DE2533425A1 - Verfahren zur verminderung der reibung beim stroemen fliessfaehiger medien durch leitungen - Google Patents

Verfahren zur verminderung der reibung beim stroemen fliessfaehiger medien durch leitungen

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DE2533425A1 DE19752533425 DE2533425A DE2533425A1 DE 2533425 A1 DE2533425 A1 DE 2533425A1 DE 19752533425 DE19752533425 DE 19752533425 DE 2533425 A DE2533425 A DE 2533425A DE 2533425 A1 DE2533425 A1 DE 2533425A1
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Description

INA' -t-3^REICHTJ
Patentanwalts:
Dr. Ing. Walter Abltz 6. August 1975
Dr. Dieter F. Morf C-1111
Dr. Hans-A. Brauns
• MQKbM 88, PKozMtutntr. 2·
CALGON CORPORATION
Route 60 - Campbell's Run Road, Robinson Township,
V.St.A.
Verfahren zur Verminderung der Reibung beim Strömen fliessfähiger Medien durch Leitungen
Die Erfindung betrifft die Herabsetzung des Energieverlustes während des Strömens wässriger Fluide oder fliessfähiger Medien durch Rohrleitungen - wie sie auf dem Ölfeld als "Friction Reduction" bekannt geworden ist - , insbesondere die Reibungsherabsetzung beim wässrigen, hydraulischen Aufbrechen unterirdischer Formationen. Das wässrige Aufbrechmedium kann Salzwasser bzw. Sole, frisches Wasser oder Säure sein. Die Erfindung eignet sich jedoch auch auf den Gebieten der Brandbekämpfung, der hydraulischen Regel- und Steuersysteme und bei allen anderen Anwendungszwecken, bei denen der Energieverlust wässriger Fluide bzw. fliessfähiger Medien beim Durchströmen einer Leitung bzw. Umschliessung vermieden werden soll.
Das Fluid bzw. fliessfähige Medium ist nachfolgend auch kurz als Medium bezeichnet.
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K09887/0405
Es ist vertraut, dass beim Sichbewegen wässriger Medien durch Leitungen Reibung erzeugt wird und somit Energie verlorengeht. Dieser Energieverlust ist .an dem Druckabfall erkennbar, den die Bewegung des Mediums über eine gegebene Strecke mit sich bringt, und ist der Geschwindigkeit des Mediums direkt proportional. Entsprechend den vertrauten Gesetzmassigkexten der Strömungslehre bewegt sich ein eine Leitung durchströmendes Fluidmedium in Schichten, die eine tatsächliche Ausrichtung längs der Leitung haben, solange seine kritische Reynold1sehe Zahl nicht überschritten wird. Bei diesen Bedingungen laminarer Strömung ist der Energieverlust minimal. Wenn jedoch die Geschwindigkeit stark erhöht wird, wird die kritische Reynold1 sehe Zahl überschritten und tritt Turbulenz auf. Diese Turbulenz gibt den Übergang von laminarer zu nichtlaminarer Strömung wieder. Darüberhinaus wird Turbulenz durch jegliche Unregelmässigkeiten in der Leitung oder, beim Aufbrechen einer unterirdischen !Formation, durch das Eintreten in die Formation verstärkt. Jegliche Turbulenzzunähme führt zu einer Erhöhung des Energiebetrages, der durch Reibung verlorengeht.
Beim Gewinnen von öl oder Gas aus einer unterirdischen Formation kann die Gewinnung bekanntlich durch hydraulisches Aufbrechen der Formation stark erhöht werden. Beim hydraulischen Aufbrechen wird ein Aufbrechmedium in einer Förderbohrung bei hohen Drücken nach unten gepresst, um die die Bohrung umgebende Gesteinsformation aufzubrechen. Dann wird der Druck entlastet, wodurch das öl oder Gas durch die Brüche in die Bohrung vordringen kann, aus der es dann zur Oberfläche gepumpt wird.
Das hydraulische Aufbrechen erfordert eine hohe Geschwindigkeit, und es ergeben sich extrem hohe Druckabfälle, aus denen hohe Energieverluste resultieren. Man muss beim hydraulischen Aufbrechen genügende Mengen an Aufbrechmedien injizieren, damit in der Bohrung der benötigte Drück aufgebaut wird, um Risse oder Brüche in der unterirdischen Formation herbeizuführen. Oft sind derart hohe Drücke wie 200 bis 700 at (3000 bis 10 000 Po unds/Quadrat zoll), gemessen an der Oberfläche, notwendig.
