzt. Die Öffnungskammer 40 ist in Höhe der Einströmöffnungen 41 angeordnet und weist einen weiteren Zünder 49 sowie weiteren Brennstoff 48 auf. Die Trennkammer 26 ist in diesem Beispiel durch Trennelemente von der Brennkammer 30 und der Öffnungskammer 40 getrennt. Sie kann auch auf andere Weise realisiert sein, beispielsweise indem ein oberer Abschnitt der Brennkammer nicht mit Brennstoff gefüllt ist.

Unterhalb der unteren Einströmöffnungen 41 ist an der Außenseite des Behältnisses 21 ein Anschlagelement 55 angebracht. Am oberen Ende des Behältnisses 21 ist in Höhe der oberen Brennkammer 50 um das Behältnis ein Mantelrohr 53 angeordnet, das mit einem thermisch lösbaren Befestigungselement 54 an der Außenwand des Behältnisses befestigt ist.

Das Verfahren wird ähnlich durchgeführt wie anhand der Fig. 3a bis 3c beschrieben. Der Unter- schied besteht darin, dass bei der Ausführungsform gemäß Fig. 4 die Phasen des Brennstoffabbrands in der Brennkammer 30 und die Phase des Einströmens von Bohrlochflüssigkeit in das Behältnis 21 zeitlich unabhängig voneinander steuerbar sind. Zunächst wird mit Hilfe des Zünders 32 der Abbrand des Brennstoffs 31 in der Brennkammer gestartet. Dabei wird das Trennelement zur Trennkammer 26 thermisch zerstört. Die Trennkammer ist derart dimensioniert, dass die beim Abbrand des Brennstoffs 31 entstehende Wärme nicht ausreicht, auch das Trennelement zur Öffnungskammer 40 zu zerstören oder den weiteren Brennstoff 48 in der Öffnungskammer zu zünden.

Erst nach Abschluss des Abbrands in der Brennkammer 30 wird der weitere Brennstoff 48 in der Öffnungskammer 40 mit Hilfe des weiteren Zünders 49 gezündet. In einer bevorzugten Variante wird mit dieser Zündung abgewartet, bis die Außentemperatur des Behältnisses die Siedetemperatur der Bohrlochflüssigkeit wieder unterschreitet. Durch den Abbrand wird eine Tem- peratur erzeugt, bei der sowohl die Verschlusselemente der Verschlussvorrichtungen 42 als auch die Trennelemente zur Hohlkammer 25 und zur Trennkammer 26 ihre Festigkeit verlieren. Die Einströmöffnungen 41 werden dadurch freigegeben, und Bohrlochflüssigkeit mit den darin enthaltenen Verschmutzungs- und/oder Sandpartikeln strömt in das Innere des Behältnisses 21. Neben dem Volumen der Hohlkammer 25 steht auch das nicht mit Rückständen 34 des Ab- brands gefüllte Volumen der Brennkammer 30, der Trennkammer 26 sowie der Öffnungskammer 40 zur Aufnahme von Bohrlochflüssigkeit zur Verfügung. Der Verschluss der Einströmöffnungen 41 sowie die Entnahme der Vorrichtung aus dem Bohrloch erfolgt wie anhand der Fig. 3a bis 3b beschrieben. In Fig. 5 ist eine weitere Variante der dritten bevorzugten Ausführungsform dargestellt, bei der zwischen der unteren Stirnseite des Behältnisses 21 und der oberen Brennkammer 50 von unten nach oben die Hohlkammer 25, die Brennkammer 30 und eine Trennkammer 26 angeordnet sind. Die Hohlkammer 25 ist durch ein Trennelement 24 von der Brennkammer 30 getrennt. Am unteren Ende der Brennkammer sind Einströmöffnungen 41 mit ihren Verschlussvorrichtungen 42 angeordnet. Unterhalb der unteren Einströmöffnungen 41 ist an der Außenseite des Behältnisses 21 ein Anschlagelement 55 angebracht. Am oberen Ende des Behältnisses 21 ist in Höhe der oberen Brennkammer 50 um das Behältnis ein Mantelrohr 53 angeordnet, das mit einem thermisch lösbaren Befestigungselement 54 an der Außenwand des Behältnisses befestigt ist. Die Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens entspricht im Wesentlichen der anhand der Fig. 3a bis 3c beschriebenen. Der Unterschied besteht darin, dass der Abbrand des Brennstoffs 31 in der Brennkammer 30 in dem vorliegenden Beispiel von oben nach unten erfolgt.

