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Hintergrund
der Erfindung
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Die
vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Verhindern oder
Steuern der Bohrspülungsfluid- bzw.
Bohrfluidverluste aus Bohrlöchern
in untertätige
Formationen, die von einem Bohrer durchbohrt werden, während gleichzeitig
Reibungskräfte
und Verschleiß während des
Bohrens reduziert werden. Insbesondere betrifft die vorliegende
Erfindung die Verwendung von klassierten, elastischen, graphitischen
Kohlenstoffteilchen für
solche Zwecke.
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Bohrfluide,
auch Bohrschlämme
genannt, werden in Bohrloch-Bohrarbeiten verwendet, um die ausgebohrten
Gesteinsfragmente an die Oberfläche
zu tragen und hydrostatischen Druck in dem Bohrloch auszubilden.
Sie dienen auch als Schmiermittel für die Bohreinrichtungen. Bei
vielen Bohrarbeiten können
jedoch Poren und Frakturen in den untertätigen Gesteinsformationen zulassen,
daß das
Bohrfluid aus dem Bohrloch in umgebende Formationen entweicht. Dies
kann die Bohrarbeit ernsthaft beeinträchtigen und aufgrund der Bohrfluidverluste
ziemlich teuer sein.
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Es
ist eine Reihe von Bohrfluidadditiven zum Steuern und Verhindern
der Bohrfluidverluste in untertätige
Formationen während
des Bohrvorgangs bekannt. Beispielsweise beschreibt das US-Patent 4 957 174 von
Whitfill et al. ein Verfahren zum Korrigieren von verlorenen Spülungen von
Bohrfluid durch Zugeben von kalziniertem Erdölkoksteilchen zu dem Bohrfluid.
Erdölkoks
ist ein Nebenprodukt des Erdölaufbereitungsverfahrens.
Er wird kalziniert, indem er auf eine Temperatur erwärmt wird,
die ausreicht, um die flüchtigen
Komponenten auszutreiben. Wenn dieses Material die richtige Größe hat,
verschließt
es Spalte und Frakturen, durch die Bohrfluid anderenfalls entweichen
würde.
Kalzinierten Erdölkoksteilchen
mangelt es jedoch an Elastizität,
und sie sind ziemlich abrasionsfähig.
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Das
US-Patent 5 018 020 beschreibt ein Verfahren zum Verhindern einer
Formationsfraktur und der Ausbreitung während des Bohrens durch Zugabe
von Teilchen einer Größe von 250
bis 600 Mikrometern (μm) zu
einem Bohrfluid.
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Das
US-Patent 5 211 250 von Kubena et al. beschreibt ein Verfahren,
bei dem wasserlösliche
Polymere, stabilisierende Kaliumsalze und Teilchen einer Größe im Bereich
von 75 bis 1400 Mikrometern (μm)
eingesetzt werden, um die Stabilisierung von Sandstein zu verbessern.
Eines der angegebenen speziellen Teilchen ist kalzinierter Erdölkoks.
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Das
US-Patent Nr. 5 401 719 von DeBeer beschreibt ein Bohrschlammadditiv,
das Graphit, ein Silikat wie etwa Phlogopit und ein Silikon wie
etwa Dimethylpolysiloxan aufweist. Die Hauptfunktion des Graphits
ist die Schmierung, obwohl er auch als Träger für die Silikatmaterialien wirksam
ist. Das Silikonmaterial dient dazu, die hydrophobe Beschaffenheit
der Silikatmaterialien und des Graphits zu erhöhen. In den Beispielen ist der
verwendete Graphit ein synthetisches Material mit einer Teilchengröße von weniger
als 20 μm.
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Das
US-Patent Nr. 3 385 789 von King beschreibt ein Bohrfluidadditiv,
um quellenden Schieferton zu verhindern, d. h. die Volumenzunahme
von Schieferton aufgrund der Adsorption von Wasser, die darin resultiert,
daß der
Schieferton in das Bohrloch einbricht. Das Additiv weist Ton, pulverisierten
Lignit, Graphit und Asphalt auf. In dem Beispiel wird Schuppengraphit
verwendet, der eine Größe von maximal
6% auf einem Sieb von 150 μm
(100 mesh) hat, wobei 60% bis 80% ein Sieb von 75 μm (200 mesh)
passieren.
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Das
US-Patent Nr. 4 088 583 von Pyle et al. beschreibt ein wäßriges Schaumbohrfluid
zum Bohren in untertätige
Hochtemperatur-Lagerstätten,
dem teilchenförmiger
Graphit fakultativ als ein Bohrerschmiermittel oder Antitorsionsmittel
zugegeben wird.
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Pulverisierter
Graphit wird ebenfalls als Bohrfluidadditiv verwendet, um die Schmierung
zu unterstützen.
