DE1031745B - Verfahren zur Herstellung einer Bohrfluessigkeit fuer Tiefbohrungen - Google Patents

Description

• Verfahren zur Herstellung einer Bohrflüssigkeit für Tiefbohrungen Beim Niederbringen von Tiefbohrungen, z. B. Öl- und Gasbohrungen, wird gewöhnlich eine Bohrflüssigkeit oder ein Bohrschlamm benutzt. Diese Flüssigkeit, die innerhalb des Bohrrohres nach unten gepumpt wird und im Ringraum zwischen Bohrrohr und Bohrloch zurückkehrt, dient mehreren Zwecken. Sie wirkt als Kühl- und Schmiermittel für den Bohrmeißel, zur Förderung des Bohrgutes an die Oberfläche sowie zur Bildung einer abdichtenden Schicht an der Wand des Bohrlochs. Die Flüssigkeit besteht normalerweise aus einer wäßrigen Suspension eines quellenden oder hydratisierbaren Tons, wie Bentonit, zusammen mit feinteiligem Material, wie es z. B. beim Bohren des Bodens gebildet wird. Auch andere Stoffe können zugesetzt werden, wie beschwerende Materialien, wenn hohe Drucke auftreten können, Stärke und Harzprodukte zur Förderung der abdichtenden Eigenschaften der Flüssigkeit sowie eine Reihe anderer Materialien, wenn Flüssigkeiten hergestellt werden sollen, die unter besonderen Bedingungen verwendet werden.
• Wegen ihrer Aufgabe, das Bohrklein aus dem Bohrloch zu entfernen, müssen die Viskositätseigenschaften der Flüssigkeit innerhalb bestimmter Grenzen liegen. Die Viskosität der Flüssigkeit muß so hoch sein, daß das Bohrgut auf seinem Weg vom Meißel zur Oberfläche getragen wird, darf aber nicht so hoch sein, daß dadurch der Umlauf erschwert wird und übermäßig hohe Drücke im Pumpsystem auftreten. Gleichzeitig muß die Festigkeit des Gels, das sich beim Stehenlassen bildet, so hoch sein, daß sich das Bohrgut im Bohrloch nicht absetzt, wenn der Umlauf aus irgendeinem Grunde unterbrochen wird, das Gel darf sich aber nicht so schnell bilden, daß das Absetzen und Entfernen des Bohrguts im Schlammbecken verhindert wird. Ferner darf die Gelbildung nicht so weit fortschreiten, daß Schwierigkeiten beim erneuten Anpumpen eintreten können.
• Die erforderlichen Eigenschaften des Schlamms lassen sich manchmal mit einer unbehandelten Suspension von Natriumbentonit erzielen, häufig ist es aber notwendig, besonders wenn höhere Dichten (Feststoffgehalte) im Schlamm erforderlich sind, Konditionier- oder Verdünnungsmittel zuzusetzen, um niedrigere Viskositäten und Gelfestigkeiten zu erzielen. Zu diesem Zweck werden z. B. verwendet bestimmte Phosphate, Quebracho und andere Tanninextrakte. Sulfitablauge und verschiedene Ligninsulfonate sind für diesen Zweck unwirksam.
• Unter bestimmten Bedingungen, z. B. wenn übermäßige Verunreinigung durch Salz oder Anhydrit zu erwarten ist, wird der Natriumbentonit im Schlamm zweckmäßig in Calciumbentonit umgewandelt. Dies ist das sogenannte Umsetzen von einem Natriumschlamm zu einem Kalkschla.mm. Hierzu werden dem Schlamm gewöhnlich Natriumhydroxyd und Calciumhydroxyd in Mengen von etwa 570 bzw. 1380 g pro 1001 zugesetzt. Durch diese Zusätze wird unmittelbar ein schneller Anstieg der Viskosität des Schlamms bis zur Gelbildung bewirkt, die das völlige Umsetzen verhindert. Um die Viskosität an diesem Punkt zu regulieren und glattes und schnelles Umsetzen sowie ausreichende Viskositäten und Gelfestigkeiten (gel strengths ) in den sich bildenden Kalkschlämmen zu gewährleisten, ist es notwendig, Konditionier- bzw: Verdünnungsmittel zuzusetzen. Für diesen Zweck werden in großem Umfang Ligninpräparate gebraucht; z. B. durch Fällung mit Kalk hergestellte Ligninsulfonate sowie Sulfitablaugeprodukte. Bisweilen wird Quebracho allein oder in Verbindung mit Ligninprodukten gebraucht, aber allein ist es gewöhnlich weniger wirksam als die Lignine. Alle gewöhnlich für diesen Zweck verwendeten Stoffe sind zwar genügend. wirksam, um den Umschlag zur Vollendung kommen zu lassen; können aber einen vorübergehenden sehr starken Viskositätsanstieg und eine Gelierung des Schlamms für kurze Zeit nicht verhindern. Gegenstand der Erfindung ist ein zufriedenstellende: Mittel auf Ligninbasis zur Regelung der Viskosität vor Schlämmen auf Natriumbasis, das gleichzeitig als viskositätsregelndes Mittel während des Umsetzens benutzt werden kann, d. h. wenn der Schlamm in einen Kalkschlamm umgewandelt werden muß. Es gestattet die Umwandlung in einen Kalkschlamm ohne jegliche Gelbildung bei geringem oder ohne vorübergehenden Viskositätsanstieg.
• Das Grundmaterial für das Dispergiermittel ist natronalkalische Sulfitablauge, die vorzugsweise durch Austausch der Calciumionen in einer kalkalkalischen Ablauge durch Natriumionen gemäß den Angaben der kanadischen Patentschrift 505 355 erhalten wird. Es können aber auch durch Kochen von Holz mit Natriumbisulfit-Kochlaugen erhaltene Ablaugen ebenso wie Ablaugen, in denen das Calcium nach anderen Methoden durch Natrium ausgetauscht wurde, verwendet werden. Die auf einen Gesamtfeststoffgehalt von etwa 50 °/o eingedickte und auf einen pH-Wert von vorzugsweise etwa 7 eingestellte Ablauge wird in einen Druckbehälter direkt durch Frischdampf oder indirekt durch Wärmeaustausch auf 132 bis 140°C erhitzt. Dann werden zur teilweisen Oxydation etwa 3,75 bis 7,5l Luft/1 Flüssigkeit durch eine Verteilungsvorrichtung eingeleitet. Um beste Eigenschaften zu erzielen, ist eine Mindestreaktionszeit von etwa einer Stunde erforderlich. Bei geringeren Luftmengen können Reaktionszeiten bis zu 3 Stunden notwendig sein. Der pH-Wert des Produkts (zu Anfang etwa 7) fällt mit steigender Behandlungsdauer, und die besten Ergebnisse werden normalerweise bei einem End-pH-Wert von 4 bis 4,5 erzielt. Eine Verlängerung der Behandlungszeit beeinträchtigt die Eigenschaften des Endprodukts. Sie sollte bei den höheren Luftströmungsgeschwindigkeiten 4 Stunden und bei den niedrigeren Geschwindigkeiten 6 Stunden nicht übersteigen. Der pH-Wert soll während der Behandlung nicht unter 3,5 fallen.
