DE2356439B2

DE2356439B2 - Tonfreies bohrfluid

Info

Publication number: DE2356439B2
Application number: DE19732356439
Authority: DE
Inventors: Anmelder Gleich
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1972-11-15
Filing date: 1973-11-12
Publication date: 1977-05-26
Also published as: NL7315528A; NO136845C; NO136845B; GB1448240A; NL160868B; US3872018A; IT997660B; NL160868C; IE38439B1; CA1021552A; FR2206375A1; DE2356439A1; IE38439L

Description

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Die Erfindung bezieht sieh auf tonireic vsfäSrsge Bchrflüssigkeiten, insbesondere auf ein tonfreies Bohrfluid aus Seewasser oder Salzlösung und einem gelösten Erdalkalioxid oder -hydroxid sowie mit einem Zusatz von Stärke zum Verringern von Fluidverlusten beim Bohren.

Beim Bohren von geologischen Formationen werden verschiedene Bohrflüssigkeiten verwendet, die auf Ölbasis oder auf Wasserbasis hergestellt sein können oder auch Öl-Wasseremulsionen bilden. Ein häufig verwendetes Bohrfluid auf Wasserbasis ist Ton-Wasserschiamfn mit einem Gehalt ar Chfoiii-Ligninsülfonaten oder ähnlichen Ligninderivaten in Verbindung mit einem Schwermetall, um die nötigen Fließeigenschäften sicherzustellen. Ein anderes bekanntes Bohrfluid auf Wasserbasis enthält keinen Ton und ist aus Seewasser hergestellt unter Verwendung von Erdalkaliverbindungen, typischerweise Kalzium- oder Magnesiumverbindungen. Derartige Bohrfluide haben den Vorteil, daß sie keine giftigen Schwermetallsalze enthalten und das Problem vermeiden, den Ton in Suspension zu halten. Bohrfluide mit Erdalkaliverbindungen und Seewasser können auch vollständig saureioslich sein durch Wahl eines geeigneten Dichtekorrekturmittels, etwa Eisenoxid.

Ein derartiges Bohrfluid ist beispielsweise in der deutschen Patentschrift 1020585 beschrieben. Die US-Patentschrift 28 56 356 zeigt die Verwendung von Magnesiumhydroxid in Verbindung mit Seewasser und ohne Verwendung von Ton, wobei letzteres jedoch auch vorhanden sein kann.

Um ein derartiges Bohrfluid tonfrei anzusetzen, ist es jedoch erforderlich, Additive zuzugeben, welche Fluidverluste von dem Bohrloch in die Formation verringern, das heißt eine Abwanderung des Wassers in die Formation möglichst gering halten. Bei Verwendung von Bohrflüssigkeiten mit einem Gehalt an Ton bildet der Ton in der Formation einen Filterkuchen an den Wänden des Bohrloches, welcher Fluidverluste gering hält oder unterbindet Bei Bohrflüssigkeiten ohne Ton ist es erforderlich, einen anderen Zusatzstoff zuzugeben, um die Flüssigkeitsverluste in gewünschten Grenzen zu halten.

Es ist seit langem bekannt, daß verschiedene Arten von Stärken bei Bohrflüssigkeiten auf Wasserbasis geeignet sind. Es können auch synthetische polymere Stoffe verwendet werden, etwa Harnstoffharze. Letztere sind jedoch wesentlich teurer.

Stärke ist als Mittel zum Verringern des Fluidveriustes in tonfreien Bohrflüssigkeiten bei gewöhnlichen Temperaturen gut geeignet Es hat sich jedoch herausgestellt, daß Stärken bei höheren Temperaturen, etws bei 120 bis 180⁰C, nicht widerstandsfähig sind und ihre Flüssigkeitssperreigenschaften lann verlieren. Unter diesen Bedingungen ist es also erforderlich, kontinuierlich Stärke zuzusetzen, um Fluidverluste von erheblichem Ausmaß zu vermeiden. Bei Temperaturen am oberen Ende des angegebenen Bereiches und darüber hinaus nehmen die Sperreigenschaften von Stärken schnell ab.