Trotz einer langen Geschichte seiner Verwendung und Akzeptanz ist
trockenes Schmierstoffgraphitpulver jedoch aus verschiedenen Gründen beschränkt erfolgreich,
wenn es in Bohrfluid dispergiert ist. Die häufigste Kritik an pulverisiertem
Graphit ist die Tatsache, daß er
gegenüber
Schmiermitteln auf organischer Basis unter Verwendung von Standard-Schmierfähigkeitsmeßinstrumenten
im Ölfeld
wie etwa dem Falex Friction and Wear Tester oder dem Baroid Lubricity
Meter in Versuchen nicht gut abschneidet. Tabelle 1, die der als
Meilenstein geltenden Studie von Mondshine im Jahr 1970 über Torsion,
Schleppung und Schmierfähigkeit
entnommen ist, zeigt, daß Graphit
den Reibungskoeffizienten im Vergleich mit einer Reihe von anderen
Additiven unter den gleichen Versuchsbedingungen nicht gesenkt hat.
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Tabelle
1: Bohrfluid-Schmierfähigkeitsversuche
im Labor mit Graphit in Wasser und in zwei Bohrfluiden auf Wasserbasis
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Quelle:
Oil and Gas Journal, "Drilling
Mud Lubricity – Guide
to reduced torque and drag",
Dezember 1970
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Außerdem ist
ein weiterer Nachteil von Graphit, daß der dem Fluidsystem zugegebene
Graphit im Lauf der Zeit dazu tendiert, an die Oberfläche der
Schlammgruben aufzuschwimmen und sich als schwarzer Schlamm und/oder
stabiler Schaum zusammenzuklumpen. Die Ansammlung von kleinen Rohölmengen,
die von dem Fluid während
des Bohrens aufgenommen werden, verstärkt dieses Problem weiter.
Diese Eigenschaft und dieses Verhalten von Graphit in Bohrfluiden
ist normal und dem Fachmann wohl bekannt. Als Schmiermittel zur
Reibungsminderung kann also nicht jeder an der Oberfläche der
Schlammgrube schwimmende Graphit von der Pumpensaugkraft aufgenommen
und in das Bohrloch zurückgeleitet
werden, ohne Mischhilfe von außen
und Extraarbeit auf seiten des Bohranlagenpersonals zu erfordern.
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ZUSAMMENFASSUNG
DER ERFINDUNG
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Die
vorliegende Erfindung löst
die vorstehenden Probleme, indem dem Bohrfluid ein Additiv aus elastischen
graphitischen Kohlenstoffteilchen zugegeben wird, das Bohrfluidverluste
in untertätige
Formationen wirkungsvoll verhindert und steuert und das gute Schmiereigenschaften
hat.
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Insbesondere
werden mit der vorliegenden Erfindung Poren und Frakturen in Schiefern,
Sandsteinen und dergleichen mit elastischen graphitischen Kohlenstoffteilchen
wirkungsvoll abgedichtet, die unter Kompression dicht in die Poren
und Frakturen gepackt werden können,
um sich auszudehnen oder zusammenzuziehen, ohne aufgrund von Änderungen
der äquivalenten
Zirkulationsdichte oder bei einer Zunahme des Fluidgewichts herausgelöst zu werden
oder einzubrechen. Für
die meisten Anwendungen haben ungefähr 90% der Teilchen im allgemeinen
eine Größe zwischen
ungefähr –5,08 bis
+50,8 Öffnungen/cm
(–20 bis
+200 mesh), US-Standard.
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Graphitische
Kohlenstoffteilchen werden im allgemeinen als elastisch angesehen,
wenn sich die Teilchen nach Aufbringen eines Verdichtungsdrucks
von 69.000 kPa (10.000 psi) um mindestens ungefähr 20 (Vol.-)% und bevorzugt
mindestens ungefähr
35% erholen. In einigen Proben sind Werte von bis zu 150% Erholung
des verdichteten Materials erhalten worden. Dies ist erheblich elastischer
als beispielsweise kalzinierter Erdölkoks. Eines der bevorzugten
graphitischen Kohlenstoffteilchen, hergestellt von Superior Graphite
unter dem Handelsnamen Desulco® 9019, kann eine Elastizität von bis
zu ungefähr
100 bis 150% haben, wogegen kalzinierter Erdölkoks eine Elastizität von nur
ungefähr
20% hat. Ein weiteres bevorzugtes graphitisches Teilchen wird von
Superior Graphite unter dem Handelsnamen Series 9400 Spherical Graphitic
Carbon hergestellt. Es hat im allgemeinen eine geringere Elastizität, zwischen
ungefähr
35 und 42%. Man glaubt jedoch, daß seine sphärische Gestalt andere erwünschte Charakteristiken
für die
Verwendung als Bohrfluidadditiv wie etwa verbesserte Fließeigenschaften
verleiht.
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Aufgrund
der Eigenschaft der Elastizität
werden wenig Teilchen zerdrückt,
und in keinem Fall resultiert ein dichtes Pellet. Mit einer Zunahme
oder Abnahme des Drucks auf die verdichteten Teilchen ändert sich
das Volumen, die Teilchen bleiben jedoch separat und vereinigen
sich nicht wie bei anderen Bohrfluidverluste verhindernden Additiven
unter Bildung eines kompakten Kuchens.