Bei allen Ausführungsformen mit einem Mantelrohr 53, das zum Verschließen der Einströmöff- nungen 41 vorgesehen ist, muss sichergestellt sein, dass das Mantelrohr ungehindert aus seiner Ausgangslage bis zu dem Anschlagelement 55 gleiten kann. Sofern das rohrförmige Behältnis 21 aus mehreren Rohrsegmenten zusammengesetzt ist, müssen die Segmentverbinder 23 daher entsprechend ausgewählt sein, beispielsweise als Gewindeverbindungen.

Claims

Patentansprüche

1 . Vorrichtung zur Reinigung eines flüssigkeitsgefüllten Bohrlochs (10) umfassend ein rohr- förmiges Behältnis (21 ), in dessen Innerem sich mindestens eine Brennkammer (30) und mindestens eine Hohlkammer (25) befinden, die in Längsrichtung hintereinander angeordnet sind, wobei die Brennkammer (30) zumindest teilweise mit einem Brennstoff (31 ) gefüllt ist und einen Zünder (32) aufweist, und wobei das Behältnis (21 ) mindestens eine Einströmöffnung (41 ) aufweist, durch die Bohrlochflüssigkeit von außen in das Behältnis (21 ) strömen kann, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine Einströmöffnung (41 ) mit einer Verschlussvorrichtung (42) versehen ist, die mindestens ein Verschlusselement (43) umfasst, das bei Überschreiten einer vorgegebenen Temperatur seine Festigkeit verliert, sodass sich die Verschlussvorrichtung (42) öffnet.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1 , wobei sich die Brennkammer (30) am unteren Ende des rohrförmigen Behältnisses (21 ) befindet, und die mindestens eine Einströmöffnung (41 ) mit ihrer Verschlussvorrichtung (42) in der unteren Stirnseite des rohrförmigen Behältnisses (21 ) angeordnet ist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, wobei die Einströmöffnung (41 ) von innen nach außen sich verjüngend ausgestaltet ist, die Verschlussvorrichtung (42) einen in seiner Form an die

Einströmöffnung angepassten Stopfen (44) umfasst, der Stopfen mit einer Sicherungsvorrichtung (45) versehen ist, die seine axiale Bewegung von der Einströmöffnung (41 ) weg begrenzt, und der Stopfen (44) mit der Innenseite der Stirnseite durch das Verschlusselement (43) thermisch lösbar verbunden ist.

4. Vorrichtung nach Anspruch 3, wobei die Sicherungsvorrichtung (45) ein Verbindungselement (47) und ein Gewichtelement (46) umfasst, das sich außerhalb des Behältnisses (21 ) befindet, das Verbindungselement (47) mit dem Gewichtelement (46) und dem Stopfen (44) verbunden ist, und die radiale Ausdehnung des Gewichtelements (46) zumindest in einer Raumrichtung größer ist als der Durchmesser der Einströmöffnung (41 ) auf der

Außenseite der unteren Stirnseite des Behältnisses (21 ).

5. Vorrichtung nach Anspruch 1 , wobei sich die Brennkammer (30) am unteren Ende des rohrförmigen Behältnisses (21 ) befindet, die Hohlkammer (25) oberhalb der Brennkam- mer (30) angeordnet ist, wiederum oberhalb der Hohlkammer (25) eine von dieser durch ein Trennelement (24) getrennte Öffnungskammer (40) angeordnet ist, in deren Wand sich die mindestens eine Einströmöffnung (41 ) mir ihrer Verschlussvorrichtung (42) befindet, und in der Öffnungskammer (40) ein weiterer Zünder (49) und weiterer Brennstoff (48) vorhanden ist, der bei seinem Abbrand eine Temperatur erzeugt, bei der sowohl das mindestens eine Verschlusselement (43) als auch das Trennelement (24) zur Hohlkammer ihre Festigkeit verlieren. Vorrichtung nach Anspruch 1 , wobei sich die mindestens eine Einströmöffnung (41 ) mit ihrem Verschlusselement (43) in einem mittleren Bereich des Behältnisses (21 ) befindet, unterhalb der mindestens einen Einströmöffnung (41 ) auf der Außenseite des Behältnisses (21 ) ein Anschlagelement (55) angeordnet ist, am oberen Ende des Behältnisses (21 ) ein Mantelrohr (53) um das Behältnis angeordnet ist, das mit einem thermisch lösbaren Befestigungselement (54) an der Außenwand des Behältnisses befestigt ist, und sich in Höhe des Befestigungselements (54) in dem Behältnis eine obere Brennkammer (50) befindet, die einen weiteren Zünder (52) und weiteren Brennstoff (51 ) enthält, der bei seinem Abbrand eine Temperatur erzeugt, bei der das Befestigungselement (54) seine Festigkeit verliert.

