DE69632831T2

DE69632831T2 - Verfahren zum Steuern der Bohrfluidverluste aus einem Ölbohrloch

Info

Publication number: DE69632831T2
Application number: DE69632831T
Authority: DE
Inventors: L. Peter ZALESKI; J. David DERWIN; J. Donald WEINTRITT; W. George RUSSEL
Original assignee: Superior Graphite Co
Current assignee: Superior Graphite Co
Priority date: 1995-12-15
Filing date: 1996-12-10
Publication date: 2005-07-14
Anticipated expiration: 2016-12-11
Also published as: EA000357B1; DE69632831D1; SA97170710B1; EA199800570A1; CO4600753A1; EG21132A; EP0866842A1; DK0866842T3; NO982733D0; WO1997022677A1; EP0866842A4; CA2240290C; NO982733L; NO314591B1; AU1410297A; NO314591B2; AR004370A1; CA2240290A1; EP0866842B1; US5826669A

Description

Hintergrund der Erfindung
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
Tabelle 1: Bohrfluid-Schmierfähigkeitsversuche im Labor mit Graphit in Wasser und in zwei Bohrfluiden auf Wasserbasis
Quelle: Oil and Gas Journal, "Drilling Mud Lubricity – Guide to reduced torque and drag", Dezember 1970
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.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
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.
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.
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.
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.
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.
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).
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.
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.
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.

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.
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.
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.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
In der Beschreibung der bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird auf die beigefügten Zeichnungen Bezug genommen. Diese zeigen in:
1 einen schematischen Querschnitt einer Bohrarbeit durch untertätige Formationen, wobei dem Bohrfluid graphitischer Kohlenstoff zugegeben ist; und
2 einen schematischen Querschnitt, der die Schmierwirkung von graphitischem Kohlenstoff zeigt.
GENAUE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN Bevorzugte Zusammensetzung
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.
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.
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.
Typische Zusammensetzungen von bevorzugtem elastischem graphitischem Kohlenstoffmaterial zur Verwendung in Bohrfluiden ergeben sich aus Tabelle 2 wie folgt:
Tabelle 2 Bevorzugter Bereich
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.
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.
Elastizität
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%.
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.
Wie bereits erwähnt, verleiht die Elastizität der graphitischen Kohlenstoffteilchen der vorliegenden Erfindung eine Reihe von erwünschten Eigenschaften.
Überbrücken und Abdichten
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.
Der Wirkungsgrad der bevorzugten elastischen graphitischen Kohlenstoffteilchen beim Verhindern von Bohrfluidverlusten wurde wie folgt geprüft:
Vier 0,159 m³ Äquiv. von 1440 kg/m³ (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/m³ (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/m³ (10, 20 und 30 lb/bbl) graphitischen Kohlenstoff enthielten, dichteten rasch gegen Verluste des gesamten Fluids ab. Beispielsweise passierte bei 85,5 kg/m³ (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
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.
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.
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.
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.
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.
Tabelle 4: Abriebrate von graphitischem Kohlenstoff in Frischwasser-Bentonit-Bohrfluid
Abrasionsfähigkeitsindex von graphitischem Kohlenstoff gegenüber UNS G01020 Flußstahl (1020 Flußstahl)
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.
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'').
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.
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.

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 50^TM)	0,60 mg/min

Wirkung von graphitischem Kohlenstoff auf die Rheologie eines PHPA-Bohrfluids von 1452 kg/m³ (12,1 lb/gal)
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.
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).
Tabelle 6 Die Wirkung der Zugabe von graphitischem Kohlenstoff auf die Rheologie eines PHPA-Bohrfluids von 1440 kg/m³ (12,1 lb/gal)
Feldversuch 1
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.
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.
Feldversuch 2
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.
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.

Claims

Verfahren zum Steuern der Bohrfluidverluste aus einem Ölbohrloch, 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.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Elastizität zwischen ungefähr 100 und 150% ist.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Teilchen größer als ungefähr +50,8 Öffnungen/cm (+200 mesh) sind.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Größenbereich von ungefähr 90% der graphitischen Kohlenstoffteilchen zwischen –5,08 Öffnungen/cm und +50,8 Öffnungen/cm (–20 und +200 mesh) ist.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die graphitischen Kohlenstoffteilchen dem Bohrfluid in Konzentrationen zwischen ungefähr 85,5 kg/m³ und 342 kg/m³ (30 lb/bbl und 120 lb/bbl) zugegeben werden.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die graphitischen Kohlenstoffteilchen in dem gesamten Fluidsystem in einer Konzentration von ungefähr 5,7 kg/m³ bis 17,1 kg/m³ (2 bis 6 lb/bbl) anwesend sind.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die graphitischen Kohlenstoffteilchen durch Graphitierung von Petrolkoks hergestellt werden.
Verfahren nach Anspruch 7, wobei der Petrolkoks ein fluidisierter Petrolkoks ist.
Verfahren nach Anspruch 7, wobei der Petrolkoks ein verzögerter Petrolkoks ist.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die graphitischen Kohlenstoffteilchen einen Graphitgehalt von mehr als ungefähr 80% haben.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die graphitischen Kohlenstoffteilchen einen Graphitgehalt von ungefähr 20% oder mehr haben.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die graphitischen Kohlenstoffteilchen eine Teilchendichte zwischen ungefähr 1,45 und 2,2 g/cm³ (g/cc) haben.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Bohrfluid auf Wasserbasis ist.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Bohrfluid auf Ölbasis ist.