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Die
elastischen graphitischen Kohlenstoffteilchen erweichen nicht in
Mineralöl,
Rohöl und/oder
Alkali über
die Zeit und bei Temperaturen, die für Öl- oder geothermische Bohrarbeiten
normal sind.
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Außerdem ist
ein weiterer erheblicher Vorteil der Erfindung, daß Torsion
und Schleppung bei der Bohrarbeit durch die Zugabe der elastischen
graphitischen Kohlenstoffteilchen der vorliegenden Erfindung verringert
werden können,
beispielsweise indem ein Bolus mit einem Volumen von ungefähr 600 m3 (40 bbl), der eine Vielzahl von elastischen
graphitischen Kohlenstoffteilchen enthält, zwischen das Bohrgestänge und
die harte abrasionsfähige
Formation eingebracht wird. Die Konzentration von graphitischen
Kohlenstoffteilchen, die im Feld erfolgreich verwendet worden sind,
liegt im Bereich zwischen ungefähr
85,5 kg/m3 (30 lb/bbl) bis 342 kg/m3 (120 lb/bbl) in einer Einspülung von
600 m3 (40 bbl).
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Gleichermaßen reduziert
graphitischer Kohlenstoff mit 5,6 bis 17,1 kg/m3 (2
bis 6 lb/bbl) in dem gesamten Fluidsystem den Verrohrungsverschleiß, indem
die zwei Metalloberflächen
mit elastischen graphitischen Kohlenstoffteilchen physisch getrennt
werden.
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Ein
weiterer Aspekt der Erfindung ist, daß sie Ressourcen konserviert
und den Gesamtwirkungsgrad der Bohrarbeit erhöht. Das elastische graphitische
Kohlenstoffmaterial erreicht dies, weil jedes Teilchen aus einer
Graphit- und Kohlenstoffmatrix besteht. Bevorzugt sind mindestens
ungefähr
20% oder mehr Graphit. Bei einem von den bevorzugten Additiven,
das aus verzögertem
Erdölkoks
besteht, kann die Graphitisierung 80 bis 95% erreichen.
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Diese
graphitisierte Struktur trägt
zu einer Reihe von praktischen Vorteilen bei der Bohrarbeit bei:
- (1) Wenn hohe Konzentrationen von 285 kg/m3 (100 lb/bbl) oder mehr erforderlich sind,
um einen Bohrlochverlust zu verhindern, sind die graphitischen Kohlenstoffteilchen
von –5,08
bis +50,8 Öffnungen/cm
(–20 bis +200
mesh) ausreichend grob, so daß das
Bohrfluid nicht so viel Pumpenergie erfordert, wie ein gleiches Gewicht
an pulverförmigem
Graphit (1 bis 75 Mikrometer) erfordern würde. In der Tat wird bei Experimenten mit
irgendwelchen feinen Teilchen, die zum Abdichten von Verlustzonen
verwendet werden, das Bohrfluid in einem solchen Ausmaß "blockiert", daß es nicht
mehr pumpfähig
ist.
- (2) Die Teilchen mit einer Größe von –5,08 bis +50,8 Öffnungen/cm
(–20 bis
+200 mesh) sind sofort verfügbar,
um poröse,
erschöpfte
Sande abzudichten oder Frakturen zu überbrücken, wenn die Formation, in
die der Bohrer eingedrungen ist, einbricht. Laborversuche über einem
25,4 mm (1 inch) dicken Sandbett mit –4,064 bis 7,62 Öffnungen/cm
(–16 bis
+30 mesh), die in Tabelle 3, siehe dort, angegeben sind, zeigen,
daß elastischer
graphitischer Kohlenstoff in dem Größenbereich von –5,08 bis
+50,8 Offnungen/cm (–20
bis +200 mesh) die poröse
Zone auf eine für
die Bohrindustrie akzeptable Weise abdichtet. Eine Reihe von erfolgreichen
Feldversuchen unter Verwendung von ungefähr 181.400 kg (400.000 lb)
graphitischem Kohlenstoff bestätigt
die Vorhersage der Laborversuche.
- (3) Elastische graphitische Kohlenstoffteilchen verringern Reibung
und Verschleiß auf
zwei Weisen. Erstens verhindern die festen elastischen Teilchen
dann, wenn sie in ausreichenden Konzentrationen anwesend sind, physisch,
daß das
Bohrgestänge
an der Stahlverrohrung reibt. Beispielsweise kann ein Bohrgestänge von
114,3 mm (4,5 inch), das an der Verrohrung reibt, sich Punktlasten
von 552.000 kPa (80.000 psi) nähern,
was zu einer Metallabtragung in Form von tiefen Narben führt, die
zum Ort von Spannungskorrosionsproblemen oder späteren Verrohrungsundichtigkeiten
während
der Lebensdauer des Bohrlochs werden können. Eine ähnliche Wirkung ist in einem
unverrohrten offenen Bohrloch beobachtet worden, wo elastischer
graphitischer Kohlenstoff das Bohrgestänge an einem Kontakt mit einer
harten abrasionsfähigen
Formation hindert. Das Drehmoment, das benötigt wird, um das Bohrgestänge zu drehen,
wird dramatisch verringert. Beispielsweise reduzierten 5,7 kg/m3 (2 lb/bbl) elastischer graphitischer Kohlenstoff,
die einem Fluid auf Wasserbasis in einem Bohrloch im Feldversuch
in Oklahoma zugegeben wurden, die Drehtisch-Ampèrezahl um 500 A ausgehend
von einem hohen Wert von 2300 A (500 amps ausgehend von einem hohen
Wert von 2300 amps). Dies ermöglichte
es dem Bediener, mit dem Bohren fortzufahren, bis der Bohrer eine
dichte Stelle aus hartem Quarzit-Sandstein passiert hatte. Im besten
Fall verhindern also die Teilchen, daß zwei Oberflächen einander
berühren.