In der Praxis geht die Tendenz dahin, immer tiefer zu bohren, so daß auch höhere Temperaturen in den Bohrlöchern auftreten. Die daraus resultierenden Probleme lassen sich durch Verwendung üblicher Stärken als Fluidabdichtungsmittel in tonfreien, salzwasserhaltigen Bohrflüssigkeiten nicht mehr lösen. Es lassen sich zwar bestimmte Kombinationen von Stärken ansetzen, die eine verhältnismäßig gute Temperaturwiderstandsfähigkeit haben, es ist jedoch erstrebenswert, standardisierte Zusatzmittel für tonfreie Bohrflüssigkeiten zu finden.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein tonfreies Bohrfluid zu schaffen, welches sich bei Temperaturen bis :'<γ·"γ 175 C verwenden läßt bei verhältnismäßig geringen Fluidverlusten und einen Schutz der Stärkebestandteile über ein weites Spektrum von Stärken ergibt

Die Lösung der gestellten Aufgabe ist darin zu sehen, daß dem aus einer wäßrigen Salzlösung, einem darin gelösten F.rdalkalioxid oder -hydroxid und einem Anteil an Stärke bestehenden Bohrfluid ein Polyvinylalkohol zugesetzt ist; typisch .rweise in einer Menge von etwa 0 6 bis 2,9 kg pro Hektoliter. Der Polyvinylalkohol kann der Stärke vor dem Gebrauch zugesetzt werden, so daß ein fertige' Zusatzstoff für Seewasserbohrflüssigkeiten gegeben ist

Bestimmte seewasserhaltige Bohrflüssigkeiten umfasser ein Erdalkalimetalloxid oder -hydroxid, wobei Magnesiumhydroxid beispielsweise geeignet ist, Kalziumhydroxid allein jedoch nicht zufriedenstellend funküunicri. Kaliumoxid und do!c;r.;t;schsr Ätzkalk, eine Mischung aus Kalziumoxid und Magnesiumoxid, läßt sich auch verwenden. Zusätzlich sind Magnesiumsalze vorhanden, etwa Magnesiumchlorid, Magnesiumsulfat und/oder Magnesiumkarbonat in einer Salzlösung, welche typischerweise Kalium- und Magnesiumsalze enthält, die in Süßwasser oder Seewasser aufgelöst sind. Das Magnesiumkarbonat kann als Dolomit oder dolomitischer Kalkstein vorliegen, der sowohl Magnesiumkarbonat als auch Kalziumkarbonat

enthält. Kalziumsulfat, das heißt dips, ist ein weilerer typischer Bestandteil derartiger Bohrflüssigkeiten. Der Salzgehalt ist normalerweise so groß, daß das Aufquellen von Schieferformationen verhindert wir»

Diese tonfreien Bohrflüssigkeiten enthalten also allgemein gesehen Magnesiumoxid und/oder Kalziumoxid oder Magnesiumhydroxid in Verbindung mit einer oder mehreren Verbindungen des Magnesiums, im allgemeinen Magnesiumsulfat, Magnesiumchlorid und/ oder Magnesiumkarbonat in einer Salzlösung. Die Bohrflüssigkeit hat im allgemeinen einen pH-Wert zwischen 8,8 und 9,5, der mit Kalziumhydroxid eingestellt werden kann. Bei manchen Rezepturen ist auch eine Ammoniumverbindung vorgesehen, etwa Ammoniumchlorid, etwa bei dem Bohrschlamm gemäß der US-Patentschrift 2856356. Bei Verwendung von Dolomit als Quelle für Magnesium karbonat ist auch Kalziumkarbonat vorhanden. Ein Zusatz von Stärke dient dabei als Fluidsperrmittel zum Verhindern von Fluidverlusten. Es lassen sich verschiedene ^tärken verwenden, wie weiter unten noch erläutert ist Typische Stärkesorten sind Maisstärke, Kartoffelstärke, Tapiokamehl und dergleichen. Es können weitere Zusatzstoffe zugefügt sein, etwa Dichtekorrekturmittel, Additive, dip ein Arbeiten unter hohem Druck ermöglichen, Er.jchäumungsmittel, Biozide und dergleichen.