• Nach Beendigung der Luftbehandlung wird die Ablauge mit so viel Alkalidichromat gemischt, daß der Dichromatgehalt nicht unter. S °/a und nicht über 25 % des Gesamtfeststoffgehaltes liegt. Das Gemisch wird dann durch Zerstäuben unter normalen Temperatur- und Luftströmungsbedingungen getrocknet. Typische Temperaturbedingungen sind etwa 270°C für die Eintrittsluft und etwa 150°C für die Austrittsluft. Zum Gebrauch wird dieses Reaktionsprodukt aus teilweise oxydierter natronalkalischer Sulfitablauge und Alkalidichromat in geringer Menge mit einer Ton-, vorzugsweise Bentonitsuspension gemischt.
• Die Zerstäubungstrocknung bietet an sich keine ungewöhnlichen Schwierigkeiten, es müssen aber gewisse Vorsichtsmaßregeln bei der Behandlung des Produkts vor der Zerstäubungstrocknung beachtet werden. Lignin-Dichromat-Gemische neigen, wie bereits erwähnt, zur Bildung unlöslicher Gele. Die Geschwindigkeit dieser Reaktion ist abhängig vom Anteil des Dichromatsalzes im Gemisch, von der Feststoffkonzentration und dem pH-Wert sowie von der Temperatur der Lösung. Der Viskositätsanstieg, welcher der Gelbildung vorausgeht, erschwert das Fördern und die Zerstäubungstrocknung der Flüssigkeit, während die Gelbildung die Trocknung unmöglich macht. Die dispergierenden Eigenschaften des Mittels werden ferner durch die in Verbindung mit dem Viskositätsanstieg und der Gelbildung stattfindenden Reaktionen beeinträchtigt, insbesondere wenn das Dispergiermittel in kalkalkalischen Bohrschlämmen benutzt wird, in denen überreagiertes Material zur Bildung eines stark thioxotropen Schlammes (d. h. von »10-Minuten-Gelen«) geführt hat. Diese Schwierigkeiten können überwunden werden durch Einstellung der Konzentration der Lösung und durch genaue Regelung der Zeit zwischen dem Zusatz des Dichromates und der Umwandlung zu Pulver im Zerstäubungstrockner.
• Gewöhnlich werden dem Zerstäubungstrockner Stoffe dieser Art mit etwa 50 °/o Gesamtfeststoffgehalt zugeführt: Bei dieser Konzentration würde sich nach Zusatz eines Dichromates fast augenblicklich ein Gel bilden. Bei einer Feststoffkonzentration von 30 °/o, einschließlich des Dichromatgehaltes, wird die Gelbildung sowie die Beeinträchtigung der dispergierenden Eigenschaften um etwa 30 Minuten verzögert, bei einer Konzentration von 40 °/o kann mit Sicherheit eine Verzögerung von etwa 15 Minuten erwartet werden.
• Um innerhalb dieser Bedingungen arbeiten zu können, ist es notwendig, das Dichromat in Form einer Lösung kontinuierlich mit der Ligninlösung zu mischen. Die Konzentration der Dichromatlösung wird so eingestellt, daß sich die erforderliche Konzentration der Endlösung ergibt. Das Mischen kann in einer Kreiselpumpe oder ähnlichen Vorrichtung vorgenommen werden, die so konstruiert ist, daß starke Turbulenz auftritt. Die zum Zerstäubungstrockner führenden Leitungen müssen so kurz wie möglich gehalten und Zwischentanks vermieden werden. Am zweckmäßigsten wird die Lösung direkt von der Pumpe in den Zerstäuber eingeführt, soll aber die Lösung durch Gefälle zugeführt werden, so muß der hochgelegene Tank so klein wie möglich gehalten werden. Beispiel Verdünnte kalkalkalische Sulfitablauge wird mit Schwefeldioxyd behandelt, bis der titrierbare Gesamt-Schwefeldioxydgehalt etwa 0,80 °/o beträgt, und dann mit Natriumhydroxyd bis zu einem p,1-Wert von 7 neutralisiert. Nach dem Abfiltrieren des gefällten Calciumsulfits wird die Lauge auf einen Feststoffgehalt von 50 % eingedampft. 11361 der eingedampften Lauge werden in einem Autoklav durch zugeführten Frischdampf auf 146°C erhitzt. Dann werden 4,25 m3 Luft (von Atmosphärendruck) je Minute durch eine Verteilungsvorrichtung eingeführt und die Behandlung 2 Stunden fortgesetzt: Während dieser Zeit wird die Temperatur durch genügend Dampfzufuhr auf gleicher Höhe gehalten. Nach der Behandlung wird die Charge aus dem Autoklav ausgeblasen und kontinuierlich mit einer Natriumdichromatlösung gemischt, so daß die Mischung 15 Gewichtsprozent Natriumdichromat enthält, bei einem Gesamtfeststoffgehalt von 30 Gewichtsprozent. Das Gemisch wird unmittelbar anschließend an den Mischvorgang durch Zerstäuben getrocknet, wobei die Zeit zwischen Mischen und Zerstäubungstrocknen 15 Minuten beträgt.
• Die dispergierenden Eigenschaften des Mittels in den verschiedenen Stadien seiner Herstellung werden sowohl mit natronalkahschem Bohrschlamm als auch beim Umsetzen des natronalkalischen Bohrschlamms zu kalkalkalischem Schlamm gemessen. Es wird aus einem 7°/oigen Bentonitbrei ein künstlicher Bohrschlamm hergestellt, der nach Altern über Nacht unmittelbar nach kräftigem Rühren folgende Eigenschaften aufweist:

  Viskosität . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14,5 Centipoises

  Null-Gel.......................... 59

  10-Minuten-Gel.................... 5,5 g

  p$-Wert.......................... 8,5 g

  Der Schlamm wird in Anteile von je 350 cm3 geteilt, und jedem Teil werden je 1 g Dispergiermittel verschiedener Herstellungsstufe zugesetzt. Der pH-Wert jedes Teils wird mit Natriumhydroxydlösung auf 11,5 eingestellt. Nach kräftigem Rühren werden die Viskositäten und Gel: festigkeiten mit einem Stormer-Viskosimeter gemessen. Die Ergebnisse sind in Tabelle I aufgeführt.

  Tabelle I

  Dispergiermittel Viskosität g Gel

  cP 0 Min. 1 10 Min.

  1. Ohne . . . . . . . . . . . . . . . . Vollständige Gelbildung

  2. Feststoffe natron- I

  alkalischer Sulfitablauge 100 70 140

  3. Feststoffe natron-

  alkalischer Sulfitablauge

  +15 0/a Nag Cr, 0 7 .... 26 20 100

  4. Feststoffe natron-

  alkalischerSulfitablauge,

  2 Stunden mit Luft

  behandelt............ 55 50 190

  5. Feststoffenatronalkali-

  scher Sulfitablauge,

  mitLuftbehandelt,2Std.