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Die
zweite Art und Weise, wie elastische graphitische Kohlenstoffteilchen
Reibung und Verschleiß reduzieren,
ist im schlimmsten Fall bei extremem Druck, wobei Graphitteilchen,
die sich an der Stelle von extremem Druck befinden, zerquetscht
werden. In diesem Augenblick brechen die Verbundteilchen in Graphitteilchen
geringerer Größe auf,
die weiterhin Torsion und Schleppung im klassischen Sinn reduzieren.
Aufgrund dieses kontrollierten Freisetzungsprinzips wird jedoch
in keinem Moment so viel Graphit freigesetzt, daß er bei Austragung überbord
gemeinsam mit Spülproben
nachteilige Auswirkungen auf die plastische Viskosität, die Fließgrenze
oder auf die Bildung eines glänzenden
Films hat, wie dies bei Zugabe der gleichen Menge an graphitischem
Pulver der Fall ist.
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Das
elastische graphitische Kohlenstoffteilchenadditiv der vorliegenden
Erfindung ist also eine kostengünstige
Möglichkeit,
in einer Bohrfluidumgebung die wohlbekannten Schmiereigenschaften
von Graphit genau an der Stelle in dem Bohrloch, an der das Problem
auftritt, bereitzustellen.
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Die
vorliegende Erfindung ist dementsprechend in den Ansprüche 1 bis
14 definiert und betrifft ein Verfahren zum Steuern der Bohrfluidverluste
aus einem Olbohrloch, das den folgenden Schritt aufweist: Zugeben von
graphitischen Kohlenstoffteilchen in das Bohrloch, wobei die graphitischen
Kohlenstoffteilchen eine Elastizität haben, die größer als
ungefähr
35% Erholung nach einer Kompression mit 69.000 kPa (10.000 psi)
ist.
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KURZE BESCHREIBUNG
DER ZEICHNUNGEN
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In
der Beschreibung der bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird
auf die beigefügten
Zeichnungen Bezug genommen. Diese zeigen in:
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1 einen
schematischen Querschnitt einer Bohrarbeit durch untertätige Formationen,
wobei dem Bohrfluid graphitischer Kohlenstoff zugegeben ist; und
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2 einen
schematischen Querschnitt, der die Schmierwirkung von graphitischem
Kohlenstoff zeigt.
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GENAUE BESCHREIBUNG
DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
Bevorzugte Zusammensetzung
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Eines
der bevorzugten elastischen graphitischen Kohlenstoffteilchen zur
Verwendung bei der vorliegenden Erfindung ist ein Verbundmaterial
aus bis zu ungefähr
80 bis 95% graphitischem Kohlenstoff, wobei der Rest größtenteils
nicht graphitisierter Kohlenstoff ist. Ein solches Produkt wird
handelsüblich
Desulco® 9019
genannt und wird unter Anwendung des speziellen Desulco® Ofenverfahrens
von Superior Graphite hergestellt, das in dem US-Patent 4 160 813
beschrieben ist, welches hier summarisch eingeführt wird. Ein anderes bevorzugtes
graphitisches Kohlenstoffprodukt zur Verwendung bei der vorliegenden
Erfindung ist das Kohlenstoffprodukt von Superior Graphite, das
im Handel unter 9400 Series Spherical Graphitic Carbon bekannt ist
und ebenfalls mit dem Delsuco® Verfahren hergestellt
ist. Das Produkt 9400 ist ein weiteres elastisches graphitisches
Kohlenstoffprodukt (obwohl weniger elastisch als das Delsuco® Produkt
9019), das ein effektives Bohrfluidadditiv bildet. Die bevorzugte
Rohmaterialquelle für
beide Produkte ist Erdölkoks.
Das bevorzugte Delsuco® Produkt 9019 ist im allgemeinen
aus verzögertem
Erdölkoks
hergestellt, wogegen das bevorzugte Produkt der Serie 9400 im allgemeinen
aus fluidisiertem Erdölkoks
hergestellt ist. Der synthetische Graphit der Serie 5000 von Superior
Graphite kann ebenfalls verwendet werden.