Die Erfindung ist im folgenden an mehreren Ausführungsbeispielen ergänzend beschrieben.

Polyvinylalkohol ist ein wasserlösliches Polymer, welches durch Umsteuerung von Polyvinylazetat hergestellt wird. Der Grad der Umesterung kann unterschiedlich sein zum Hersteilen von Polymeren mit verschiedenen Eigenschaften. Polymere, welche bis zu 85 bis 87% umgeestert sind, sind für die Zwecke der Erfindung verwendbar. Es ist jedoch günstiger, vollständig hydroiysierte Polyvinylalkoholpolymere zu verwenden, welche 7u mindestens 96% alkoholisiert sind. Besonders günstig ist superhydrolysierter Polyvinylalkohol, der we<"iifejtens zu 99% alkoholisiert ist.

Diese Polyvinylalkohole scheinen die Stärke in der Bohrflüssigkeit bei hohen Temperaturen zu schützen, wenn auch der genaue Wirkungsmechanismus der Rezeptur nach der Erfindung nicht ganz verständlich ist Es scheint jedoch so, daß ohne Anwesenheit von Stärke der Polyvinylalkohol für sich allein keine guten Fluiddichtungseigenschaften aufweist

Das Molekulargewicht des Polyvinylalkohol spiegelt dessin Viskosität wieder. Vorzugsweise sollten die für die Erfindung verwendeten Polyvinylalkohole eine hohe Viskosität aufweisen, vorzugsweise von 55 bis ca. 65 Centipoise gemessen als 4%ige wäßrige Lösung bei 20 C. Derartige Stoffe haben ein Molekulargewicht im Bereich von mindestens 170000 bis über 200000.

Der Polyvinylalkohol wird bei Bohrflüsiigkeiten nur in geringen Mengen benötigt, die ausreichen, um eine Stabilisierung der Stärke bei hohen Temperaturen zu erreichen. Je nach der Art der verwendeten Stärke und nach den Eigenschaften derselben bei hohen Temperaturen kann der zugesetzt? An^tpil Polyvinylalkohol ■^variieren. Im allgemeinen sind etwa 0,6 bis 2,9 kg pro Hektoliter erforderlich. Bei höheren Konzentrationen tritt ein gurnmiartiges Polymerprodukt auf, wenn man Bohrschlanimproben zur Untersuchung von Fluidvtflusten in einer Filterpresse untersucht. Die Wirkung derartiger Konzentrationen auf das Bohrloch unter üblichen Feldbedingungen ist jedoch noch nicht bekannt Falls zusätzliche Mengen an Stärke zu dem Bohrfluid zugegeben werden müssen, um Fluidverluste auszugleichen, sollten angemessene Mengen an Polyvinylalkohol gleichzeitig zugesetzt werden.

Es wmde auch festgestellt, daß Polyvinylalkohol bei einer großen Anzahl von Stärkesorten verwendbar ist

5 Obgleich Weizenmehl für sich allein als Fluidsperrmittel in tonfreien Bohrflüssigkeiten nicht verwendbar ist, läßt es sich zusammen mit Polyvinylalkohol verwenden, und zwar bis zu Temperaturen von etwa 120 C". Am besten werden Stärken verwendet in Form von

ίο handelsüblicher Maisstärke, Kartoffelstärke, Tapiokamehl oder dergleichen. Es lassen sich auch Mischungen derselben verwenden. Diese Stärken sind typischerweise vorgelatiniert und daher in kaltem Wasser lösl ich. Es gibt eine ganze Anzahl handelsüblicher, vorpräparierter Stärken, die sich für dir Zwecke der Erfindung verwenden lassen.