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Auf Grund der benötigten grossen Mengen an Aufbrechmedium, der notwendigen hohen Geschwindigkeiten und der allgemeinen Unregelmässigkeiten der Formation ist es bei vielen Aufbrecharbeiten auf Grund des Energieverlustes schwierig, zufriedenstellende Ergebnisse zu erzielen. Ein Verfahren zur Herabsetzung dieses reibungsbedingten Verlustes (an Energie) wäre somit hocherwünscht.
Die vorliegende Erfindung zielt primär auf die. Schaffung eines polymeren Additivs ab, das den reibungsbedingten Verlust beim Strömen wässriger Medien herabsetzt, insbesondere unter Anwendung beim hydraulischen Aufbrechen unterirdischer Formationen.
Das üblichste Aufbrechmedium bei Ölfeldarbeiten ist frisches Wasser oder wässrige Sole. Die Solen enthalten gewöhnlich gelöste Salze in Mengen von einigen Teilen je Million Teile bis zu hohen Prozentsätzen, ölfeldsolen enthalten in der Tat manchmal gelöste Feststoffe in Gesamtmengen von bis zu etwa 10 % und mehr. Speziell sind diejenigen gewöhnlichen Sole schwer in Verbindung mit polymeren Additiven anwendbar, in denen Erdalkalisalz in Konzentrationen von mehr als 1000 ppm gelöst ist. Die meisten ölfeldsole enthalten zusätzlich zu 2 % oder mehr an Natriumchlorid und Kaliumchlorid zumindest mehrere hundert Teile Calcium je Million Teile.
Es ist in der Technik der öl- oder Gasförderung aus unterirdischen Formationen weiter vertraut, dass sich die Fluidförderung gelegentlich stimulieren lässt, indem man in die Formation über die Förderbohrung saure Lösungen injiziert. Dies gilt besonders, wenn die Lagerstätte grosse Mengen an Carbonatgestein, wie Kalkstein, Dolomit und dergleichen, aufweist. Die Säure reagiert mit dem im Gestein vorliegenden Carbonat, wodurch in dem Gestein zwischen der Lagerstätte und der Förderbohrung Kanäle entstehen. Hierdurch erhöht sich der effektive Ablaufbereich der Bohrung unter Stimulation der Förderung.
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Die gebräuchlichsten Säure für diesen Zweck ist Salzsäure. Andere Säuren, wie Fluss-, Salpeter-, Ameisen-, Essig- und SuI-fonsäure, haben sich jedoch zur Steigerung der Förderung aus kalkhaltigen Formationen auch als sehr erfolgreich erwiesen. Auch Mischungen von zwei oder mehr verschiedenen Säuren sind eingesetzt worden, insbesondere Mischungen, die Flussäure enthalten. Gewöhnlich werden die Säuren als 1- bis 35gew%ige Lösungen in Wasser eingesetzt. Auf Grund des Mangels .an frischem Wasser und aus wirtschaftlichen Gründen ist aber oft ein Einsatz von ölfeldsole als wässriges Medium anstelle von Wasser notwendig. Das wässrige Medium ist in diesen Fällen eine saure Sole.
Säuern und hydraulisches Aufbrechen werden im allgemeinen durch Verwendung eines sauren Aufbrechmediums bei den Drücken des hydraulischen Aufbrechens zu einer einzigen Behandlung vereinigt. Diese, als Säurebrechen bezeichnete Kombinationsbehandlung der Bohrung stimuliert die Förderung durch Erzielung der Vorteile der chemisch erzeugten Kanäle wie auch der druckerzeugten Hisse. Beim Aufbrechen mit Säure kann das wässrige Medium, wie oben beschrieben, eine Säurelösung oder eine saure Sole sein.
Es hat sich in der ölfeldtechnik zur üblichen Praxis entwiekelt» den Aufbrechmedien reibungsvermindernde Polymere zuzusetzen, um Turbulenz und den nachfolgenden Energieverlust beim Einpressen des Aufbrechmediums von der Oberfläche in die unterirdische Formation zu vermindern. Z. B. wird nach US-PS 3 023- 760 Natriumpolystyrolsulfonat als reibungsverminderndes Mittel eingesetzt, und in US-PS 3 102 548, 3 254 719 und 3 37O 650 ist der Einsatz von Polyacryl.amiden als reibungsvermindernde Mittel beschrieben. Weiter ist in US-PS 3 451 und 3 537 525 die Verwendung von Polymeren als reibungsvermindernde Mittel beschrieben, die Diacetonacrylamid enthalten. Schliesslich beschreibt die US-PS 3 562 226 als reibungsvermindernde Mittel Polymere, die Dialkyldiallylquartärammonium-Gruppen enthalten.