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Die
Umwandlung von Koks in graphitischen Kohlenstoff wird im allgemeinen
in einem Zweistufen-Hochtemperatur-Verfahren durchgeführt. Der
erste Teil des Verfahrens besteht darin, den Koks zu kalzinieren,
um flüchtige
Kohlenwasserstoffe zu entfernen, die den Graphitisierungsvorgang
beeinträchtigen
würden.
Der zweite Teil besteht darin, einen Teil des Kohlenstoffs, bevorzugt
mindestens 20% oder mehr von dem kalzinierten Koks, in synthetischen
Graphit in einem Elektroofen umzuwandeln. Die Graphitisierung wird
bei Temperaturen von ungefähr
2200 bis 3000°C
(gewöhnlich
für ungefähr 15 min
bis zu einigen Stunden) durchgeführt.
Das graphitisierte Material wird dann zerquetscht und für Bohrfluidanwendungen
klassiert.
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Dieses
Verfahren reduziert den Schwefel- und Schwermetallgehalt des Ausgangskokses,
so daß das Produkt
nichttoxisch und für
Reaktionen mit anderen Bohrfluidchemikalien inert gemacht wird.
Beispielsweise hat einer von den bevorzugten graphitischen Kohlenstoffen,
Delsuco® 9019,
einen LC50 von ungefähr 700.000 mg/l (700.000 ppm).
Dies läßt seine
Verwendung in Bohrfluiden zu, die in umgebungsmäßig empfindlichen Gebieten
verwendet werden.
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Typische
Zusammensetzungen von bevorzugtem elastischem graphitischem Kohlenstoffmaterial
zur Verwendung in Bohrfluiden ergeben sich aus Tabelle 2 wie folgt:
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Tabelle
2
Bevorzugter Bereich
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Bei
manchen Anwendungen ist es erwünscht,
daß die
Schlammteilchen eine Größe von 100%
weniger als +50,8 Öffnungen/cm
(+200 mesh) und von 95% mehr als ungefähr 8 Mikrometer (8 Mikron)
haben, so daß der
gesamte graphitische Kohlenstoff einen Bohranlagen-Schüttler mit
feinmaschigem Sieb passiert. Eine solche Zusammensetzung erleidet
einen Elastizitätsverlust,
hat jedoch den Vorteil, daß Sickerverluste
des Bohrfluids in Formationen mit weniger gravierenden Fluidverlusten
auf einer kontinuierlichen Basis kontrolliert werden können, da
die Teilchen von der Feststoff-Steuervorrichtung nicht aus dem zirkulierenden
Bohrfluid herausgefiltert wird.
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Wenn
die graphitischen Kohlenstoffteilchen hauptsächlich zur Schmierung verwendet
werden, ist es erwünscht,
die Teilchen zwischen ungefähr
+50,8 Öffnungen/cm
(+200 mesh) und 8 Mikron zu klassieren. Sie werden dann in Konzentrationen
von ungefähr
40,0 bis 342 kg/m3 (20 lb/bbl bis 120 lb/bbl)
zugegeben.
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Elastizität
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Die
Elastizität
von einem von den bevorzugten graphitischen Kohlenstoffteilchen,
das aus verzögertem
Erdölkoks
hergestellt ist, ist ungefähr
100 bis 150%. Dies ergibt im Vergleich mit einer geprüften Elastizität von kalziniertem
Erdölkoks
ungefähr
20%. Die Elastizität
des anderen bevorzugten graphitischen Kohlenstoffprodukts, das aus
fluidem Erdölkoks
hergestellt ist, ist ungefähr
35 bis 42%.
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Der
angewandte Elastizitätsprüfvorgang
umfaßt
zunächst
das Füllen
einer Kompressionsprüfform
mit 16 g getrocknetem, fein verteiltem Prüfmaterial. Das Material wird
in einer hydraulischen Presse komprimiert, bis die Pegelnadel Null
anzeigt. Die Höhe
der Form wird gemessen und aufgezeichnet. Es wird auf 69.000 kPa (10.000
psi) komprimiert, und die Höhe
wird erneut gemessen. Der Druck wird aufgehoben, und die Form wird aus
der Presse entfernt. Man läßt sie stehen,
bis keine Expansion mehr beobachtet wird. Die Höhe der Form wird ein letztes
Mal gemessen. Diese Höhe
minus der Höhe
bei 69.000 kPa (10.000 psi) dividiert durch die Höhe bei 69.000
kPa (10.000 psi) mal 100 ist die Expansion in Prozent.
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Wie
bereits erwähnt,
verleiht die Elastizität
der graphitischen Kohlenstoffteilchen der vorliegenden Erfindung
eine Reihe von erwünschten
Eigenschaften.