Bei einer tonfreien Bohrflüssigkeit nach der Erfindung ist die Stärke im allgemeinen in einer Menge von etwa 3 bis 9 kg/hl vorhanden. Es kann jedoch auch weniger Stärke verwendet wsrden, wenn ein größerer Fluidverlust des Bohrschlammes gewünscht wird. Die Stärke wird natürlich in pulverisierter Form verwendet und ist vorzugsweise vermischt mit gekörntem Polyvinylalkohol, bevor sie zu dem Bohrfluid zugegeben wird. Die Verwendung von Polyvinylalkohol ergibt eine Wirksamkeit der Sperrung gegen Fluidverluste bei Temperaturen von etwa 180 C.

Eine weitere Erhöhung der Wärmestabilität des Bohrfluids läßt sich erreichen durch Beimengen von Harnstoff zu dem Polyvinylalkohol vor dem Zugeben desselben zu der Stärke. Gekörnter Harnstoff sollte in Mengen von 1 bis 10 Cewichtsteilen Harnstoff auf 10 Gewichtsteile Polyvinylalkohol verwendet werden. Durch die Zugabe von Harnstoff läßt sich die Wärme-Stabilität der Stärke als Fluiddichtungsmittel bis auf Temperaturen von 195 C" ausdehnen.

Im folgenden sind Ansätze für tonfreie Bohrflüssigkeiten auf der Basis von Ssswasser ausgebe* unter Zusatz von Stärke und Polyvinylalkohol. Die angegebenen Mengen sind in Kilogramm pro Hektoliter Wasser angegeben.

Ansatz A

10.3 kg dolcmitiscner Kalkstein,

1,3 kg Kalziumoxid, Magnesiumoxid oder eine Mischung derselben, z. B. dolomitischer Ätzkalk,
IJ kg Gips,

4,3 kg Magnesiumsulfat (Bittersalz), 4,3 kg Kaliumchlorid.

Ansatz B

13.4 kg Dolomit (dolomitischer Kalkstein), 0,6 kg Gips,

0,6 kg Kalziumoxid, Magnesiumoxid oder eine Mischung derselben, z. B. dolomitischer Ätzkalk,

15.4 kg Magnesiumchlorid,
17,1 kg Magnesiumsulfat (Bittersalz), 4,3 kg Kaliumchlorid,

10,3 kg Natriumchlorid.

Die oben angegebenen Bohrfluidsysteme dienen nur als Beispiele. Es können natürlich auch andere Ansätze verwendet werden unter Verwendung von Mischungen von Erdalkaliverbindungen in Salzlösung. Der Ansatz B enthält eine hohe Konzentration an gelöstem Salz

™ E:
Stärke F:
Stärke G:
Stärke H:
Mischung 1

in der Salzlösung und eignet sich besonders Tür das Stärke D: Bohren in ForrriRi^nen mit hohem Salzgehalt, z. B. Karnallit, Bischofit usw.

Derartige Bohrflüssigkeiten zeichnen sich im allgemeinen aus durch einen Gehalt von 30 bis 70 Gewichtsprozenten Dolomit (vorzugsweise mit einem Gehalt von wenigstens 35 Gewichtsprozenten Magnesiumkarbonat), 20 bis 60 Gewichtsprozenten Magnesiumsulfat, Magnesiumchlorid oder Mischungen derselben, 3 bis 10 Gewichtsprozenten Kalziumoxid, Magnesiumoxid, Magnesiumhydroxid oder Mischungen derselben und einer Salzlösung als BasisflüssigkeiL Bekannte Bohrflüsaigkeiten werden angesetzt unter Verwendung von Magnesiumoxid allein oder in Verbindung mit Ammoniumverbindungen, oder mit Magnesiumoxid oder -hydroxid, mit anderen Magnesiumsalzen, etwa Magnesiumsulfat oder Magnesiumchlorid. Weitere Zusatzstoffe sind bereits ^ben angegeben. Zum Beispiel lassen eich zum Schu»·* >ier Stärke in der Bohrflüssigkeit Biozide zusetzen, um einen bakteriellen Angriff auf die Stärke zu vermeiden, und weiterhin kann Paraformaldehyd rwendet werden zum Unterbringen einer Fe^;Tibiiwtion.