- 4 - .
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Während die meisten der obengenannten reibungsverminderden Mittel eine Wirkung zeigen und einen gewissen Erfolg erbracht haben, leiden viele von ihnen an einem oder mehreren Mangeln. Z. B. neigen einige der Polymeren dazu, in Gegenwart der hochkonzentrierten, gelösten, anorganischen Salze auszufallen. Einige der Polymeren sind bei den in den meisten unterirdischen Formationen zu findenden, erhöhten Temperaturen relativ instabil. Darüberhinaus wird die Viscosität vieler der Polymeren in Gegenwart von Sole oder Säure stark herabgesetzt. Es ist seit Jahren bekannt, dass partiell hydrolysiertes Polyacrylamid beim Lösen in reinem Wasser eine Lösung viel höherer Viscosität als die nichthydrolysierten Polyacrylamide bildet. In Wasser jedoch, das gelöste anorganische Salze und/oder Säuren in hohen Konzentrationen enthält, geht der grösste Teil dieser Viscositatssteigerung verloren. Dieser Viscositätsverlust beeinflusst die reibungsvermindernden Eigenschaften des Polymeren in ernsthafter Weise nachteilig. Auch sind viele dieser Polymeren des Standes der Technik nicht scherbeständig, insbesondere in Gegenwart gelöster anorganischer Salze und/oder Säuren. Auf Grund der extrem hohen Geschwindigkeiten ist es aber wichtig, dass die Polymeren scherbeständig sind. Schliesslich sind viele der Polymeren nicht so wirksam, wie es erwünscht ist, und man bedarf neuer, verbesserter reibungsvermindernder Zusatzmittel. Darüberhinaus ist keine der Verbindungen des Standes der Technik in all den verschiedenen wässrigen Aufbrechsystemen wirksam.
Die vorliegende Erfindung stellt ein verbessertes reibungsverminderndes Mittel zur Verfügung. Sie macht weiter ein reibungsverminderndes Mittel verfügbar, mit dem die Mangel der Verbindungen des Standes der Technik überwunden werden.
Es wurde eine Eeihe polymerer, reibungsvermindernder Mittel gefunden, die eine Verbesserung gegenüber den Verbindungen des Standes der Technik darstellen. Die reibungsvermindernden Mittel geisäss der Erfindung sind in frischem Wasser, Salzwasser bzw. Solen und sauren Aufbrechmedien wirksam. Sie sind darüber-
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hinaus temperaturbeständig und scherbeständig. Sie sind schliesslich in niedrigen Konzentrationen hochwirksam. Mit dieser Kombination von Eigenschaften wird einem langzeiti gen Wunsch der Technik genügt. Die Polymeren gemäss der Erfindung sind hochmolekulare, wasserlösliche Polymere, die Dimethylaminomethylacrylamid enthalten; die Polymeren sind in jeglicher zweckbequemen Art erhältlich, z. B. nach der Arbeitsweise der US-PS 2 328 901 oder 3 539 535-
Die Polymeren für die Zwecke der Erfindung sollen ein hohes Molekulargewicht haben, vorzugsweise ein solches von mindestens 100 000 und in besonders bevorzugter Weise von mindestens 1 000 000, und sollen eine Löslichkeit in Wasser von mindestens 0,25 % aufweisen.
Die Polymeren gemäss der Erfindung sollen in einem Aufbrechmedium in Konzentrationen von etwa 10 bis 1000 ppm, bezogen auf das Gewicht des Aufbrechmediums, eingesetzt werden. Bei anderen Umschliessungen bzw. Leitungen und bei anderen Druck- und Strömungsbedingungen können Konzentrationen von 1 ppm bis 25OO ppm wirtschaftlich sein. Darüberhinaus kann das Aufbrechmedium andere Additive enthalten, wie sie herkömmlicherweise beim Aufbrechprozess Verwendung finden. Beispiele für einige dieser auf Wunsch verwendbaren Additive sind Korrosionsinhibitoren, schwerlösliche Stoffe (Proppingmittel) und Fluidverlust-Additive. Ein weiterer Vorteil der Polymeren gemäss der Erfindung liegt in ihrer Verträglichkeit mit herkömmlichen kationischen Korrosionsinhibitoren.