Vorrichtung nach Anspruch 6, wobei zwischen der unteren Stirnseite des Behältnisses (21 ) und der oberen Brennkammer (50) von unten nach oben die Brennkammer (30) und die Hohlkammer (25) angeordnet sind, wobei die Brennkammer durch ein Trennelement

(24) von der Hohlkammer getrennt ist, weiterhin die mindestens eine Einströmöffnung (41 ) am oberen Ende der Brennkammer (30) und der Zünder (32) am unteren Ende der Brennkammer (30) angeordnet sind, und der Brennstoff (31 ) derart ausgewählt ist, dass er nach Zündung von unten nach oben abbrennt und beim Abbrand des Brennstoffs am oberen Ende der Brennkammer (30) eine Temperatur erzeugt, bei der sowohl das mindestens eine Verschlusselement (43) als auch das Trennelement (24) zur Hohlkammer

(25) ihre Festigkeit verlieren.

Vorrichtung nach Anspruch 6, wobei zwischen der unteren Stirnseite des Behältnisses (21 ) und der oberen Brennkammer (50) von unten nach oben die Brennkammer (30), eine Trennkammer (26), eine Öffnungskammer (40) und die Hohlkammer (25) angeordnet sind, die Hohlkammer (25) nach oben und unten von Trennelementen (24) begrenzt ist, die Öffnungskammer (40) in Höhe der mindestens einen Einströmöffnung (41 ) angeordnet ist und einen weiteren Zünder (49) sowie weiteren Brennstoff (48) aufweist, der bei seinem Abbrand eine Temperatur erzeugt, bei der sowohl das mindestens eine Verschlusselement (43) als auch das Trennelement (24) zur Hohlkammer (25) ihre Festigkeit verlieren.

Vorrichtung nach Anspruch 6, wobei zwischen der unteren Stirnseite des Behältnisses (21 ) und der oberen Brennkammer (50) von unten nach oben die Hohlkammer (25), die Brennkammer (30) und eine Trennkammer (26) angeordnet sind, die Hohlkammer (25) durch ein Trennelement (24) von der Brennkammer (30) getrennt ist, die mindestens eine Einströmöffnung (41 ) am unteren Ende der Brennkammer (30) angeordnet ist, und der Brennstoff (31 ) in der Brennkammer derart ausgewählt ist, dass er beim Abbrand im unteren Ende der Brennkammer (30) eine Temperatur erzeugt, bei der sowohl das mindestens eine Verschlusselement (43) als auch das Trennelement (24) zur Hohlkammer (25) ihre Festigkeit verlieren. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei es sich bei dem Brennstoff (31 ) in der Brennkammer (30) um eine metallothermische Mischung, bevorzugt um eine alumi- nothermische Mischung, insbesondere um eine Mischung mit Aluminium als Reduktionsmittel sowie CuO, FeO, Fe203, Fe30₄, ΤΊΟ2, O2O3 und/oder S1O2 als Oxidationsmittel handelt.

1 1 . Verfahren zur Stimulation und Reinigung eines flüssigkeitsgefüllten Bohrlochs (10) umfassend die Schritte:

(a) Einbringen einer Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 10 in das Bohrloch, (b) Zünden des Brennstoffs (31 ) in der mindestens einen Brennkammer (30),

(c) thermisches Öffnen des Verschlusselements (43) der mindestens einen Einströmöffnung (41 ), sodass Bohrlochflüssigkeit in die mindestens eine Hohlkammer (25) strömen kann,

(d) gegebenenfalls Verschließen der mindestens einen Einströmöffnung (41 ),

(e) Entnahme der Vorrichtung aus dem Bohrloch.

12. Verfahren nach Anspruch 1 1 , wobei im Schritt (a) die Vorrichtung derart in dem Bohrloch positioniert wird, dass sich die Brennkammer (30) in Höhe des Perforationsbereichs des Förderhorizonts (14) befindet.

13. Verfahren nach Anspruch 1 1 oder 12, wobei vor dem Schritt (c) die Vorrichtung derart in dem Bohrloch positioniert wird, dass sich die mindestens eine Einströmöffnung (41 ) in Höhe des Perforationsbereichs des Förderhorizonts (14) befindet. 14. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 1 bis 13, wobei Schritt (c) erst eingeleitet wird, nachdem sich die Temperatur der Außenwand der Vorrichtung im Bereich der mindestens einen Brennkammer (30) auf die Siedetemperatur der Bohrlochflüssigkeit in diesem Bereich abgekühlt hat.