Im foigu^en sind einige Versuchsergebnisse angegeben unter Verwendung des Ansatzes A in einer Menge von 21 kg/hl in Seewasser. Es wurden verschiedene handelsübliche Stärken untersucht.

eine abgewandelte

anionisch^. Maisstame

ein vorgeüerles Weizenmehl

eine wasserlösliche Maisstärke

ein wasserlösliches Maismehl

eine Kartoffelstärke

eine Mischung aus 60 Gewichtsprozenten

der Stärke F, 20 Gewichtsprozenten der

Stärke A und 20 Gewichtsprozenten der

Stärke H.

Stärke A: eine hochgradige Tapiokastärke
Stärke B: eine kaltwasserlösliche Maisstärke
Stärke C: eine kaltwasserquellfähige Maisstärke

Nach dem Herstellen der bohrflüssigkeit wurden Proben genommen und auf scheinbare Viskosität, Fließviskosität Gelierungsgrad und Fließpunkt untersucht. Die Fließeigenschaften der Proben wurden durch die unterschiedliche Beschaffenheit der Stärke oder durch Zugabe von Polyvinylalkohol nicht ungunstig beeinflußt Jede Probe wurde 17 Stunden lang in einem Umwälzbehälter bei den angegebe.ien Temperaturen gealtert und sodann auf Fluidverlusteigenschaften untersucht durch Verwendung eines Prüfverfahrens für Fluidverluste bei hoher Temperatur und hohem Druck.

Es wurden Polyvinylalkohole mit den folgenden Eigenschaften verwendet:

PV-I: zu 99% _iid mehr hydrolysiert,

höh- Viskosität,
PV-2: zu 99% und mehr hydrolysiert,

mittlere Viskosität

PV-3: zu 98% hydrolysiert, mittlere Viskosität,
PV-4: zu 87% hydrolysiert, hohe Viskosität.

Beispiel Fluidsperrmittel

Alterungs- Fluidverlust temperatur

C in cm³

Temperatur
C

1	1,4 kg/hl Stärke A 4,3 kg/hl Stärke B	121	10,8	121
2	1,4 kg/hl Stärke A 4,3 kg/hl Stärke C	121	12,0	121
3	1,4 kg/hl Stärke A 4,3 kg/hl Stärke D	121	50+	121
4	1,4 kg/hl Stärke A *Λ 1 L^tUl* O^-L^ C τ,,ί 15/111 υ τα ι ινν i_r**	121	38,0	121
5	1,4 kg/hl Stärke A 4,3 kg/hl Stärke F	121	9,4	121
6	1,4 kg/hl Stärke A 4,3 kg/hl Stärke G	121	26,4	121
7	1,4 kg/hl Stärke A 4,3 kg/hl Stärke C 0,9 kg/hl PV-I	121	5,8	121
8	1,4 kg/h! Stärke A 4,3 kg/hl Stärke G 0.9 kg/hl PV-I	!21	7,6	121
9	7,1 kg/hl Mischung I 1,4 kg/hl PV-2	171	27,6	148
10	7,1 kg/hl Misuiunr I 1,4 kg/hl PVl	I 1	M
11	7,1 kg/hl Mischung I 1,4 kg/hl PV 1		nicht Imntr >Γ !	!'IV

Fortsetzung

Beispiel PluidspcrrmiUcl

Allerungs-(empcratur

Fluidverlust

in cnr

Temperatur
C

12	7,1 kg/hl Mischung I 0,3 kg/hl PV-I	(82	•nicht kontrolliert	148
13	7yl kg/hl Mischung I 0,9 kg/hl PV-I	■ 182	20,8	148
14	7,1 kg/hl Mischung I : 1,4 kg/hl PV-I	182	12,4	148
!5	1,4 kg/h! Mischung I 2,9 kg/hl PV-J	171	nicht kontrolliert	148
16	1,4 kg/hl Mischung I 2,9 kg/hl PV4	171	12,0	148
17	5,7 kg/hl Stärke G 1,4 kg/hl PV-I	193	25,6	148
18	5,7 kg/hl Stärke G 1,4 kg/hl PV-I 1,4 kg/hl Hainstoff	193	15,2	148
19	5,7 kg/hl Stärke A 4,3 kg/hl Stärke E 0,9 kg/hl PV-I	121	7,8 43,8	121 148
20	5,7 kg/hl Stärke E 0,9 kg/hl PV-I	121	7,2 53,2	121 148
21	5,7 kg/hl Stärke G 0,9 kg/hl PV-I	12'	6,8 9,8	121 148