Zur Erläuterung der Wirksamkeit der Erfindung wurde eine Laboratoriums-"Reibungsschleife" benutzt, in der ein Prüfmedium durch ein Rohr mit einem Innendurchmesser von etwa 6,4 mm (0,25 Zoll) zirkuliert wurde. An etwa 1,5 m (5 Fuss) entfernten Punkten erfolgten Druckmessungen, wobei die erzielten Ergebnisse bezüglich der Reibungsverminderung aufgezeichnet wurden. In allen Fällen erfolgte, nach 10 Minuten eine Scherung bei 16 000 U/Min.
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Tabelle I Ergebnisse hinsichtlich Keibungsverminderung
Probe g Medium Scherung
an- 5 Min. 10 Min. 15 Min. 20 Min. fänglich
DMAMPAM (5%) 24 Frisches 70,7 62,9 57 48,6 43,2
Wasser
DMAPIPAM (5%) 48 Frisches 73,8 65,6 64,2" 61,4 57,4
Wasser
DMAMPAM (5%) 48 2% CaCl2 72,9 64,8' 61,3 58,2 52
DMAMPAM (5%) 48 10% NaCl 73,5 65,6 62 57 51,5
DMAMPAM = Poly-Cdimethylaminomethylacrylamid)
Die Tabelle II zeigt die Befähigung des Poly-(dimethylaminomethyl acryl ami ds) (DMAIlPAM), in Wasser in einem breiten pH-Wert-Bereich eine gute Viscosität zu ergeben, und zwar selbst bei sehr niedrigem pH-Wert, bestimmt in einer Prüfung unter Einsatz eines Viscosimeters der Bauart Fann« Die folgenden Werte zeigen auch die Befähigung der Verbindung, die Viscosität konzentrierter Säuren zu erhöhen, die heutzutage technisch zum Säuern von fördernden Ölbohrungen, Gasbohrungen und Wasseraufnahmebohrungen Verwendung finden.
- 7 509887/0405
Tabelle II Viscosität, cP, nach Fann
U/Min. 15gew.%ige HCl-Lösung 1 Gew.% DMAMPAM in
15gew.%iger HCl-Lösung
100 5 68,1
200 2,4 49,8
500 2,4 41,5
600 2,2 50,0
Die Tabelle III zeigt die Temperaturbeständigkeit von Poly-(dimethylaminomethylacrylamid) bei einer Prüfung, bei der DMAMPAM in einer Menge von 600 mg/1 in frischem Wasser gelöst .wurde, das mit Sauerstoff gesättigt war. Die Lösung wurde in zwei Glasflaschen gegeben, die mit einem Stöpsel verschlossen wurden. Eine Probe wurde 2 Tage bei 99° C (210° F) erhitzt und dann auf Raumtemperatur abgekühlt. Die Viscosität sowohl der erhitzten als auch der nichterhitzten Lösung wurde mit einem Viscosimeter der Bauart Brookfield, Modell LVT, gemessen.
Tabelle III U/Min.
Viscosität, cP
nichterhitzt erhitzt
5,5 9,2
5,0 8,2
4,65 7,15
4,14 6,52
5,80 5,61
Als Vergleichsbasis sei erwähnt, dass hydrolysiertes Polyacrylamid bei Behandlung in entsprechender Weise bei dieser Temperatur etwa 10 bis 50 % seiner Lösungsviscosität verliert.
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Claims (3)

  1. Patentansprüche
    Verfahren zur Verminderung des Reibungsverlustes beim Strömen wässriger Medien durch eine Leitung, dadurch gekennzeichnet, dass man in dem wässrigen Medium eine wirksame Menge -an hochmolekularem Polymerem des Dimethylaminomethylacrylamids hält.
  2. 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass man ein Polymeres mit einem Molekulargewicht von mindestens 100 000 verwendet.
  3. 3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass man in dem wässrigen Medium mindestens 10 ppm an dem Polymeren hält.
    4-. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 3·» dadurch gekennzeichnet, dass man das Polymere in den wässrigen Aufbrechmedien für Aufbrecharbeiten auf dem ölfeld zur Verminderung des Reibungsverlustes auf Grund turbulenter Strömung des Aufbrechmediums einsetzt.
    5- Verwendung der hochmolekularen Polymeren des Dimethylaminomethylacrylamids in wässrigen, fIiessfähigen Medien zur Verminderung der Reibung beim Strömen der Medien durch Leitungen.
    - 9 -509887/0405
DE19752533425 1974-07-26 1975-07-25 Verfahren zur verminderung der reibung beim stroemen fliessfaehiger medien durch leitungen Pending DE2533425A1 (de)

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