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Überbrücken und
Abdichten
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1 zeigt
einen Querschnitt eines Ölbohrlochs 10 mit
einem rotierenden Bohrgestänge 12 und
einem Bohrfluid 14, das im Gestängeinneren nach unten gepumpt
wird und an der Außenseite
zwischen der Bohrgestängeoberfläche und
der Bohrlochwand 16 nach oben zurückkehrt. In dem gezeigten Beispiel
ist das Bohrloch von oben nach unten durch eine Schieferformation 20,
eine erschöpfte
Sandformation 22, eine gebrochene Schieferformation 24 und
eine weitere Schieferformation 26 gebohrt. Graphitische
Kohlenstoffteilchen 18 sammeln sich an den Poren der erschöpften Sandformation 22 und
den Frakturen der gebrochenen Schieferformation 24 und
verschließen
diese, um Bohrfluidverluste zu verhindern. Da außerdem der graphitische Kohlenstoff
im allgemeinen elastisch ist, werden die Teilchen mit Druckänderungen
in der Bohrlochwand komprimiert und expandiert, ohne zerquetscht
oder herausgelöst
zu werden.
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Der
Wirkungsgrad der bevorzugten elastischen graphitischen Kohlenstoffteilchen
beim Verhindern von Bohrfluidverlusten wurde wie folgt geprüft:
Vier
0,159 m
3 Äquiv. von 1440 kg/m
3 (1 bbl Äquiv.
von 12 lb/bbl) Bohrfluid auf PHPA-Polymerbasis wurden mit elastischen
graphitischen Kohlenstoffteilchen von –5,08 bis +50,8 Öffnungen/cm
(–20 bis
+200 mesh) in Konzentrationen von 28,5, 57 und 85,5 kg/m
3 (10, 20 und 30 lb/bbl) verrührt. Eine
Probe wurde als eine "Blindprobe" mitgeführt. Nach
Beendigung des Vermischens jeder Fluidprobe wurde sie in eine Standard-API-Filtrationszelle
von 690 kPa (100 psi) und auf ein 25,4 mm (1 inch) dickes Kiespacksandbett
von 4,064/7,62 Öffnungen/cm
(16/30 mesh) gegossen. Die Zelle wurde verschlossen und auf einen
Druck von 690 kPa (100 psi) gebracht. Die in Tabelle 3 angegebenen
Resultate zeigen, daß die
Zelle mit dem Fluid, das keinen graphitischen Kohlenstoff enthielt,
unmittelbar nach Aufbringen eines Differenzdrucks von 690 kPa (100
psi) austrocknete. Proben, die 28,5, 57, 85,5 kg/m
3 (10,
20 und 30 lb/bbl) graphitischen Kohlenstoff enthielten, dichteten
rasch gegen Verluste des gesamten Fluids ab. Beispielsweise passierte
bei 85,5 kg/m
3 (30 lb/bbl) (Lauf 4) keinerlei Fluid
das Sandbett von 4,064/7,62 Öffnungen/cm
(16/30), und das Filtrat, das nach einer Zeitdauer passierte, war
frei von Feststoffen. Tabelle
3: Sickersteuerungsversuche über
16/30 Kiespacksand
- B/O
- Ausbruch
-
Begrenzung des Abriebs
durch hohe Scherbeanspruchung
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2 zeigt
einen vergrößerten Querschnitt
einer rotierenden Bohrgestängeoberfläche 30 unter
extremem Druck (durch Pfeile 31 gezeigt), die vor Berührung durch
eine harte, abrasionsfähige
Bohrlochwandformation 34 durch freien Graphit in dem Bohrschlamm 36 geschützt ist.
Graphitische Kohlenstoffteilchen setzen freien Graphit nur dann
frei, wenn extremer Druck und Rollreibung, die durch das Bohrgestänge erzeugt
werden, die Verbundstruktur der graphitischen Kohlenstoffteilchen
zermahlen. Anderenfalls bleiben die graphitischen Kohlenstoffteilchen
im allgemeinen intakt, so daß sie
ihre vorteilhaften Eigenschaften in dieser Form beibehalten und
die unerwünschten
Auswirkungen, die mit pulverisiertem Graphit verbunden sind, vermeiden.
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Der
Abriebtest wurde durchgeführt,
um die Schercharakteristiken der bevorzugten graphitischen Kohlenstoffteilchen
der vorliegenden Erfindung zu untersuchen. Der Test umfaßte das
Aufbringen einer hohen Scherbeanspruchung auf eine Bohrfluidprobe,
die elastische graphitische Kohlenstoffteilchen enthielt, und das Beobachten
der Menge der Teilchen, die über
einen gegebenen Zeitraum zerfallen. Die Testdaten in der nachstehenden
Tabelle 4 beruhen auf der Wirkung des Verrührens einer Bohrfluid-Testprobe
mit dem graphitischen Kohlenstoffadditiv Desulco® 9019
(Größe zwischen –5,08 bis
+50,8 Öffnungen/cm
(–20 bis
+200 mesh) bei Scherraten von 23.000 r/min (23.000 rpm) für 90 min
in einem SS-Mischbecher auf einem Hamilton Beach Mischer Nr. 30.
Zum Vergleich wurde eine Kontrollprobe von gewöhnlichem Bentonin-Bohrfluid
ohne graphitischen Kohlenstoff unter den gleichen Bedingungen unter
Verwendung des gleichen Mischers getestet.