Aus diesen Beispielen erkennt man, daß durch richtige Wahl der Stärken verhältnismäßig gute Fluidverlusteigenschaften bei Temperaturen bis zu 120 C erreichbar sind (Beispiel S). Die Mischung I ergibt in der Tat gute Fluidverlusteigenschaften bis Temperaturen von 148 C. Man erkennt jedoch, daß durch Zusatz von Polyvinylalkohol die Temperaturbeständigkeit der Stärken wesentlich verbessert wird. Bei Temperaturen oberhalb von 148 C haben Stärkemischungen keine günstigen Eigenschaften, wenn nicht genügend Polyvinylalkohol anwesend ist (vergleiche Beispiele 12 und 14).

Bei Beispiel 16 entsteht ein gummiartiger Polymerrückstand nach dem Versuch bei hoher Temperatur und hohem Druck. Der bei Beispiel 16 verwendete Anteil an Stärke war jedoch geringer als die Menge des Poiyviny'alkohols, so daß eine höhere Stärkemenge das Auftreten dieses Rückstandes wahrscheinlich verhindern würde. Die Verwendung eines hochviskosen Polyvinylalkohols führt auch bei Verwendung einer großen Anzahl von Stärken zu guten Fluidverlusteigenschaften, wobei insbesondere durch Zugabe von Harnstoff tonfreie Bohrflüssigkeiten herstellbar sind mit geringen Fluidverlusten bis zu Temperaturen von 195 C.

Der Ausdruck tonfreie Bohrflüssigkeit bedeutet, daß beim Ansetzen der Bohrflüssigkeit kein Ton verwendet wird. Natürlich kann es vorkommen, daß Ton aus den durchbohrten Formationen herausgelöst wird. Der herausgelöste Ton kann bis zu 20 Gewichtsprozent der Feststoffe des Bohrschlammes ausmachen, ohne daß dessen richtige Funktion beeinträchtigt wird.

709521/409

Claims

Patentansprüche:

1. Tonfreies Bohrfluid aus einem in einer wäßrigen Salzlösung gelösten Erdalkalioxid oder -hydroxid und Stärke.gekennze ic hn et durch einen Gehalt an einem Polyvinylalkohol.

2. Bohrfluid nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Polyvinylalkohol eine Viskosität von 55 bis etwa 65 cP hat, gemessen als 4%ige wäßrige Lösung bei 20 C.

3. Bohrfluid nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet durch einen Gehalt von 0,57 bis 2,9 kg des Polyvinylalkohol auf ein Hektoliter Flüssigkeit

4. Bohrfluid nach den Ansprüchen 1 bis 3, gekennzeichnet durch einen Gehalt von 1 bis 10 Gewichtsteilen Harnstoff auf 10 Gewichtsteile des Polyvinylalkohols.

5. Bohrfluid nach den Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Polyvinylalkohol zu mindestens 85% alkoholisiert ist

6. Bohrfluid nach den Ansprüchen 1 bis 5, gekennzeichnet durch einen Gehalt von 7 bis 50 Gewichtsprozenten an Additiven zu dem Polyvinylalkohol.

7. Verwendung des Polyvinylalkohole nach den Ansprüchen 1 bis 6 für Bohrfluide mit mindestens einem der Stoffe Kalziumoxid, Magnesiumoxid und Magnesiumhydroxid als Erdalkalibestandteil und mindestens einer zusätzlichen Magnesiumwbindung in Form von Magnesiumchlorid oder Magnesiumkarbonat