  -I- 15 % Nag Cr2 07 .... 17 10 55

  6. Wie 5. nach der Zer-

  stäubungstrocknung ... 10 0 45

  Ähnliche Versuche werden beim Umschlag eines natronalkalischen Schlammes zu einem kalkalkalischen Schlamm durchgeführt. Hierbei wird wie folgt verfahren: Zu 350 cm3 des Schlamms werden nach kräftigem Rühren jeweils 2 g (entsprechend 570 g pro 1001 Schlamm) Dispergiermittel gegeben. Nach weiterem Rühren werden 5 g Calciumhydroxyd und 2 g Natriumhydroxyd in fester Form zugesetzt. Nach weiterem Rühren werden die Viskositäten und Gelfestigkeiten wie vorher bestimmt. Nach dem Zusatz von Calcium- und Natriumhydroxyd erfolgt normalerweise ein scharfer Viskositätsanstieg bis zu einem Punkt, an dem sich an der Oberfläche des gerührten Schlamms ein Gel bildet. Diese Gelierungszeit wird gemessen und als Umsetszeit bezeichnet. Die Ergebnisse sind in Tabelle II angegeben.

  Tabelle II

  Umsetz- Visko- g Gele

  Dispergiermittel zeit sität

  Sekunden cF OMin. 1lOMin.

  1. Feststoffe natronalka-

  lischer Sulfitablauge ... 17 17 10 230

  2. Feststoffe natron-

  alkalischer Sulfitablauge

  -E- 15 °/o Nag Cr, 0...... 7 11 0 150

  3. Feststoffe natron-

  alkalischer Sulfit-

  ablauge, 2 Stunden mit

  Luft behandelt. . . . . . . . 3 10 0 130

  4. Feststoffe natron-

  alkalischer Sulfit-

  ablauge, 2 Stunden mit

  Luft behandelt,

  + Na2Cr20. . . . . . . . . . 1 8,5 0 95

  5. Wie 4., jedoch durch

  Versprühen getrocknet 1 8,5 0 65

  In einer weiteren Reihe von Versuchen wird dem Natriumbentonitbrei Calciumsulfat zugesetzt, um die in der Bohrpraxis auftretende Verunreinigung durch Gips nachzubilden. Einem 350-cm3-Teil des Natriumbentonitschlamms werden 2 g Dispersionsmittel und nach kräftigem Rühren 3 g Calciumsulfat zugesetzt. Nach weiterem Rühren werden die Viskositäten und Gelfestigkeiten wie bisher gemessen. Die Ergebnisse sind in Tabelle III aufgeführt.

  Tabelle III

  Dispergiermittel Viskosität g Gel

  Cp

  0 Min. 1 10 Min.

  1. Ohne . . . . . . . . . . . . . . . . Vollständige Gelbildung

  2. Feststoffe natronalkali-

  scher Sulfitablauge .... 32 30 70

  3. Feststoffe natronalkali-

  scher Sulfitablauge

  -I-- 15% Na2Cr20, . . . 29 15 65

  4. Feststoffe natronalkali-

  scher Sulfitablauge,

  2 Stunden mit Luft

  behandelt ............ 32 15 65

  5. Feststoffe natronalkali-

  scher Sulfitablauge, mit

  Luft behandelt, + 15 °/o

  Nag Cr2 07 . . . . . . . . . . . 29 10 65

  6. Wie 5., jedoch durch

  Versprühen getrocknet 23 5 50

Claims (4)

1. PATENTANSPRÜCHE: 1. Verfahren zur Herstellung einer Bohrflüssigkeit für Tiefbohrzwecke, dadurch gekennzeichnet, daß eine natronalkalische Sulfitablauge mit einem Feststoffgehalt von etwa 50 °/o und einem pH-Wert von etwa 7 in geschlossenem Gefäß auf etwa 130 bis 150'C erhitzt, in die heiße Flüssigkeit zur teilweisen Oxydation und Herabsetzung des pH-Wertes auf 4 bis 4,5 Luft eingeleitet, mit der oxydierten Ablauge nicht weniger als 5 %, bezogen auf deren Feststoffgehalt, eines Alkalidichromats gemischt, das Gemisch getrocknet und mit einer wäßrigen Tonsuspension gemischt wird.
2. 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Gemisch aus oxydierter Sulfitablauge und Alkalidichromat nicht mehr als 400/, Feststoffe enthält.
3. 3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Tonsuspension NaOH oder Ca (0 H) 2 enthält.
4. 4. Verfahren nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß als Ton Natriumbentonit verwendet wird.