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Um
den Abriebtest zu vereinfachen, wurde eine 30 cc (30 ml) Teilmenge
des Fluids über
einem Sieb mit 50,8 Öffnungen/cm
(200 mesh) naßgesiebt.
Das Volumen des Rests auf dem Sieb nach dem Freiwaschen von kolloidalen
Tonfeststoffen wurde als ein Maß der
Volumenänderung
des graphitischen Kohlenstoffs aufgrund der Scherwirkung genommen.
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Tabelle
4 zeigt, daß das
Testgemisch aus graphitischem Kohlenstoff-Fluid unter den Testbedingungen nach
90 min nur ungefähr
1% an Volumen verlor. Dies zeigt, daß graphitische Kohlenstoffteilchen
gegenüber der
hohen Geschwindigkeit und der Scherwirkung der Mischerflügel widerstandsfähig sind.
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Von
gleicher Bedeutung ist die Tatsache, daß die Farbe des Bentonitfluids
nicht schwarz wurde, was man erwartet würde, wenn der graphitische
Kohlenstoff zerfallen wäre.
Die Widerstandsfähigkeit
gegenüber Abrieb
trotz der sehr hohen Scherbeanspruchung wird auf die elastische
Beschaffenheit der graphitischen Kohlenstoffteilchen zurückgeführt.
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Tabelle
4: Abriebrate von graphitischem Kohlenstoff in Frischwasser-Bentonit-Bohrfluid
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Abrasionsfähigkeitsindex
von graphitischem Kohlenstoff gegenüber UNS G01020 Flußstahl (1020
Flußstahl)
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Eine
weitere wichtige Charakteristik ist die relative Abrasionsfähigkeit
der graphitischen Kohlenstoffteilchen. Wenn der graphitische Kohlenstoff
zu abrasionsfähig
wäre, würde er die
Bohrkomponenten aus Stahl zu stark erodieren. Es wurde also ein
modifizierter API-Test zur "Abrasionsfähigkeit
von Beschwerungsmaterialien" durchgeführt, um
die Abrasionsfähigkeit
der bevorzugten graphitischen Kohlenstoffteilchen der vorliegenden
Erfindung zu bewerten.
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Der
Test bestand in dem Zugeben von 200 g des bevorzugten graphitischen
Kohlenstoffmaterials zu 350 ml Fluid (Äquivalent 0,159 m3 (Äquivalent
1 bbl)) und dem Vermischen bei 23.000 rpm für 20 min. Der Gewichtsverlust
eines bestimmten Stahlprobestücks,
das sich in dem Mischbehälter
befand, wurde dann berechnet. Das Probestück wog anfangs ungefähr 1,6 g
und hat eine nominelle Größe von 15,875 × 50,8 × 0,254
mm (5/8'' × 2'' × 0,01'').
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Tabelle
5 zeigt, daß der
Gewichtsverlust des Stahlprobestücks
in der Probe des Gemischs aus graphitischem Kohlenstoff und Bohrfluid
von 570 kg/m3 (200 lb/bbl) nicht größer war,
als derjenige, der mit der Bentonitton-Kontrollprobe A von 42,75
kg/m3 (15 lb/bbl) erhalten wurde. Dagegen
verursachte Probe B, die 570 kg/m3 (200
lb/bbl) Hämatit-Beschwerungsmaterial (Eisenoxid-Beschwerungsmaterial)
der API-Güte
enthielt, einen Verlust von 3,6 mg/min.
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Außerdem war
kalzinierter verzögerter
Erdölkoks
noch abrasionsfähiger
als der Hämatit
und verursachte einen Verlust von 6,8 mg/min, was eine um das 36fache
höhere
Erosionsrate als bei den gleich großen Teilchen des bevorzugten
graphitischen Kohlenstoffs ist.
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Es
ist deshalb klar, daß der
elastische graphitische Kohlenstoff der vorliegenden Erfindung nicht
zu der Abrasion oder Erosion und Korrosion von nicht wiederverwendbaren
Teilen (Pumpenauskleidungen usw.) oder von Bohrlochmotoren beiträgt. Tabelle
5
Abrasionsfähigkeitsindex
von Bentonit, Hämatit
und Desulco
| Abrasionsfähigkeitsindex,
mg/min |
Probe
A | |
42,75
kg/m3 (15 lb/bbl) Bentonit | 0,16
mg/min |
Probe
B | |
42,75
kg/m3 (15 lb/bbl) Bentonit w/570 kg/m3 (200 lb/bbl) Hämatit der API-Güte | 3,6
mg/min |
Probe
C | |
42,75
kg/m3 (15 lb/bbl) Bentonit w/570 kg/m3 (200 lb/bbl) Desulco 9019 | 0,19
mg/min |
Probe
D | |
42,75
kg/m3 (15 lb/bbl) Bentonit w/570 kg/m3 (200 lb/bbl) kalzinierter verzögerter Koks | 6,81
mg/min |
Probe
E | |
42,75/m3 (15 lb/bbl) Bentonit w/570 kg/m3 (200 lb/bbl) Kalzit (Baracarb 50TM) | 0,60
mg/min |
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Wirkung von graphitischem
Kohlenstoff auf die Rheologie eines PHPA-Bohrfluids von 1452 kg/m3 (12,1 lb/gal)
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Ein
weiteres wichtiges Merkmal des graphitischen Kohlenstoffs der vorliegenden
Erfindung ist, daß er dem
Bohrfluid in erheblichen Mengen zugegeben werden kann, ohne die
Rheologie des Bohrfluidgemischs negativ zu beeinflussen.
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Beispielsweise
zeigen die Testdaten in der nachstehenden Tabelle 6, daß graphitischer
Kohlenstoff in Konzentration von bis zu 342 kg/m3 (120
lb/bbl) zugegeben werden kann, ohne das Fluid zu "blockieren", d. h. zu dick und
viskos zu machen. Es ist besonders wichtig zu beachten, daß die Gelfestigkeit,
ein Maß der
Thixotropie, der Kontrollprobe ohne graphitischen Kohlenstoff 3,85
Pa (8/15 lg/100 ft2 war. Bei 342 kg/m3 (120 lb/bbl) graphitischem Kohlenstoff
war die anfängliche
Gelfestigkeit nur 7,2 Pa (15 lb/100 ft2)
and nach einer Ruhezeit von 10 min blieb sie bei 7,2 Pa (15 lb/100
ft2).
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Tabelle
6
Die Wirkung der Zugabe von graphitischem Kohlenstoff auf
die Rheologie eines PHPA-Bohrfluids von 1440 kg/m
3 (12,1
lb/gal)
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Feldversuch 1
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Es
wurde eine Reihe von Feldversuchen durchgeführt, um den Wirkungsgrad des
graphitischen Kohlenstoffadditivs unter tatsächlichen Bedingungen zu bewerten.
In einem Versuch wurde elastischer graphitischer Kohlenstoff einem
Bohrfluid auf Kalkbasis zugegeben, und es wurden erfolgreich Sickerverluste
und verlorene Zirkulation in einem tiefen heißen Bohrloch in South Louisiana
verhindert. Das Material wurde in Abhängigkeit von dem geschätzten Erfordernis
gemäß dem Vordringen
des Bohrlochs zu der Zieltiefe allein und in Gemischen mit feinem
Glimmer, Zellulosefaser oder Calciumcarbonat verwendet. In sämtlichen
Fällen
war das Material mit anderen Produkten kompatibel, mit denen verlorene
Zirkulation oder Sickerverluste einhergehen.
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Die
Konzentration des elastischen graphitischen Kohlenstoffs war im
Bereich von Einspülungen
von 114 kg/m3 (40 lb/bbl) bis zu durchsetzten
Boli von 340,0 kg/m3 (120 lb/bbl). Selbst
bei Bohrfluidgewichten über 2160
kg/m3 (18 lb/gal) kam es zu einer minimalen
Wirkung auf die Viskosität.
Das Bohrloch wurde erfolgreich bis zu der Zieltiefe gebohrt. In
diesem Feldversuch wurden insgesamt ungefähr 13.605 kg (30.000 lb) elastischer
graphitischer Kohlenstoff verwendet.
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Feldversuch 2
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Ein
anderer Feldversuch wurde an einer Offshore-Bohrstelle im Golf von
Mexiko durchgeführt.
Bei diesem Versuch wurden ungefähr
13.605 kg (30.000 lb) elastischer graphitischer Kohlenstoff erfolgreich
in einem synthetischen Bohrfluid auf Ölbasis verwendet. Der Bediener
spülte
nach Bedarf Boli von 6,36 m3 (40 bbl) des elastischen
graphitischen Kohlenstoff ein und war imstande, Verluste an dem
teuren Olfluid erfolgreich weit unter 0,159 kg/min (1 bbl/min) zu
halten.
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Aus
dem Vorstehenden ist ersichtlich, daß ein Verfahren zum Verhindern
oder Steuern der Bohrfluidverluste in unterirdisiche Formationen
bereitgestellt wird, das viele Nachteile des Stands der Technik überwindet.
Das Verfahren ist zwar hinsichtlich einer bevorzugten Ausführungsform
beschrieben, es ist jedoch nicht beabsichtigt, die Erfindung auf
diese zu beschränken.
Im Gegenteil, es sollen sämtliche
Modifikationen und Äquivalente
innerhalb des Umfangs der beigefügten
Ansprüche
umfaßt
sein. Außerdem
ist zu betonen, daß viele
Variationen innerhalb des Umfangs der vorliegenden Erfindung für den Fachmann
ersichtlich sind. Beispielsweise können die graphitischen Kohlenstoffteilchen
der vorliegenden Erfindung mit anderen Additiven vermischt werden,
um Ergebnisse zu erzielen, die für
eine bestimmte Situation erwünscht
sind. Gleichermaßen können in
Abhängigkeit
von der Beschaffenheit der abzudichtenden Poren oder Frakturen oder
dann, wenn der Zweck die Schmierung und nicht die Fluidverluststeuerung
ist, verschiedene Teilchengrößen erwünscht sein.